Cilia są pilnymi przewodnikami ciała. Te mikroskopijne włoski, które poruszają płynem poprzez rytmiczne uderzenia, są odpowiedzialne za wpychanie płynu mózgowo-rdzeniowego do mózgu, usuwanie flegmy i brudu z płuc oraz utrzymywanie innych narządów i tkanek w czystości.
Cud techniki, rzęski okazały się trudne do odtworzenia w zastosowaniach inżynieryjnych, zwłaszcza w mikroskali.
Naukowcy z Cornell zaprojektowali teraz sztuczny system rzęskowy w skali mikro, wykorzystujący komponenty na bazie platyny, które mogą kontrolować ruch płynów na taką skalę. Technologia może kiedyś umożliwić tanie, przenośne urządzenia diagnostyczne do testowania próbek krwi, manipulowania komórkami lub wspomagania procesów mikrofabrykacji.
Artykuł grupy, „Cilia Metasurfaces for Electronically Programmable Microfluidic Manipulation”, opublikowany 25 maja w Nature. Głównym autorem jest doktorant Wei Wang.
„Istnieje wiele sposobów na wytworzenie sztucznych rzęsek, które reagują na światło, siły magnetyczne lub elektrostatyczne” – powiedział Wang. „Ale jako pierwsi używamy naszego nowego nanosiłownika do demonstracji sztucznych rzęsek, które są indywidualnie sterowane”.
Projekt, prowadzony przez starszego autora gazety, Itai Cohena, profesora fizyki w College of Arts and Sciences, opiera się na platynowym, zasilanym elektrycznie siłowniku – części urządzenia, która się porusza – jego grupie wcześniej stworzonej aby umożliwić chodzenie mikroskopijnym robotom. Mechanika tych zginających nóg robotów jest podobna, ale funkcje i zastosowania systemu rzęsek są inne i dość elastyczne.
„To, co tutaj pokazujemy”, powiedział Cohen, „jest to, że kiedy już indywidualnie zaadresujesz te rzęski, możesz manipulować przepływami w dowolny sposób. Możesz tworzyć wiele oddzielnych trajektorii, możesz tworzyć przepływ kołowy, możesz tworzyć transport lub przepływy, które rozdzielają się na dwie ścieżki, a następnie łączą się ponownie. Możesz uzyskać linie przepływu w trzech wymiarach. Wszystko jest możliwe.
„Bardzo trudno było wykorzystać istniejące platformy do stworzenia małych rzęsek, które działają w wodzie, są adresowalne elektrycznie i można je zintegrować z interesującą elektroniką” – powiedział Cohen. „Ten system rozwiązuje te problemy. A dzięki takiej platformie mamy nadzieję opracować kolejną falę urządzeń do manipulacji mikropłynami”.
Typowe urządzenie składa się z chipa, który zawiera 16 jednostek kwadratowych z 8 zestawami rzęsek na jednostkę i 8 rzęsek na zestaw, przy czym każda rzęska ma długość około 50 mikrometrów, co daje „dywan” z około tysiąca sztucznych rzęsek. Gdy napięcie na każdej rzęsce oscyluje, jej powierzchnia okresowo utlenia się i zmniejsza, co powoduje, że rzęska wygina się do przodu i do tyłu, umożliwiając pompowanie płynu z prędkością dziesiątek mikronów na sekundę. Różne macierze mogą być aktywowane niezależnie, tworząc w ten sposób nieskończoną kombinację wzorców przepływu naśladującą elastyczność obserwowaną w ich biologicznych odpowiednikach.
Jako bonus, zespół stworzył urządzenie do rzęsek, które jest wyposażone w komplementarny obwód zegarowy z półprzewodnika metal-tlenek (CMOS) – zasadniczo elektroniczny “mózg”, który pozwala rzęskom działać bez przywiązania do konwencjonalnego systemu komputerowego. To otwiera drzwi do opracowania wielu tanich testów diagnostycznych, które można przeprowadzić w terenie.
„Możesz sobie wyobrazić w przyszłości ludzi biorących to maleńkie urządzenie centymetr po centymetrze, umieszczających na nim kroplę krwi i przeprowadzających wszystkie testy” – powiedział Cohen. „Nie musiałbyś mieć wymyślnej pompy, nie musiałbyś mieć żadnego sprzętu, po prostu dosłownie wystawiłbyś ją na światło słoneczne i zadziałałoby. Może to kosztować od 1 do 10 USD”.
Współautorzy to badacze z tytułem doktora Qingkun Liu i Michael Reynolds; byli badacze habilitowani Alejandro Cortese, Ph.D. ’19 i Marc Miskin; dr Michael Cao ’14 „20; David Muller, profesor inżynierii Samuela B. Eckerta; Alyosha Molnar, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej i komputerowej; Paul McEuen, profesor nauk fizycznych Johna A. Newmana; oraz Ivan Tanasijevic i Eric Lauga z Uniwersytetu Cambridge.
Badania były głównie wspierane przez Army Research Office, National Science Foundation, Cornell Center for Materials Research, które jest wspierane przez program MRSEC NSF, Air Force Office of Scientific Research oraz Kavli Institute w Cornell for Nanoscale Science.
Prace zostały wykonane częściowo w Cornell NanoScale Science and Technology Facility.
Źródło historii:
Materiały dostarczone przez Uniwersytet Cornella. Oryginał napisany przez Davida Nutta, dzięki uprzejmości Cornell Chronicle. Uwaga: Treść można edytować pod kątem stylu i długości.