Naturen inspirerar konsekvent tekniska tillämpningar. Nyligen hämtade en grupp forskare från fakulteten för teknik vid University of Hong Kong (HKU) ny inspiration från det vaskulära nätverket och utvecklade en ny typ av fluidsystem vid namn VasFluidics.
Fluidsystemet kan modulera vätskesammansättningar via rumsligt olika reaktioner mellan vätskor och kanalväggar, något som ännu inte har realiserats i traditionella vätskesystem.
Detta arbete utfördes av forskargruppen för professor Anderson Ho Cheung Shums team för mikrofluidik och mjuk materia vid avdelningen för maskinteknik vid tekniska fakulteten.
Deras upptäckt har publicerats i Nature Communications , med titeln "Vaskulärt nätverksinspirerat fluidsystem (VasFluidics) med rumsligt funktionaliserbara membranväggar."
"Den briljanta kontrollen över blodsammansättningar i kärl är anmärkningsvärd och viktig, vilket inspirerar oss att fundera på hur man designar nya fluidsystem", säger Yafeng Yu, den första författaren till forskningsprojektet.
Det blodkärlnätverk, ett naturligt fluidsystem, inspirerade forskningen. Med ledning av det vaskulära nätverket utvecklade professor Shums team VasFluidics, ett fluidsystem med funktionaliserbara membranväggar. I likhet med blodkärlsväggar är väggarna i VasFluidic-kanalerna tunna, mjuka och kan förändra flytande sammansättningar via fysikaliska eller kemiska medel.
Denna studie visar kraften hos VasFluidics i vätskebearbetning. Efter att separerade kanalregioner har deponerats med lösningar eller belagts med enzymer tillåter vissa regioner av VasFluidic-kanalerna fysiskt specifika molekyler att passera genom kanalväggarna, medan vissa kemiskt ändrar flytande sammansättningar. Resultaten påminner om glukosadsorption och metabolismprocesser i människokroppen.
"VasFluidics skiljer sig ganska mycket från de traditionella fluidsystemen. Kanalväggar hos traditionella enheter är vanligtvis ogenomträngliga och kan inte fungera som riktiga vävnader för att "kommunicera" med vätskor inuti eller utanför kanalen för vätskemodulering," förklarade Yafeng Yu.
Den rapporterade tekniken kombinerar 3D-utskrift och självmontering av mjuka material. Forskargruppen skriver ut en vätska i en annan oblandbar vätska och sätter ihop mjuka membran på vätske-vätska-gränsytan. Förutom mikrofluidikrelaterad forskning fokuserar professor Shums grupp även på montering av mjukt material på vätskegränssnittet. Den teoretiska och experimentella grunden för mjuka material i deras tidigare forskning banar väg för tillverkning av VasFluidic-enheter.
"VasFluidics har lovande tillämpningar, särskilt för att designa mikrotubulistrukturer och biobläck. Så det har stor potential att kombineras med cellteknik för att utveckla artificiella blodkärlsmodeller, som förväntas användas i biomedicinska tillämpningar, såsom organ-on-chip och organoider", säger Dr. Yi Pan, en bidragsgivare till denna forskning, tidigare en Ph.D. student i professor Shums grupp och för närvarande docent vid College of Medicine vid Southwest Jiaotong University.
Dr Wei Guo, en annan bidragsgivare till denna forskning och en forskningsassistent i professor Shums grupp, tillade:"Förutom de vetenskapliga fördelarna och potentiella biomedicinska tillämpningarna av detta arbete, väcker det också vår fantasi. Människokroppens vaskulära vävnad, ett effektivt transportsystem, har förfinats under miljontals år av utveckling.
"Genom att demonstrera potentialen hos syntetiska system som VasFluidics för att rekonstruera vaskulär vävnad, representerar denna forskning ett betydande framsteg i våra ansträngningar att efterlikna och utnyttja de extraordinära kapaciteterna hos naturens mest exakta och effektiva system."
Professor Shums team har fokuserat på banbrytande mikrofluidtekniker för att driva fram höljet i exakt (bio)vätskekontroll och effektiv (bio)vätskeprovanalys. Trots deras framsteg inom mikrofluidikassisterade biomedicinska applikationer vägrade forskargruppen att bara sätta sig fast vid de traditionella inställningarna.
Genom att utforska och inse potentialen hos mikrofluidik för effektivare biovätskebearbetning och analys, inser teamet att nya paradigm för att designa och tillverka vätskeenheter behövs.
"Vårt långsiktiga mål är att använda mikrofluidik för att utveckla ultrakänslig analys av mänskliga kroppsvätskor, för att hjälpa precisionsmedicin mot sjukdomar och för att gynna människors hälsa," sa professor Shum.
Professor Shum förutser att VasFluidics-systemet kommer att vara banbrytande för biomimetiska plattformar med komplex vätskemanipulation. "Potentiella biomedicinska tillämpningar är gränslösa. Exempel är in vitro-modellering av biologisk vätskemekanik, biomolekylsyntes, läkemedelsscreening och sjukdomsmodellering i organ-on-chips", sade han.
Mer information: Yafeng Yu et al, Vaskulärt nätverksinspirerat fluidsystem (VasFluidics) med rumsligt funktionaliserbara membranväggar, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45781-3
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Hong Kong
