英文原题: Origami-Based Bionic Reactor
![]()
通讯作者：陶胜洋，大连理工大学化工学院
作者：Yuan Zhuang (庄园), Xiao Dong (董校), Shengyang Tao (陶胜洋), Yuchao Wang (王玉超), Wenbo Yang (杨文博), Lijing Zhang (张利静)
![]()
混合作为化工生产中的重要操作单元，其效果直接影响传质效率，进而影响反应的速率、产率甚至是副反应的产生。高粘度流体的充分混合是许多化学反应的必要条件，但利用传统的搅拌混合方法进行高粘度流体混合仍然是一个巨大的挑战。除此之外，在细胞培养等剪切力敏感的混合场景下，高转速的机械式搅拌混合对细胞产生严重的破坏，低转速则无法进行良好的混合。因此，开发一种既满足高粘度混合需求并且适用于剪切力敏感体系的混合设备是十分有意义的。近日，大连理工大学化工学院陶胜洋教授团队受人体消化系统可快速混合并转移高粘度食糜的启发，设计并制作了一种基于折纸结构的柔性仿生反应器（SBR）。采用有限元模拟、图像识别和无量纲分析等方法考察了反应器的性能，探讨了粘性液体在该反应器中混合过程的机理。该柔性反应器可以产生纵向和径向伸缩运动模拟小肠的蠕动，迫使粘性溶液流动产生大量的漩涡，促进了溶液均匀混合，并且在SBR中几乎没有混合死区，性能明显优于传统的桨叶式搅拌桨。大自然是工程学上重要的灵感来源，人的小肠可以被视为处理高粘度食糜的特殊反应器。其消化机理主要是结构与组织构成决定的，肌肉的协同收缩引起肠道运动，允许食糜在小肠内混合和运输。小肠的浆膜提供柔性支撑，保护组织液；环状肌产生径向收缩，研磨食物；纵向肌产生纵向收缩，输送食糜。因此该研究目标是模仿小肠的结构和消化原理，开发具有纵向径向收缩能力，实现小肠功能的柔性反应器。折纸作为历史悠久的艺术，经过不断的发展与进步，逐渐成为一门科学。折纸工艺的优势是通过改变折叠模式将二维平面转换为可以纵向径向伸缩的三维动态结构。首先，研究人员为了模仿小肠结构与功能（图1a-c），采用折纸工艺将聚酯薄膜（PET）与硅橡胶膜贴合，制成一张复合片材，作为反应器侧壁材料。作者利用折纸技术将其围成管状结构。内层PET模仿小肠环状肌与纵向肌在折叠过程中分别产生径向纵向收缩，外层硅橡胶薄膜模仿小肠浆膜提供柔性与防漏功能。然而，折纸的几何参数影响二维平面生成三维折纸结构的结果，该研究采用了几何分析、压缩测试实验、数值模拟等方法，探究并优化了SBR的折叠几何参数（图1d-g）。![]()
图1. SBR的制作与几何参数优化。
为了测试SBR的粘性混合性能，研究人员将其在不同工作频率和压缩距离下进行测试，与工业上常用的高粘度混合搅拌桨进行对照实验，并进一步探究仿生混合行为。研究结果显示高伸缩频率与长伸缩距离有助于粘性混合（图2a，b）。在对照试验中SBR的混合时间最短，混合结束后几乎不存在死区（图2c），证明SBR更具有粘性混合的优势。
![]()
图2. SBR的性能测试与对比实验。
为探究混合机理，作者通过酚酞变色反应显示混合过程，利用基于计算流体力学的数值模拟分析反应器中的流体运动。根据混合过程的视频（视频1.混合过程）与模拟结果（图3）推断反应器壁面的伸长和收缩迫使高粘度液体流动，流体在尖角处形成了旋涡，并随着时间的推移漩涡逐渐增大，增强旋涡流动会显著提高混合传质效率。
![]()
图3. 利用数值模拟方法探究SBR的混合机理。
另外，作者还引入无量纲分析法定量探究影响混合时间的物理因素（图4a）。利用该方法将影响混合时间的复杂因果关系进行简化和量化，得到了混合时间、伸缩距离、伸缩频率之间的函数关系：tm=87.3367⋅(h/R )-3.5161⋅(Fr)-0.5834，根据关系式绘制三维云图预测该实验不同条件下的混合时间（图4b）。同时为了探索此SBR在不同领域下的应用价值，该研究进行了不同粘度的聚合物混合实验、体外模型消化实验、药物与粘性载体混合的实验。结果显示SBR在不同粘性体系下依然保持良好的混合性能，并且还具有良好的食物破碎性能（图4c-f）。因此，SBR不仅可用于不同粘性溶液的混合，还在医药与体外模型方面具有潜在的应用前景。![]()
图4. 无量纲法定量分析混合过程与SBR在不同粘性体系下的应用。
最后，研究人员针对尺寸效应是否会影响该反应器的混合性能进行了放大实验。受片材的尺寸与设备的荷载能力限制，作者制作最大放大体积为3倍的SBR，体积放大10倍与100倍的放大实验将由数值模拟替代。混合实验与模拟结果显示（图5），混合趋势与放大前保持一致，混合结束几乎不存在死区。据此作者推断SBR体积放大后仍然可以保持良好的混合性能。![]()
图5. SBR的放大实验与数值模拟。
综上所述，SBR具有柔性、适用性高、成本低等特点，在生物工程和医学工程的高粘度混合中具有广阔的应用前景。基于折纸工艺制造的SBR为构建先进的化学应用功能系统提供了一个实例。
扫描二维码阅读英文原文
![]()
Ind. Eng. Chem. Res. 2021, 60, 11, 4279-4289
Publication Date: March 12, 2021
https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c06066
Copyright © 2021 American Chemical Society