Plataforma fluídica versátil para processamento de líquidos programável

Liderada pelo Prof. WANG Liqiu, Professor da Fundação de Caridade Otto Poon em Energia Inteligente e Sustentável, Professor Titular de Engenharia Térmica-Fluida e de Energia, do Departamento de Engenharia Mecânica da PolyU, a equipe de pesquisa desenvolveu um processador fluídico exclusivo, “Connected Polyhedral Frames” (CPFs). Com os CPFs, alternar entre captura e liberação de líquidos se torna reversível, programável e independente de quadros poliédricos usados ​​e líquidos processados, tornando o processador um meta-metamaterial. Esta pesquisa foi publicada recentemente em Engenharia Química Natural, com o Dr. ZHANG Yiyuan, Professor Assistente de Pesquisa do Departamento de Engenharia Mecânica, como primeiro autor.

Ao contrário da área altamente desenvolvida de manipulação de sólidos, o manuseio conveniente de fluidos continua sendo uma tarefa incômoda, apesar da ubiquidade dos fluidos, por exemplo, nas indústrias de saúde, farmacêutica, biológica e química. À medida que os fluidos interagem com as ferramentas, eles frequentemente molham e se espalham nos sólidos, impedindo a transferência completa do líquido, prejudicando a precisão volumétrica e causando contaminação cruzada entre amostras. Para preservar a pureza dos fluidos, plásticos descartáveis, como pipetas e microtubos, são amplamente usados, aumentando o problema global de resíduos plásticos.

A comutação reversível entre captura e liberação é a chave para a capacidade dos CPFs de processar líquidos com precisão, permitindo que o líquido na rede seja retido ou drenado localmente, dinamicamente e reversivelmente, conforme desejado. Nos CPFs, os quadros acima da conexão de haste única sem um caminho para drenagem de líquido entre os quadros capturam e retêm líquidos, funcionando assim como capturadores. Enquanto os quadros acima da conexão de haste dupla absorvem, mas liberam líquidos, servindo como liberadores. Isso ocorre porque quando os CPFs são levantados do líquido, uma película de líquido se forma entre as conexões de haste dupla, criando canais entre os quadros que facilitam a liberação do líquido.

A comutação reversível entre captura e liberação pode ser alcançada, usando ferramentas disponíveis, construindo ou quebrando a continuidade líquida entre quadros. CPFs oferecem uma plataforma versátil que permite muitas funções exclusivas, incluindo padronização programável 3D de líquidos, controle espaçotemporal 3D de concentrações de vários materiais, empacotamento de matrizes líquidas 3D e manipulação em larga escala de vários líquidos. É compatível com uma ampla gama de líquidos, incluindo, mas não se limitando a soluções aquosas, biofluidos, hidrogéis, solventes orgânicos, soluções de polímeros e óleos. Portanto, uma variedade de biomateriais e produtos químicos podem ser incorporados em CPFs para várias aplicações.

Para demonstrar a utilidade prática dos CPFs na liberação controlada de múltiplos fármacos, a equipe do Prof. Wang projetou uma rede CPF para o padrão líquido binário 3D das vitaminas B2 e B12. As duas vitaminas, representando dois tipos diferentes de moléculas de fármacos, foram encapsuladas em hidrogel de alginato de sódio e goma gelana, respectivamente, e liberadas em solução aquosa. Ao alterar a espessura da membrana de gel, as taxas de liberação relativas dos dois “fármacos” podem ser controladas com precisão.

Os cotonetes tradicionais e os cotonetes de flocagem sofrem com resíduos severos de amostra durante sua liberação de amostra. Os CPFs podem superar esse desafio efetivamente porque sua estrutura de quadro torna interfaces líquido-líquido livres para alta eficiência de liberação. Usando o vírus da gripe como exemplo, a equipe de pesquisa demonstrou a superioridade dos CPFs como ferramentas de amostragem com desempenho de liberação muito melhor. Quando a concentração do vírus era baixa, os CPFs detectavam o vírus, enquanto o cotonete de flocagem e o cotonete falhavam em fazê-lo.

A equipe também demonstrou a aplicação de CPFs no encapsulamento de biomateriais. Tomando Acetobactéria encapsulamento como exemplo, os CPFs mostram muitas vantagens sobre os dispositivos tradicionais, incluindo a facilitação da separação de bactérias e produtos de reação, simplificando o processo de reação microbiana e aumentando a taxa de utilização de bactérias. É concebível que o CPF também possa ser aplicado para encapsular outros materiais biológicos para produção eficiente de outros produtos valiosos.

Além das aplicações médicas e microbianas, a equipe do Prof. Wang demonstrou ainda mais a praticidade dos CPFs para ar condicionado. Eles prepararam um protótipo de umidificador em escala comercial, que tem uma maior capacidade de armazenamento de água e requer menos fluxo de água, tornando-os potencialmente mais eficientes em termos de energia. Os CPFs também permitem a dispersão de líquidos 3D em larga escala para formar uma área de superfície maior, tornando-os muito úteis para absorção de gás. Um CO ideal₂ O processo de ciclo é gerado com sucesso com CPFs, o que inclui captura e armazenamento de carbono e reutilização de CO2.

Importante, cada quadro em CPFs captura ou libera líquidos independentemente de seus materiais de base, estruturas e líquidos manipulados, sendo, portanto, um meta-metamaterial inovador que torna realidade o sonho de “extrair água precisamente com uma cesta de bambu”. A disponibilidade de tal processador fluídico define um novo padrão para manuseio de líquidos com controlabilidade, versatilidade e alto desempenho, inspira um novo campo de meta-metamateriais e facilita novos avanços científicos e tecnológicos em vários campos.