香港城市大学姚希教授《ACS nano》：仿肺泡机制的气泡操控新思路

来源：高分子科学前沿

气泡是一种常见的界面流体现象。日常生活中，我们经常看到很多气泡，例如沸水中的蒸汽泡，洗衣过中的肥皂泡和碳酸饮料中的气泡等；在工业生产中，许多过程也都基于气泡，如曝气降解、热量交换和气液质量传输等。气泡在介质中或界面处的形态演化和动力学行为受到多种因素的影响，如环境温度、压强以及界面张力和气体分子扩散的作用。因此，如何精准地控制气泡运动，使其满足相应过程的需求并提高生产效率，具有重大的意义。

在人体呼吸系统中，肺叶由数百万连通的肺泡组成。肺泡通过膨胀和收缩可以快速地实现肺部气体和环境气体之间的交换。由于各个肺泡之间的形貌曲率有所不同，这将会产生巨大的拉普拉斯压差，如果不加限制，该压差将会对肺泡造成毁灭性破坏。因此，肺泡通过分泌低表面能粘液，降低肺泡表面能，可以有效减少各个单元之间的压差并阻止周围组织液的渗入。姚希教授带领的团队受该现象的启发，结合前期课题组在仿生界面材料的相关工作（ACS Nano, 2017, 11, 2248; Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 10598; Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 11242; Chem.-Eur. J., 2018, 24, 1486; PNAS, 2019, 116, 2482），设计了多孔弹性智能响应材料，并实验验证和理论分析了其控制气泡的机制（图1）。结果表明该材料在应力刺激下，可以可逆控制气泡进出多孔网络，从而实时精准操纵气泡的形态和行为。

图1. 仿肺泡设计智能响应材料。(a)肺部肺泡工作机制；(b)多孔弹性智能响应材料用于水下气泡操控过程示意图。图片来源：ACS nano

研究者使用该材料不仅可以可逆调控气泡接触角，而且能操控气泡的多种动态行为，如气泡的传输、合并、分裂等；同时，该材料还可以在水下长时间稳定使用（图2）。

图2. 仿肺泡智能响应材料精准控制气泡行为。图片来源：ACS nano

姚希教授团队将上述材料应用于生物反应器中，展示了其潜在的实用价值。在细菌培养过程中，该材料通过控制气泡的跨膜传输可实时排放废气，保持反应腔内气压的稳定，并预防外部污染物的入侵；此外，相比传统的聚四氟乙烯多孔膜，该材料具有优异的抗污染特性和稳定性，可以在反应器中长时间稳定使用（图3）。

图3. 仿肺泡智能响应材料应用于生物反应器。图片来源：ACS nano

以上相关成果发表在ACS Nano(10.1021/acsnano.9b04771 )。论文的第一作者为香港城市大学生物医学系博士生张建强，通讯作者为香港城市大学生物医学系教授姚希。课题组计划招收博士研究生、博士后研究员以及研究助理，诚邀相关领域的同学和学者加入。

全文链接： 

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b04771