Автор: AZoNano ] 12 июня 2020 года

Инженеры из Университета Дьюк продемонстрировали универсальную микрофлюидную лабораторию на кристалле, которая использует звуковые волны для создания туннелей в масле для бесконтактного манипулирования и транспортировки капель. Эта технология может стать основой небольшого, программируемого, перезаписываемого биомедицинского чипа, который можно использовать повторно для диагностики на месте или лабораторных исследований.

Результаты появятся в сети 10 июня в журнале Science Advances .

«Наша новая система обеспечивает перезаписываемую маршрутизацию, сортировку и сортировку капель с минимальным внешним управлением, которые являются важными функциями для цифрового логического управления каплями», сказал Тони Джун Хуан, заслуженный профессор Уильяма Бевана машиностроения и материаловедения в герцог. «И мы достигаем этого с меньшими затратами энергии и более простой настройкой, которая может контролировать больше капель одновременно, чем в предыдущих системах».

Автоматизированная обработка жидкостей привела к развитию многих научных областей, таких как клиническая диагностика и крупномасштабный скрининг соединений. Хотя эти системы широко распространены в современных исследованиях в области биомедицины и фармацевтики, они громоздки, дороги и плохо справляются с небольшими объемами жидкостей.

Системы «лаборатория на кристалле» смогли до некоторой степени заполнить это пространство, но большинству препятствует один главный недостаток – поверхностное поглощение. Поскольку эти устройства опираются на твердые поверхности, транспортируемые образцы неизбежно оставляют после себя следы, которые могут привести к загрязнению.

Новая платформа «лаборатория на кристалле» использует тонкий слой инертного несмешивающегося масла, чтобы капли не оставляли после себя следов. Непосредственно под маслом, сетка пьезоэлектрических преобразователей вибрирует, когда через них проходит электричество. Подобно поверхности сабвуфера, эти вибрации создают звуковые волны в тонком слое масла над ними.

Эти звуковые волны образуют сложные паттерны, когда они отскакивают от верхней и нижней части чипа, а также когда они сталкиваются друг с другом. Благодаря тщательному планированию конструкции преобразователей и управлению частотой и силой вибраций, вызывающих волны, исследователи могут создавать вихри, которые при объединении образуют туннели, которые могут толкать и тянуть капли в любом направлении вдоль поверхности устройства. .

«В новой системе используются двухрежимные преобразователи, которые могут транспортировать капли вдоль оси x или y на основе двух разных потоковых моделей», – сказал Хуанг. «Это большой шаг вперед по сравнению с нашей предыдущей системой, которая просто создала серию ямочек в масле, чтобы пропустить капли вдоль одной оси».

В создании этой модернизированной системы Хуангу помогал Кришненду Чакрабарти, заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники им. Джона Кока в Герцоге, и его аспирант Чжанвэй Чжун. Пара помогла спроектировать электронику в основе новой демонстрации «лаборатория на кристалле» и значительно модернизировала и миниатюризировала проводные соединения, контроллеры и другое аппаратное обеспечение, используемое в системе.

Используя двухрежимные преобразователи, исследователи смогли перемещать капли вдоль двух осей, одновременно уменьшая сложность электроники в четыре раза. Они также смогли снизить рабочее напряжение преобразователей в три-семь раз по сравнению с предыдущей системой, что позволило одновременно контролировать восемь капель. А введя микроконтроллер в установку, исследователи смогли запрограммировать и автоматизировать большую часть движения капель.

Исследователи демонстрируют возможности своего нового устройства в серии видеороликов. В одном из них капля быстро взбивается вокруг поверхности квадрата. Другие показывают, что капли подходят к пересечению «Т» и поворачивают вправо или влево, а также создают «логические врата», которые могут либо прервать движение капли по коридору, либо пропустить ее.

Способность управлять каплями способом, подобным логическим системам, обнаруженным на компьютерном чипе, имеет важное значение для широкого спектра клинических и исследовательских процедур.

«Наш следующий шаг – объединить миниатюрный радиочастотный блок питания и управления, разработанный командой профессора Чакрабарти для крупномасштабной интеграции и динамического планирования», – сказал Хуанг. «Мы также планируем объединить возможность разбивать капли на две части без необходимости прикасаться к ним».

Это исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (R01GM132603, UG3TR002978, R01HD086325, R33CA223908, R01GM127714), Исследовательской деятельностью армии США по медицинским исследованиям (W81XWH-18-1-0242) и Национальным научным фондом (ECC). -1807601).

Источник: https://duke.edu/