Wetenschap
Nieuw vloeistofsysteem bevordert de ontwikkeling van kunstmatige bloedvaten en biomedische toepassingen
De natuur inspireert consequent technische toepassingen. Onlangs heeft een groep onderzoekers van de Faculteit Ingenieurswetenschappen van de Universiteit van Hong Kong (HKU) nieuwe inspiratie gehaald uit het vasculaire netwerk en een nieuw type vloeistofsysteem ontwikkeld, genaamd VasFluidics.
Het vloeibare systeem kan vloeistofsamenstellingen moduleren via ruimtelijk verschillende reacties tussen vloeistoffen en kanaalwanden, iets dat nog niet is gerealiseerd in traditionele vloeibare systemen.
Dit werk werd uitgevoerd door het onderzoeksteam van het Microfluidics and Soft Matter Team van professor Anderson Ho Cheung Shum van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Faculteit Ingenieurswetenschappen.
Hun ontdekking is gepubliceerd in Nature Communications , getiteld "Vasculair netwerk-geïnspireerd fluïdisch systeem (VasFluidics) met ruimtelijk functionaliteitiseerbare membraanwanden."
"De briljante controle over de bloedsamenstelling in bloedvaten is opmerkelijk en essentieel en inspireert ons om na te denken over hoe we nieuwe vloeistofsystemen kunnen ontwerpen", zegt Yafeng Yu, de eerste auteur van het onderzoeksproject.
Het bloedvasculaire netwerk, een natuurlijk vloeistofsysteem, inspireerde het onderzoek. Geleid door het vasculaire netwerk ontwikkelde het team van professor Shum VasFluidics, een vloeibaar systeem met functionaliteiteerbare membraanwanden. Net als de wanden van bloedvaten zijn de wanden van VasFluidic-kanalen dun, zacht en in staat de vloeibare samenstelling via fysische of chemische middelen te veranderen.
Deze studie toont de kracht van VasFluidics op het gebied van vloeistofverwerking aan. Nadat gescheiden kanaalgebieden zijn afgezet met oplossingen of bekleed met enzymen, laten sommige gebieden van de VasFluidic-kanalen fysiek toe dat specifieke moleculen door de kanaalwanden gaan, terwijl sommige de vloeistofsamenstellingen chemisch veranderen. De resultaten doen denken aan glucoseadsorptie en metabolismeprocessen in het menselijk lichaam.
"VasFluidics verschilt nogal van de traditionele vloeistofsystemen. Kanaalwanden van traditionele apparaten zijn doorgaans ondoordringbaar en kunnen niet als echte weefsels werken om te 'communiceren' met vloeistoffen binnen of buiten het kanaal voor vloeistofmodulatie", legt Yafeng Yu uit.
De gerapporteerde techniek combineert 3D-printen en zelfassemblage van zachte materialen. De onderzoeksgroep print de ene vloeistof in een andere niet-mengbare vloeistof, waarbij zachte membranen op het vloeistof-vloeistofgrensvlak worden gemonteerd. Naast microfluïdica-gerelateerd onderzoek richt de groep van professor Shum zich ook op de assemblage van zacht materiaal op het vloeistofgrensvlak. De theoretische en experimentele basis van zachte materialen in hun eerdere onderzoek maakt de weg vrij voor het fabriceren van VasFluidic-apparaten.
“VasFluidics heeft veelbelovende toepassingen, vooral voor het ontwerpen van microtubuli-structuren en bio-inkten. Het heeft dus een groot potentieel om gecombineerd te worden met celtechnologie om kunstmatige bloedvatmodellen te ontwikkelen, die naar verwachting zullen worden gebruikt in biomedische toepassingen, zoals organ-on-chip en organoïden," zei Dr. Yi Pan, een medewerker aan dit onderzoek, eerder een Ph.D. student in de groep van professor Shum en momenteel universitair hoofddocent aan het College of Medicine aan de Southwest Jiaotong University.
Dr. Wei Guo, een andere medewerker aan dit onderzoek en wetenschappelijk assistent-professor in de groep van professor Shum, voegde hieraan toe:"Afgezien van de wetenschappelijke verdiensten en potentiële biomedische toepassingen van dit werk, prikkelt het ook onze verbeelding. Het vaatweefsel van het menselijk lichaam, een efficiënt transportsysteem, dat gedurende miljoenen jaren van evolutie is verfijnd.
"Door het aantonen van het potentieel van synthetische systemen zoals VasFluidics om vaatweefsel te reconstrueren, vertegenwoordigt dit onderzoek een substantiële vooruitgang in onze inspanningen om de buitengewone mogelijkheden van de meest nauwkeurige en efficiënte systemen van de natuur na te bootsen en te benutten."
Het team van professor Shum heeft zich geconcentreerd op de allernieuwste microfluïdische technieken om de grenzen te verleggen op het gebied van nauwkeurige (bio)vloeistofcontrole en efficiënte analyse van (bio)vloeistofmonsters. Ondanks hun vooruitgang op het gebied van door microfluïdica ondersteunde biomedische toepassingen weigerde het onderzoeksteam genoegen te nemen met de traditionele opzet.
Door het potentieel van microfluïdica voor een efficiëntere verwerking en analyse van biovloeistoffen te onderzoeken en te realiseren, realiseert het team zich dat nieuwe paradigma's nodig zijn voor het ontwerpen en fabriceren van fluïdische apparaten.
"Ons langetermijndoel is om microfluïdica te gebruiken om ultragevoelige analyses van menselijke lichaamsvloeistoffen te ontwikkelen, om precisiegeneeskunde tegen ziekten te ondersteunen en om de menselijke gezondheid ten goede te komen", aldus professor Shum.
Professor Shum voorziet dat het VasFluidics-systeem een pionier zal zijn op het gebied van biomimetische platforms met complexe vloeistofmanipulatie. "Potentiële biomedische toepassingen zijn grenzeloos. Voorbeelden zijn in vitro modellering van biologische vloeistofmechanica, de synthese van biomoleculen, screening van geneesmiddelen en ziektemodellering in orgaan-op-chips", zei hij.