Виртуальная микрофлюидика
Внутренняя поверхность таких органов, как трахея и кишечник, покрыта постоянно двигающимися мельчайшими волосками – микроворсинками, обеспечивающими перемещение слизистого секрета, клеток, питательных веществ и других мелких частиц в определенном направлении.
Исследователи Массачусетского технологического института, работающие под руководством профессора Альфредо Александер-Катца (Alfredo Alexander-Katz), в сотрудничестве с коллегами из Германии и университета Бостона разработали имитирующий работу микроворсинок метод управления движением взвешенных в жидкости микроскопических объектов, который может не только совершить революцию в создании биочипов, но и помочь в изучении закономерностей перемещения клеток и других объектов внутри организма.
Основным компонентом предложенной авторами системы являются суперпарамагнитные бусины (крошечные шарики из полимера с вкраплениями магнитного материала). Благодаря весу магнитного материала бусины опускаются на дно содержащей изучаемый образец емкости. При приложении вращающегося магнитного поля бусины спонтанно формируют короткие быстро вращающиеся цепочки, создающие потоки жидкости, способные перемещать содержащиеся в ней частицы, причем размер этих частиц может в 100 раз превышать размер самих бусин.
Александер-Катц называет свои бусины, диаметр которых составляет всего несколько микрон, «микромуравьями», из-за их способности перемещать объекты, намного превышающие их по размеру. Статья «Controlled surface-induced flows from the motion of self-assembled colloidal walkers», в которой описано их создание и функционирование, опубликована 18 декабря в предварительной on-line версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
Цепочки суперапрамагнитных частиц, вращаясь формируют потоки жидкости, размеры которых гораздо больше размеров самих цепочек, что позволяет им, подобно муравьям, перемещать объекты, во много раз превосходящие их по размерам.
Новый метод может предоставить более простую и дешевую альтернативу существующим микрожидкостным устройствам, разработка которых в настоящее время находится на начальных стадиях. Для функционирования таких устройств необходимы выполненные с высокой точностью микрокомпоненты: каналы, клапаны и насосы, обеспечивающие управляемое движение жидкостей и взвешенных в них частиц. Новая система, в которой управление потоками осуществляется исключительно с помощью изменения характеристик прикладываемого магнитного поля, может предоставить аналогичные возможности.
Вращающиеся цепочки находящихся во взвешенном состоянии бусин перемещаются по поверхности жидкости.
Другими словами, новый подход, который Александер-Катц окрестил «виртуальной микрофлюидикой», позволяет изменять свойства и конфигурацию чипов с помощью программного обеспечения, а не посредством изменения их физической структуры. Это позволит снизить стоимость и увеличить функциональность чипов, которые можно будет использовать для биомедицинского скрининга, а также выявления следовых количеств загрязнителей окружающей среды или отравляющих веществ. Возможно, новый метод позволит добиться даже большей точности пространственного управления движением частиц, чем позволяют каналы микрожидкостных чипов.
Цепочки крошечных пластиковых бусин вращаются в магнитном поле.
При взгляде сверху вращающиеся цепочки выглядят как тонкие линии.
Их движение вызывает перемещение потоков жидкости, увлекающих за собой макеты клеток (круглые объекты).
Изменение характеристик магнитного поля позволяет исследователям управлять этим движением с высокой степенью точности.
Авторы считают, что их разработка может помочь в изучении движения микроворсинок, механизм гидродинамической синхронизации которых в настоящее время является загадкой для ученых. В будущем подобные системы могут также использоваться в медицинской диагностике. С их помощью можно будет управлять перемещением частиц в организме пациента, находящегося, например, в магнитно-резонансном томографе.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Massachusetts Institute of Technology: «‘Micro-ants’: Tiny conveyor belts for the 21st century»
25.12.2009