Проверено Эмили Хендерсон, бакалавр наук 25 ноября 2020 г.

Исследователи показали, как высокочастотные звуковые волны можно использовать для создания новых материалов, создания интеллектуальных наночастиц и даже доставки лекарств в легкие для безболезненной вакцинации без использования иглы.

В то время как звуковые волны были частью науки и медицины на протяжении десятилетий – ультразвук впервые был использован для клинической визуализации в 1942 году и для запуска химических реакций в 1980-х годах – технологии всегда полагались на низкие частоты.

Теперь исследователи из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, показали, как высокочастотные звуковые волны могут произвести революцию в области химии, управляемой ультразвуком.

В новом обзоре, опубликованном в Advanced Science показано странное воздействие этих звуковых волн на материалы и клетки, такие как молекулы, которые, кажется, спонтанно упорядочиваются после удара звуковым эквивалентом полуприцепа. .

Исследователи также подробно описывают различные интересные применения своей новаторской работы, в том числе:

• Доставка лекарств в легкие – запатентованная технология распыления, позволяющая доставлять жизненно важные лекарства и вакцины путем ингаляции, а не инъекций
• Наночастицы, защищающие от лекарств – заключающие лекарства в специальные нанопокрытия, чтобы защитить их от разрушения, контролировать их высвобождение с течением времени и гарантировать, что они точно нацелены на нужные места в организме, такие как опухоли или инфекции
• Прорывные интеллектуальные материалы – устойчивое производство сверхпористых наноматериалов, которые можно использовать для хранения, разделения, высвобождения и защиты практически всего
• Нанопроизводство 2D-материалов – точное, экономичное и быстрое расслоение атомно-тонких квантовых точек и нанолистов

Ведущий исследователь, выдающийся профессор Лесли Йео и его команда потратили более десяти лет на изучение взаимодействия звуковых волн на частотах выше 10 МГц с различными материалами.

Но Ё говорит, что они только сейчас начинают понимать диапазон странных явлений, которые часто наблюдают в лаборатории.

Когда мы вводим высокочастотные звуковые волны в жидкости, материалы и клетки, эффекты становятся необычными . »

Лесли Йео, ведущий научный сотрудник, заслуженный профессор, Университет RMIT

«Мы использовали мощь этих звуковых волн для разработки инновационных биомедицинских технологий и синтеза современных материалов.

«Но наши открытия также изменили наше фундаментальное понимание химии, управляемой ультразвуком, и показали, как мало мы на самом деле знаем.

«Попытка объяснить науке то, что мы видим, а затем применить это для решения практических задач – большая и захватывающая задача».

Звуковые волны: как усилить химию звуком

Исследовательская группа RMIT, в которую входят доктор Амгад Резк, доктор Хеба Ахмед и доктор Швати Рамесан, генерирует высокочастотные звуковые волны на микрочипе, чтобы точно управлять жидкостями или материалами.

Ультразвук долгое время использовался на низких частотах – от 10 кГц до 3 МГц – для управления химическими реакциями, в области, известной как «сонохимия».

На этих низких частотах сонохимические реакции вызываются резким сжатием пузырьков воздуха.

Этот процесс, известный как кавитация, приводит к огромному давлению и сверхвысоким температурам – как в крошечной и очень локализованной скороварке.

Но оказывается, что если увеличить частоту, эти реакции полностью изменятся.

Когда высокочастотные звуковые волны передавались в различные материалы и клетки, исследователи наблюдали поведение, которое никогда не наблюдалось с помощью низкочастотного ультразвука.

«Мы видели самоупорядочивающиеся молекулы, которые, кажется, ориентируются в кристалле в направлении звуковых волн», – говорит Йео.

«Используемые длины звуковых волн могут быть более чем в 100 000 раз больше, чем отдельная молекула, поэтому невероятно загадочно, как чем-то таким крошечным можно точно управлять с помощью чего-то такого большого.

«Это все равно, что вести грузовик через беспорядочную россыпь кубиков Lego, а затем обнаружить, что эти части красиво сложены друг на друга – этого не должно быть!»

Биомедицинские достижения

Хотя низкочастотная кавитация часто может разрушать молекулы и клетки, они в основном остаются нетронутыми под воздействием высокочастотных звуковых волн.

Это делает их достаточно мягкими для использования в биомедицинских устройствах для манипулирования биомолекулами и клетками без нарушения их целостности – основы для различных технологий доставки лекарств, запатентованных исследовательской группой RMIT.

Одно из этих запатентованных устройств представляет собой дешевый, легкий и портативный усовершенствованный небулайзер, который может точно доставлять большие молекулы, такие как ДНК и антитела, в отличие от существующих небулайзеров.

Это открывает возможности для безболезненных вакцинаций и лечения без иглы.

В небулайзере используются высокочастотные звуковые волны для возбуждения поверхности жидкости или лекарства, создавая тонкий туман, который может доставить более крупные биологические молекулы непосредственно в легкие.

Технология небулайзера также может использоваться для инкапсуляции лекарства в защитные полимерные наночастицы в одностадийном процессе, объединяющем нанопроизводство и доставку лекарства.

Кроме того, исследователи показали, что облучение клеток высокочастотными звуковыми волнами позволяет без повреждения вводить терапевтические молекулы в клетки – метод, который можно использовать в новых методах лечения на основе клеток.

Умные материалы

Команда использовала звуковые волны для стимулирования кристаллизации для устойчивого производства металлоорганических каркасов, или MOF.

По прогнозам, они станут определяющим материалом 21 века, MOF идеально подходят для обнаружения и улавливания веществ в мельчайших концентрациях, для очистки воды или воздуха, а также могут удерживать большое количество энергии для создания более совершенных батарей и устройств хранения энергии.

В то время как обычный процесс изготовления MOF может занять часы или дни и требует использования агрессивных растворителей или интенсивных энергетических процессов, команда RMIT разработала чистую технику, управляемую звуковыми волнами, которая может создавать индивидуальные MOF за считанные минуты и легко масштабируется для эффективного массового производства.

Звуковые волны могут также использоваться для нанопроизводства 2D-материалов, которые используются во множестве приложений от гибких электрических цепей до солнечных элементов.

Расширение и расширение границ

Следующие шаги команды RMIT сосредоточены на расширении масштабов технологии.

При невысокой стоимости всего в 0,70 долларов США за устройство микрочипы, генерирующие звуковые волны, могут быть произведены с использованием стандартных процессов массового производства кремниевых чипов для компьютеров.

«Это открывает возможность производства промышленных количеств материалов с этими звуковыми волнами посредством массивного распараллеливания – одновременного использования тысяч наших чипов», – сказал Йео.

Команда Лаборатории Микро / Нанофизики Инженерной школы RMIT – одна из немногих исследовательских групп в мире, объединяющих высокочастотные звуковые волны, микрофлюидику и материалы.

Йео говорит, что исследования бросают вызов давно существующим теориям физики, открывая новую область «высокочастотного возбуждения» параллельно с сонохимией.

«Классические теории, созданные с середины 1800-х годов, не всегда объясняют странное и иногда противоречивое поведение, которое мы наблюдаем – мы раздвигаем границы нашего понимания».