90后同济毕业生拓展三维微流控组装方法，攻克两大制备难题，可用于体外组织培养和人造器官输送养料等

不到一年，连续两次登上 Science Advance 封面，且均担任第一作者。此前不久，还有一篇担任共同作者的论文，成为 Nature 封面。

不到一年，连续两次登上 Science Advance 封面，且均担任第一作者。此前不久，还有一篇担任共同作者的论文，成为 Nature 封面。

图 | 第一张为栾海文本次封面论文的照片；第二张为年初封面论文照片；第三张为近期参与的 Nature 封面的照片

他就是美国西北大学博士后栾海文，高产又高质量地做科研，和导师指导以及个人努力密不可分。

图 | 栾海文（来源：栾海文）

而谈及最新论文的重要性，他表示：“该研究为实现智能人工微血管网络迈出了一大步[1]。”

10 月 20 日，相关论文以《由力学引导压缩屈曲形成的复杂三维微流体网络》（Complex 3D microfluidic architectures formed by mechanically guided compressive buckling）为题，发表在 Science Advance 上，并成为当期封面。

图 | 本次论文封面（来源：Science Advance）

为实现智能人工微血管网络迈出一大步

栾海文表示，这项研究既拓展了知识的新边界，也解决之前存在的问题与挑战。该研究的主题是由力学引导压缩屈曲形成的复杂三维微流体网络。

（来源：Science Advance）

一方面，他拓展了力学引导的三维微尺度组装方法、在制备由软材料构成的三维微小结构的边界，研究使用的材料的弹性模量在 100kPa~1MPa 量级；另一方面，解决了超小流道尺寸和复杂形状的三维微流控制备的两个难题，并同时展示了在三维微流体系统上便捷地集成电子器件的能力。

（来源：Science Advance）

作为一种可精确操控微尺度流体的技术，微流控（microfluidics）能通过微小尺寸的流体通道，定量输送液体和气体，它在化学分析、药物输送、人造血管等领域都有重要作用。

（来源：Science Advance）

由于可实现更大范围的养分输送，基于微流控技术的人造血管网络，在实现较大尺寸的三维细胞培养、再生组织、人造器官等方面都有明确意义。

然而即便前景明朗，制备复杂三维微流控的众多方法比如 3D 打印，在此前都面临着一定局限，典型挑战在于：难以形成复杂可控的三维形状、难以达到和毛细血管（直径约 10 微米）相当或更小的流道尺寸、难以具备通透的几何构型、难以实现快速高通量的制备工艺、难以集成用于感测和致动的高性能电子器件等等。而本次研究中展示的方法却不受上述限制。

研究中，栾海文采用压缩屈曲的办法，把二维微流体流道以可控的方式组装成三维微流体网络，得以完全克服上述困难。

（来源：Science Advance）

基于成熟的平面微纳米加工技术，他在研究中展示了流道宽度 4 微米、甚至可以更小的三维微流控设计，并在保持微小流道尺寸的同时，实现了复杂的几何形状以及更大的覆盖面积，拓展了人造微血管网络可实现的几何形状和工作特性。

（来源：Science Advance）

他表示，本次研究使用的方法可有效控制三维几何的形状和尺寸，以及流体流速和压力分布、结构力学性能等方面，整体来看设计自由度比较高。

另外在设计上，三维微流体系统比较“复杂”和繁复，这也让它拥有超多能力，比如可用于调控系统的流体、热学、电磁特性等。由于三维结合形状比较通透，因此也可方便用于集成各种生物&非生物材料。

以动物血管为灵感，历经八大研究步骤

很多科研工作都会从大自然中的动植物获取灵感，这次栾海文直接从血管获取灵感。

图 | 血管网络（来源：https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/3d-printed-organs/）

他说，研究的起初启发来自于血管网络。生物体内的血管网络纷繁复杂，不仅有多个层级和分支，而且每级的尺寸都不同。脊椎动物体内的血管和心脏，构成了完整的血液循环系统，其中血管还分为动脉、小动脉、毛细血管、小静脉、静脉等。

以人体肺动脉为例，它由十五级以上的分支组成。血管网络可给体内细胞提供氧气、养分、水等重要物质，并能带走代谢废物；毛细血管网络则可覆盖全身各处，以保证全身细胞都在血液循环能关照到的范围内。

要模仿复杂的生物血管网，并结合栾海文所在团队的三维组装技术，第一步要做的是拓展三维组装技术的适用材料。在理论上证明该三维组装方法适用于软硬各种材料，并且适合微观、介观、宏观多个几何尺度。

由于生物血管比较柔软，所以他也使用了柔软、透明、且和生物组织相容的的硅胶材料聚二甲基硅氧烷（PDMS，Polydimethylsiloxane），来制备微流控系统。

（来源：Science Advance）

第二步是解决关键的力学问题。具体来说，栾海文要在三维组装过程中，通过系统的力学分析和设计，来避免微流控结构和弹性基底之间的黏附，以及避免流道由于屈曲变形引起的塌陷等。

而通过建立和优化有限元分析模型，他得以实现对三维结构的形状以及应力分布情况的准确预测，从而进行设计改进和优化。

第三步要探索复杂的几何形状。结合模拟和实验尝试，栾海文做出十多种不同几何形状的三维微流控，借此丰富了单个微流控结构的设计库。

第四步是建设微流体网络阵列。即把不同尺寸、不同形状的微流体网络连接一起，形成更复杂的微流体系统。其中还涉及通过弹性基底上的流道，来远程地为不同三维结构输送流体设计，类似人体内血液从心脏流出后分支流经众多器官和组织，之后返回心脏。

第五步是探索极限尺寸。包括流道的尺寸，比如几微米宽或高，还有结构轮廓的尺寸，目前可有效控制在流道外侧 50 微米左右用激光切个结构轮廓。除上述之外，三维微流控结构的整体尺寸没有太多限制。

（来源：Science Advance）

第六步则是增加三维微血管在仿生方面的展示。包括在尺寸和构型上比拟人体血管网，比如期刊封面照片里的例子有两层叠在一起的结构构成，每层结构都有三级分支，流道宽度分别是 100 微米、30 微米和 10 微米，10 微米的尺寸就和人体内毛细血管的管径类似；利用 PDMS 薄膜透气的性质实现稳定地输送氧气；并采用多孔的 PDMS 薄膜来制作流道壁，从而去输送大分子蛋白质。

第七步展示了各种集成的高性能电子功能。这也是本次三维微流控结构的独特优点。文章中展示的多功能微流体-电子三维结合系统，代表了有电子感知和执行功能以及流体输送功能的新一代智能三维微血管网络。

该系统阵列结构中，各种电子器件位于微流体流道的正上方。其中的电子器件包括 16 组均匀分布的微米级无机 LED 光源和热敏电阻（或加热电阻），以及 12 个微电极，可以用于光刺激、加热、电刺激、温度感测、电信号采集等等。每个电子器件均可被独立控制。

（来源：Science Advance）

柔软、可延展的力学特性使该微流体-电子三维结合系统可以承受弯曲、扭转、拉伸等等变形，研究中展示了器件绕在玻璃棒上的情况。力学分析和设计确保该三维结合系统中柔性电路中的金导线在三维组装过程中始终处于弹性范围，保证器件具备可靠的电子功能。

第八步，为了证明屈曲组装的广泛适用性，栾海文通过模拟和实验的方法，展示了用屈曲组装将不规则的二维微流控构型变形成三维复杂网络的例子。

可用于体外组织培养和人造器官输送养料等

在应用前景上，他表示此次做出的三维人造微血管网络，集成流体通道和高性能电子器件，具备输送流体、感知液体属性、光热电刺激等多种功能。

研究中，他曾尝试增加三维人造微血管网络的复杂度和完整度，以实现和生物血管网络类似的功能。

（来源：Science Advance）

具体来说，三维人造微血管网络可用于体外组织培养，也可用于为人造器官输送养料、排出废物。

相比传统的二维微流体系统，它可以帮助培养出功能更完整的组织和器官，以便用于基础医学和生物方面的研究，比如体外疾病和血流特性等研究。

采用嵌入方式，三维人造微血管网络还能帮助培养出尺寸更大、收缩更有力的肌肉组织，从而用于生物混合机器人。

本次论文作者多达 27 位，栾海文担任独立第一作者。研究中，其肩负起设计、模拟、制备、表征等多方面，他表示自己也借此也逐渐成为理论和实验的全能选手，在众多小伙伴的帮助与鼓励下，也实现了内心的“专业小目标”。

图 | 论文作者多达 27 位（来源：Science Advance）

当然，遇到主要靠自己一个人做项目的时候还是很辛苦，需要解决各种各样的新困难，进度有时会不如意。论文中的内容非常大，光是支持文档里也有四五十幅图和视频。“研究过程中也免不了老板的鞭策，比如经常被询问项目进度，”栾海文表示。

师从黄永刚院士和罗杰斯院士，打算继续从事微血管网络相关研究

栾海文今年 31 岁，来自山东省烟台市。2013 年，其本科毕业于同济大学土木工程系。大学本科毕业后，他来到美国西北大学读书，并加入该校黄永刚教授的研究组。

黄永刚是西北大学的 Achenbach 讲席教授，也是美国国家工程院、美国国家科学院、美国文理科学院的三院院士，同时还是中科院外籍院士。

图 | 黄永刚（来源：资料图）

2019 年，栾海文获得了机械工程专业固体力学方向的博士学位。博士毕业后，他加入西北大学奎里-辛普森生物电子研究院做博士后，主要研究生物集成柔性可延展电子器件，师从约翰·罗杰斯（John A Rogers）教授。

罗杰斯是西北大学 Simpson/Querrey 讲席教授，也是美国国家工程院、美国国家科学院、美国国家医学院、美国文理科学院的四院院士，同时还是麦克阿瑟奖得主。他和黄永刚是长期合作伙伴，仅在 2020 年他们就合作发表了 23 篇论文。

图 | 约翰·罗杰斯（John A Rogers）（来源：资料图）

该论文的共同通讯作者分别是西北大学的黄永刚院士和约翰·罗杰斯（John A Rogers）院士，正是两位老师的鞭策，促成了本次封面论文。

栾海文说，黄院士很严谨，做科研事业非常有热情，对科研领域有很高的眼界。和对方一起研究问题，每次都能在他指导下把握到问题的核心，并进行有效解决。刚开始读博时，黄院士告诫他做科研的第一境界是把科研任务做得又好又快，第二境界是对问题有深入且独到的见解。

同时，罗杰斯院士对科研的投入也非常令人佩服。他每天都坚持在办公室工作，效率一直都很高，比如栾海文请他修改论文文稿，往往邮件发出后两三小时，就能收到细致的文稿修订。罗杰斯院士在里面清晰列出他通览全篇后的详细点评和新要求。更重要的是，其对科研项目有着十分清晰的把握，比如每次讨论科研进度，栾海文都会被他三两句点评里的新奇想法启发到。

此次论文的发表，也意味着栾海文距离博后出站又近了一步。他说完成该工作后，感觉对科研又有了新认识，也更加热爱自己的科研事业。目前最大的体会是，时间是宝贵的，因此要用在最感兴趣或最有科研价值的问题上，这样在收获科研成果的同时也可让自己更快乐。

未来，他会继续研究三维微尺度结构组装、以及生物集成电子，努力在理论和实验方面都有所贡献，并希望把微血管网络的相关研究继续向前推进。