Naukowcy z Cornell University w Stanach Zjednoczonych opracowali miniaturowy chip, który umożliwia tworzenie i sterowanie mikropęcherzykami wodoru w czasie rzeczywistym. Dzięki połączeniu elektrod i ultradźwięków urządzenie pozwala programować kierunek przepływu cieczy bez stosowania mechanicznych pomp. Technologia może w przyszłości znaleźć zastosowanie w mikrorobotyce medycznej i precyzyjnym dostarczaniu leków. Wyniki badań opublikowano 14 października w czasopiśmie „Science Advances”.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa miniaturowy chip opracowany przez naukowców z Cornell University, który wytwarza mikropęcherzyki wodoru i steruje nimi za pomocą ultradźwięków.
- W jaki sposób elektrody i ultradźwięki umożliwiają programowanie przepływu cieczy oraz kontrolowanie wielkości, liczby i położenia mikropęcherzyków.
- Dlaczego technologia mikropęcherzyków może znaleźć zastosowanie w precyzyjnym dostarczaniu leków, diagnostyce laboratoryjnej i systemach mikroprzepływowych.
- Jakie możliwości otwiera integracja programowalnych mikropęcherzyków z mikrorobotami medycznymi i jakie wyzwania pozostają przed wykorzystaniem tej technologii w praktyce klinicznej.
Mikropęcherzyki na żądanie. Nowe rozwiązanie naukowców z Cornell
Mikropęcherzyki od dawna budzą zainteresowanie badaczy rozwijających systemy mikroprzepływowe i mikroroboty. Ich drgania mogą wprawiać ciecz w ruch, umożliwiając transport substancji w mikroskopijnych kanałach. Dotychczasowe rozwiązania często wymagały jednak wychwytywania i unieruchamiania pęcherzyków, co utrudniało kontrolę nad ich położeniem oraz stabilnością działania.
Zespół kierowany przez prof. Itaia Cohena z Cornell University zaproponował inne podejście: wytwarzanie pęcherzyków dokładnie tam, gdzie są potrzebne, i sterowanie nimi za pomocą ultradźwięków. Opracowany układ mieści się na obszarze o rozmiarze około 3 mm i pozwala kontrolować liczbę, wielkość oraz rozmieszczenie mikropęcherzyków.
Jak działa chip wykorzystujący ultradźwięki?
Podstawą technologii jest siatka miniaturowych elektrod, na których powstają pęcherzyki wodoru. W eksperymentach wykorzystano dziewięć elektrod o średnicy 6 mikrometrów każda, rozmieszczonych w układzie kwadratowym. Proces obejmuje dwa etapy:
- Wytwarzanie mikropęcherzyków – przyłożone napięcie powoduje elektrolizę wody i powstawanie wodoru na powierzchni elektrod. Czas działania napięcia pozwala regulować wielkość pęcherzyka.
- Sterowanie przepływem cieczy – ultradźwięki wprawiają odpowiednio dobrane pęcherzyki w rezonans. Ich drgania wywołują ruch otaczającego płynu.
Wytwarzane pęcherzyki mają średnicę od 10 do 100 mikrometrów. Ich rozmiar jest istotny, ponieważ wpływa na częstotliwość rezonansową i intensywność generowanego przepływu. Przykładowo przy częstotliwości ultradźwięków wynoszącej 40 kHz najsilniej reagują pęcherzyki o odpowiednio dopasowanych wymiarach.
Programowanie kierunku przepływu w czasie rzeczywistym
Jedną z najważniejszych zalet technologii jest możliwość dynamicznego zmieniania kierunku transportu cieczy. Zhiyuan Zhang, pierwsza autorka badania, wykazała, że pojedyncze pęcherzyki mogą generować lokalne przepływy, natomiast ich odpowiednie rozmieszczenie umożliwia uzyskanie bardziej złożonych efektów. Dwa pęcherzyki o jednakowej wielkości wytwarzają symetryczny przepływ. Z kolei różnica ich rozmiarów może prowadzić do przepływu ukierunkowanego.
Badacze zademonstrowali również sterowanie cieczą za pomocą większych układów. Trzy pęcherzyki ustawione poziomo kierowały przepływ w bok, natomiast pięć rozmieszczonych w kształcie litery L umożliwiało jego zakrzywienie. Co więcej, zwiększenie napięcia pozwalało wytwarzać chmurę drobnych pęcherzyków, które następnie można było kierować za pomocą ultradźwięków.
Potencjalne zastosowanie w precyzyjnym dostarczaniu leków
Technologia może otworzyć nowe możliwości w rozwoju programowalnych urządzeń mikroprzepływowych, wykorzystywanych między innymi w diagnostyce laboratoryjnej, systemach lab-on-a-chip oraz mikrorobotyce. Szczególnie interesującym kierunkiem jest precyzyjny transport substancji leczniczych. Kontrolowanie przepływu na niewielkiej przestrzeni mogłoby w przyszłości umożliwić kierowanie leków do wybranych obszarów układów mikroprzepływowych.
Istotną zaletą rozwiązania jest również możliwość odtworzenia pęcherzyka, który przestał prawidłowo działać. Wystarczy doprowadzić do jego oderwania od elektrody i wytworzyć kolejny. Należy jednak podkreślić, że zastosowanie chipa do dostarczania leków pozostaje potencjalnym kierunkiem rozwoju. Opisane badanie dotyczyło eksperymentalnego sterowania mikropęcherzykami i przepływem cieczy, a nie skuteczności terapii u pacjentów.
Kolejny krok: integracja z mikrorobotami
Naukowcy planują dalszy rozwój technologii, w tym opracowanie obwodów umożliwiających wykorzystanie mechanizmu w miniaturowych robotach. W pracach uczestniczyła również prof. Alyosha Molnar z Cornell University, specjalizująca się w inżynierii elektrycznej i komputerowej.
Integracja elektroniki, ultradźwięków i mikropęcherzyków może w przyszłości umożliwić tworzenie niewielkich systemów zdolnych do programowalnego przemieszczania cieczy i substancji w mikroskali.
Główne wnioski
- Naukowcy z Cornell University opracowali chip umożliwiający tworzenie i sterowanie mikropęcherzykami wodoru na żądanie. Urządzenie działa na obszarze około 3 mm i wykorzystuje miniaturowe elektrody oraz ultradźwięki do kontrolowania przepływu cieczy. Wyniki opublikowano 14 października w czasopiśmie „Science Advances”.
- Technologia pozwala regulować wielkość, liczbę i rozmieszczenie mikropęcherzyków w czasie rzeczywistym. W eksperymentach wykorzystano dziewięć elektrod o średnicy 6 mikrometrów, wytwarzających pęcherzyki o średnicy od 10 do 100 mikrometrów. Ich drgania pod wpływem ultradźwięków umożliwiały generowanie przepływu cieczy w określonym kierunku.
- Programowalne mikropęcherzyki mogą w przyszłości wspierać precyzyjne dostarczanie leków. Możliwość kierowania przepływem cieczy bez mechanicznych pomp otwiera perspektywy rozwoju systemów mikroprzepływowych, technologii lab-on-a-chip oraz mikrorobotów medycznych.
- Rozwiązanie pozostaje na etapie badań eksperymentalnych i nie zostało jeszcze zastosowane w leczeniu pacjentów. Zespół kierowany przez prof. Itaia Cohena planuje dalsze prace nad integracją mechanizmu z układami elektronicznymi i mikrorobotami. Konieczne będą kolejne badania nad jego przydatnością w zastosowaniach medycznych.
Źródło:
- https://as.cornell.edu/news/tiny-platform-creates-and-directs-microbubbles-demand
- https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg5408
