- 德克薩斯大學開發3D列印材料，模擬生物組織的過濾能力。
- 新技術克服了材料科學家面臨的擴展挑戰，能快速構建大型材料。
- 該材料可用於醫療、機器人及環境科學等多個領域。
- 製造過程簡單，無需專業設備，具備廣泛應用潛力。
一滴水、一滴油，以及一台標準實驗室離心機，或許藴藏著培養人類器官、回收貴重電池金屬以及構建類腦計算機的秘密。這聽起來像是煉金術。然而，德克薩斯大學奧斯汀分校的工程師們將這一精確配方轉變為一種可進行 3D 列印的材料，該材料複製了生物組織的選擇性過濾能力。這種液滴網絡的科學術語為 JIBEs（擠壓互聯雙層乳液）。該材料充當選擇性滲透膜。為了克服標準製造的速度和可擴展性限制，研究人員開發出一種快速、可擴展的方法，能在短短幾分鐘內構建大型、類組織的材料。
通過簡單的混合和離心技術，他們將數十億個微小的水滴緊密擠壓在一起，這些水滴由薄膜分隔，這些薄膜相互連接，從而模擬人類組織的細胞組織，規模更大。這種 3D 列印的組織模擬了人類組織的分揀和過濾能力，允許某些分子通過，同時阻擋其他分子。
突破材料擴展挑戰
該創新克服了材料科學家十多年來一直面臨的挑戰：規模。早期，科學家們能夠在微觀層面上製作精緻的組織狀結構，但將這些微滴擴展成可用的宏觀材料卻極為緩慢且極不穩定。德克薩斯大學奧斯汀分校的博士研究生 Aida Fica 在一次學術會議上將不同的想法聯繫起來，突破了這一挑戰。她的團隊通過混合兩種不同溶解度的油來形成微小的水滴，然後在離心機中強力將其壓縮在一起，在短短幾分鐘內創造出數十億個密集互聯的液滴網絡。
每個液滴均被超薄膜包裹，完美模擬了活細胞如何聚集形成工作器官。德克薩斯大學土木、建築及環境工程學院的 Manish Kumar 教授表示：「組織能夠分離和運輸離子和分子；這就是我們的腎臟或腸道如何運作的，僅取用其所需的部分，將其餘部分留在一旁。」
多元化的潛在應用
這種材料能夠輕易從生物相容性物質中列印出來，其潛在用途跨越多個行業。這種生物材料作為一個適應性平台，涵蓋醫療、機器人、計算及環境科學。在醫療保健和柔性機器人領域，其靈活的類組織結構使得精確的組織生長得以實現，能夠用於人類器官移植，並讓精密的手術或救援機器人在環境中安全導航。此外，嵌入專門的蛋白質使該材料能夠傳導離子電流，為類腦神經計算奠定基礎。同時，定製的變體則可作為選擇性膜，提取如鋰等貴重資源並過濾工業廢水中的污染物如氨。
Fica 表示：「這項技術現在提供了一個簡單、可擴展的過程，具備無限的應用潛力，因為它只需要基本設備即可在任何實驗室中實施。」或許最令人驚訝的是，製造過程不需要專業的潔淨室或高昂的激光設備。該團隊與美國能源部的 ARPA-E 合作，正在調整這項技術以回收鋰和其他稀土元素。Fica 和 Kumar 已經為該技術申請了專利，為全球實驗室測試、調整及列印未來的合成組織鋪平了道路。
相關研究結果已發表在《Nature Materials》期刊上。
新材料技術的廣泛應用前景
這項3D列印生物材料的開發，標誌著材料科學的一個重要進步。它不僅克服了以往在宏觀層面製作生物組織的挑戰，還提供了一個靈活的平台，能在醫療、機器人及環境科學等領域發揮作用。隨著技術的簡化及可擴展性，這種材料的應用潛力無疑會吸引更多研究者及產業的注意，推動相關領域的創新發展。