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由香港中文大學（中大）物理系教授徐磊教授帶領的團隊聯同內地科學家，成功開發全球首個集隱形、聚集、旋轉等功能於一體的超材料裝置。它具潛力用於開發新型細胞和生物組織培養、藥物遞送等裝置，為組織工程及藥物遞送技術帶來新設計方向。研究結果已發表於國際頂級學術期刊《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。

可簡易轉換功能的超材料裝置

《哈利波特》電影及小說中的隱形斗篷可讓使用者瞬間消失，中國古代小說《封神演義》中也有八卦仙衣和混元幡等隱形法寶。英國理論物理學家John Pendry教授於2006年提出變換光學理論，利用特殊設計的光學材料來扭曲光線，可讓光線繞過物體，令物體恍如隱形。基於此理論，科學家利用類似的物理場，包括聲波、機械波、水波、熱傳導、直流電場等，設計出許多既可隱形又能操控內部物理場的超結構裝置，例如增強內部物理場運輸強度的聚集器、控制運輸方向的旋轉器等。然而，這些裝置只有單一功能，若要開發集多種功能、可簡易轉換功能的「超級裝置」，需要可調節度極高的材料參數，因此過去一直未有人成功開發這類裝置。

是次合作研究團隊發現，多孔介質流場是實現「超級裝置」的可行方法。多孔介質（例如一堆沙子）在結構上有大量可讓流體通過的微小縫隙，而多孔介質流場的流體運輸特性與孔隙大小有密切關係，只需稍微調節孔隙便可大幅度改變流場的運輸行為。利用這特性，團隊在多孔介質流場中，成功開發集隱形斗篷、聚集器及旋轉器於一身的多功能超材料裝置。它能以3D打印技術簡易製造，由多層的環狀多孔材料組成，每層均可獨立旋轉。研究人員可依照不同功能的設定，利用特別設計的手柄，將各材料層旋轉至特定位置，以調節孔隙大小，控制裝置內部流速的大小和方向，從而轉換和執行「隱形」、「聚集」和「旋轉」等不同功能。

具潛力用於設計新型細胞培養和藥物遞送裝置

中大團隊的實驗結果表明，「聚集」和「旋轉」功能可分別加強裝置內的運輸強度以及調節流體的速度和方向，有效地調控細菌生物膜生長的方向和速度；而「隱形」功能令裝置的內部流場不受外部流場影響，將細菌的生長情況隱藏起來。因此，在裝置內同步培養不同生長模式的細菌，每種生長模式可自成一隅，互不干擾。這些優點令新裝置有潛力成為一種新型的微生物或細胞培養控制裝置。

另外，人體器官如肺、肝和乳腺等都屬於多孔介質，時刻都在進行流體運輸。如這些重要器官發生病變，常見治療方法是將醫療器具如支架，置入病變位置。困難之處是如何減少器具對人體內部原有流場的干擾，以免影響其他器官運作。團隊研發的新裝置具備「隱形」功能，能將裝置隱藏起來，不會干擾人體原有流場，而「聚集」和「旋轉」功能可調節裝置的內部流場速度和方向，將藥物等注入合適位置。因此，新裝置有望作為理想的設計方案，用於製造植入式藥物遞送裝置，以控制藥物釋放位置和遞送量；以及生物組織培養裝置，用於製備人工支架等。

徐磊教授表示：「我們的研究實現了可調控的流體多功能超材料裝置，為製造多功能的體內或體外生物組織培養、智慧藥物遞送裝置提供了切實可行的設計思路，亦為運用其他物理場以設計和製造多功能超材料帶來新啟示。」

是次研究獲香港研究資助局、中國國家自然科學基金和廣東省自然科學基金支持開展。論文共同第一作者為中大物理系博士畢業生陳夢瑤博士、前博士後研究員沈翔瀛博士（現為南方科技大學材料科學與工程系副研究員），在徐磊教授指導下完成研究。中大團隊成員還包括物理系陳陣博士、盧孝勇博士、劉嫄博士及吳藝林教授。

論文全文請參閱﹕https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2207630119