理大研发新型「连接的三维多面体框架」技术实现可编程流体精密控制

香港 - Media OutReach Newswire - 2024年8月8日 - 人类社会的进步依赖于各种控制液体的技术。准确捕捉和释放各种化学和生物流体在许多领域中发挥着重要作用。能够在空间和时间上精确控制液体的可切换捕捉和释放能力，并且精确控制液体的体积，向来是一大挑战。理大的研究人员最近便发明了一种精妙的新方法。

理大潘乐淘慈善基金智慧及可持续发展能源教授、机械工程学系热流体与能源工程讲座教授王立秋教授带领团队研发出独特的超超材料，实现了可逆的捕获和释放准确容量液体，并精准地控制液体三维空间分布的技术。这项突破名为「连接的三维多面体框架」（connected polyhedral frames，简称CPF），是一个新型平台，以杆连接的毛细尺度三维框架网络，浸进液体提出到空气后可以发挥可编程、定点、可逆地捕获和释放液体的作用。此研究成果最近已发表在《自然化学工程》期刊，论文第一作者为机械工程学系助理教授（研究）张艺媛博士。

在这套系统中，控制液体的关键源于CPF充当可切换「捕获器」和「释放器」，让网络中的液体可以按需要保留和排走。部分CPF由单杆连接不提供液体排放通道，能捕捉液体，充当「捕获器」。而其他连接设置为双杆式，可释放液体，为「释放器」。这是因为当框架网络从液体中提出后，双杆连接处有液膜形成，在框与框之间形成通道，促成液体释放。

运用不同技术来产生或破坏液体连续性，捕获器和释放器可以相互转换。多种多样的液体均可以通过精准控制在CPF阵列内操纵，轻松地实现可编程的三维流体图案化。由于平台中的液体可以是水、油、水凝胶、聚合物、生物流体等，所以各种生物材料和化学品都可以与CPF兼容。

王教授的团队设计了一种用于运载维生素B2和B12的CPF框架，用来示范技术具备应用于可控多药释放的潜力。两种维生素用来代表假设的药物分子，分别封装于海藻酸钠水凝胶和结冷胶中，在水溶液中释放。透过改变凝胶膜的厚度，两种「药物」的相对释放速率便可精准可控改变。

CPF的运作原理有别于拭子一类传统采样技术，可建立直接的液体—液体界面接触，实现超高的样品释放效率。这些优点在一项模拟医学实验中得到证实：使用CPF进行流感病毒采样时，即使在非常低的浓度下CPF也可以把病毒检测出来，而使用棉花棒无法检测经稀释的病毒。

王教授的团队展示了CPF也可用于细菌封装领域。研究团队利用CPF封装产乙酸菌，可极大提高产乙酸菌的使用效率，并大幅简化乙酸产物的分离流程。可以想象，CPF也能应用于高效生产其他有价值的产品中。

除了医学和微生物应用，团队还示范了CPF可应用于空气调节。他们利用已浸湿的CPF阵列作为原型加湿器，在吸入干燥空气和通过含水框架后，能排出更湿润的空气。 CPF吸收气体的能力也可用于捕捉二氧化碳，在二氧化碳储存或碳封存上发挥实用。

CPF的捕获/释放液体功能，不依赖框架的结构、组成材料、和所处理的液体，因此CPF是一种创新型超超材料，实现了「竹篮子精确可控打水」的功能，可用于组织工程学、药物筛选和多材料制造等众多领域。