Если вы когда-либо останавливались, чтобы наблюдать дождь, падающий на оконное стекло, вы видели, что происходит, когда две капли воды соприкасаются и сливаются в одну.

Но вы, вероятно, никогда не предполагали, что физика, работающая в этом явлении, является ключом к открытию решения для разработки миниатюрных устройств персонального биологического анализа. Международная группа ученых из IBM Research – Цюрих и Лаборатории микрофлюидики для онкологии в Политехническом Монреале сделала это замечательное открытие и недавно опубликовала результаты своей работы в Nature .

Установка лаборатории на чипе: давняя задача

В течение последних 20 лет или около того исследования, проводимые во всем мире в области так называемых устройств «лаборатория на кристалле», показали перспективу совершенствования портативных инструментов, для которых потребовался бы только образец жидкости организма (например, крови). , слюна, моча) для выявления заболеваний или измерения биологических данных.

Такие миниатюрные системы уже существуют для простых измерений, выполненных с небольшим количеством реагентов: глюкометры и тесты на беременность являются двумя примерами. Но когда дело доходит до более сложных анализов, которые требуют смешивания одного образца с серией реагентов в точных количествах и в определенном порядке, исследователи не спешат выполнять обещание.

Одним из наиболее многообещающих подходов для интеграции нескольких реагентов в одно тестирующее устройство является внесение капель размером с пиколитр (несколько миллиардных долей миллилитра) в микросистему с использованием метода, аналогичного струйной печати, и затем герметизацию устройства.

При контакте с воздухом крошечные количества жидкости мгновенно испаряются, оставляя очень точную последовательность высушенных реагентов, которые можно повторно гидратировать при добавлении образца жидкости во время испытания. Однако основная проблема сохраняется: когда жидкость перемещается по высушенным реагентам, она рассеивает их, «скремблируя сигнал» и предотвращая выполнение деликатных диагностических этапов, которые включают точные биохимические измерения.

Решение, выявленное явлением, которое до сих пор не изучалось

Для решения проблемы дисперсии исследователи Онур Гекче, Юксел Темиз и Эммануэль Деламарше из IBM Research – Цюрих натолкнулись на идею растягивать каплю воды в виде длинной ленты в микроканале шириной человеческого волоса, и заставляя жидкость складываться на себя. При этом проба воды закрывается аналогично застежке-молнии.

«Этот очень интригующий процесс позволяет нам снизить до минимума скорость потока жидкости локально, где находятся высушенные реагенты, чтобы при повторной гидратации реагентов они больше не рассеивались», – объясняет Эммануэль Деламарш, менеджер группы точной диагностики в IBM Research – Цюрих.

Несмотря на то, что полученные результаты были убедительными, команде все же пришлось полностью понять явление гидродинамики на работе – оно никогда ранее не изучалось – и затем контролировать его, чтобы его можно было использовать как часть надежного процесса. Профессор Томас Жерве, руководитель лаборатории микрофлюидики для онкологии в Политехнике, занялся этой частью проекта.

От экспериментов до моделирования

Изучив поведение капли воды, исследователи пришли к выводу, что она связана с явлением слияния, одним из примеров которого является спонтанное слияние двух капель жидкости, которые вступают в контакт друг с другом.

С точки зрения физики, коалесценция происходит из-за сильного сродства между молекулами воды, эффект которого состоит в том, чтобы уменьшить поверхность воды, подвергаемой воздействию воздуха, до минимума. Вот почему крошечные капли воды имеют сферическую форму: из всех геометрических форм сфера имеет наименьшую площадь поверхности для данного объема.

В этом случае, однако, нам пришлось изучить, что происходит, когда капля воды, искаженная в микроканале, сливается с другой частью себя. Наша цель состояла в том, чтобы понять это явление и контролировать его, чтобы мы могли заставить жидкость застаиваться в том месте, где он встречает реагент внутри устройства ».

Профессор Томас Жерве

Моделирование явления, которое группа называла «самосовершенствованием», было основано на математическом подходе, разработанном в 1950-х годах для изучения неограниченных двумерных вязких течений.

Работа была выполнена с использованием методов расчета, разработанных Сэмюэлем Кастонгуаем, который заканчивает докторскую диссертацию по инженерной физике в Политехнике под руководством профессора Жерве. Чтобы согласовать результаты моделирования с экспериментальными результатами, г-н Кастонгуай отправился в Цюрих, где несколько месяцев работал с исследователями IBM.

«Наши модели не только позволили нам освоить этот новый тип потока, но мы также можем очень точно программировать пространственные и временные конфигурации химических сигналов, используя комбинацию реагентов, с минимальной дисперсией и без необходимости вмешательства пользователя. Профессор Жерве отмечает. «Таким образом, партнерство между нашими двумя командами породило новую, особенно гибкую и точную архитектуру биохимического тестирования, которая сохраняет последовательность использования десятков реагентов одновременно во время теста».

К целевым мобильным диагностическим инструментам

Команда IBM также продемонстрировала, что этот тип архитектуры может использоваться для измерения ферментативных реакций с целью выявления различных заболеваний (например, генетических заболеваний). Он также показал подтверждение концепции метода амплификации ДНК (реакция, используемая для получения копий определенного сегмента ДНК из образца) при температуре окружающей среды.

Этот метод устраняет необходимость в специалисте для выполнения повторных циклов нагрева и охлаждения образца. Одна капля пробы вставляется в устройство, и анализ выполняется автоматически. Этот эксперимент показывает потенциал для будущего использования этого процесса для выполнения ДНК-секвенирования генов, связанных с такими патологиями, как рак, и для обнаружения определенных вирусов.

«Мы надеемся, что наш процесс позволит производителям лаборатории-на-чипе достичь беспрецедентной производительности диагностики с помощью продуктов, которые столь же просты в использовании, как и современные глюкометры», – говорит доктор Деламарш.

И наконец, учитывая, что биохимические сигналы, записанные с помощью этого типа теста, могут быть считаны смартфоном и переданы в централизованный банк данных, эти тесты также могут сыграть важную роль в будущем в мониторинге распространения эпидемий в отдаленных регионах, далеких от медицинские центры, а также на национальном и международном уровне скрининг различных заболеваний.