Исследователи рассматривают собственную совокупность как альтернативу микрофлюидным устройствам, каковые сейчас широко используются в биологических изучениях, в которых биологические растворы перекачиваются через микроскопические каналы, соединенные механическими клапанами. Новый подход, что перемещает решения в соответствии с предписанными вычислениями шаблонами, может дать проводить испытания более действенно, экономично и в более громадных масштабах.«В хороших микрофлюидных совокупностях употребляются трубки, клапаны и насосы», — говорит Удаян Умапатхи, исследователь из MIT Media Lab, что руководил разработкой новой совокупности. «Это показывает, что они механические и постоянно ломаются.
Я заметил эту проблему три года назад, в то время, в то время, когда трудился в компании по синтетической биологии, где я выстроил кое-какие из этих микрофлюидных механических автомобилей и совокупностей, каковые взаимодействуют с ними. Мне было необходимо присматривать за этими машинами, чтобы убедиться, что они не взорвутся ».«Биология движется к все более и более сложным процессам, и нам нужны технологии для управления каплями меньшего и меньшего количества», — говорит Умапатхи. «Насосы, трубки и клапаны не так долго осталось ждать усложняются. В машине, которую я выстроил, мне потребовалась семь дней, чтобы собрать 100 соединений. Допустим, вы перейдете от шкалы 100 соединений к машине с миллионом соединений. собираюсь собрать это вручную ".
Умапати растолковывает, что при помощи его новой совокупности на поверхность его устройства смогут быть нанесены тысячи капель, и они будут машинально перемещаться для проведения биологических опытов.Совокупность включает ПО, которое разрешает пользователям в общем обрисовывать испытания, каковые они хотят проводить.
Затем ПО машинально рассчитывает траекторию перемещения капель по поверхности и координирует время последовательных операций.«Оператор определяет требования для опыта — к примеру, реагент A и реагент B необходимо смешать в этих количествах и инкубировать в течение этого времени, а затем смешать с реагентом C. Оператор не показывает, как капли поток или где они смешиваются. Все это предварительно вычисляется программным обеспечением ".
Умапатхи и его соавторы — Хироши Исии, профессор медиаискусств и наук Джерома Б. Визнера в Массачусетском технологическом университете; Патрик Шин и Димитрис Котентакис, студенты Массачусетского технологического университета, трудящиеся в лаборатории Исии; и Сэм Ген Чин, студент Уэллсли в лаборатории, обрисовывают собственную новую совокупность в статье, размещённой в этом месяце в онлайн-издании MRS Advances.За последние 10 лет другие исследовательские группы экспериментировали с «цифровой микрофлюидикой» или электрическими манипуляциями с каплями для проведения биологических опытов. Но их чипы были изготовлены с применением высокотехнологичных разработок травления, требующих контролируемой среды, известной как чистые помещения.
Умапатхи и его сотрудники сосредоточились на понижении затрат. В их прототипе употребляется печатная плата — простое электронное устройство, складывающееся из пластиковой платы с нанесенной на нее медной проводкой.Основная техническая задача исследователей заключалась в разработке покрытия для поверхности печатной платы, которое уменьшало бы трение, разрешая каплям скользить по ней, и которое не давало бы биологическим или химическим молекулам прилипать к ней, чтобы они не загрязняли ее. будущие испытания.
Печатная плата имеет набор электродов. В прототипе исследователи покрывают доску намного более плотным набором мелких сфер, высотой всего в микрометр, сделанных из гидрофобного (водоотталкивающего) материала.
Капли скользят по вершинам сфер. Исследователи также экспериментируют со структурами, хорошими от сфер, каковые смогут лучше трудиться с конкретными биологическими материалами.Вследствие того что поверхность устройства гидрофобна, капли, осаждающиеся на ней, естественным образом пробуют принять сферическую форму.
При зарядке электрода капля тянется вниз и расплющивается. Если электрод под сплющенной каплей неспешно выключается, а электрод рядом с ним неспешно включается, гидрофобный материал будет направлять каплю к заряженному электроду.Для движения капель требуется высокое напряжение, от 95 до 200 вольт.
Но 300 раз в секунду заряженный электрод в устройстве исследователей Массачусетского технологического университета меняет высоковольтный низкочастотный (1 килогерц) сигнал и 3,3-вольтовый высокочастотный (200 килогерц) сигнал. Высокочастотный сигнал разрешает совокупности определять размещение капли, используя практически ту же разработку, что и в телефонах с сенсорным экраном.Если капля движется не достаточно не так долго осталось ждать, совокупность машинально повысит напряжение низкочастотного сигнала.
По сигналу датчика совокупность также может оценить количество капли, что вместе с информацией о размещении разрешает отслеживать перемещение реакции.Умапатхи не сомневается в том, что цифровая микрофлюидика может значительно снизить цена экспериментальных процедур, распространенных в промышленной биологии. К примеру, фармацевтические компании частенько делают множество опытов параллельно, используя роботов, оснащенных десятками или помимо этого сотнями пипеток, небольших измерительных трубок, каковые больше похожи на удлиненные пипетки.«Если вы посмотреть на компании, занимающиеся разработкой лекарств, один робот-дозатор использует миллион наконечников для дозаторов за семь дней», — говорит Умапатхи. «Это часть того, что определяет цена создания новых лекарств.
Я начинаю разрабатывать пара жидких анализов, каковые смогут сократить количество операций по пипетированию в 100 раз».