Ультразвукові мікробульбашки можуть керувати потоками рідини всередині мікрочипів

Дослідники Корнелльського університету створили мікрофлюїдну платформу, яка може формувати мікроскопічні бульбашки водню в потрібному місці, змінювати їхній розмір і керувати ними за допомогою ультразвуку. Такий підхід може стати основою для мікророботів, програмованих потоків рідини та систем точкового доставлення препаратів.

Робота під назвою Ultrasound-driven electronically programmable microbubbles опублікована в журналі Science Advances. Її автори — Zhiyuan Zhang, Jinsong Zhang, Alyosha Molnar та Itai Cohen з Cornell University.

Замість того щоб ловити бульбашки — створювати їх на місці

Мікробульбашки вже давно використовують у мікрофлюїдиці та мікроробототехніці. Під дією ультразвуку вони можуть коливатися, створюючи локальні потоки рідини, тягу або механічні сили. Проблема полягає в тому, що більшість існуючих систем покладаються на пасивне захоплення вже наявних бульбашок, а це ускладнює контроль над їхнім положенням, розміром і кількістю.

Команда Cornell пішла іншим шляхом: бульбашки формуються безпосередньо на чипі через електроліз. У демонстраційній системі дев’ять електродів розташовані квадратною матрицею на ділянці розміром близько 3 мм. Кожен електрод має діаметр лише 6 мкм і може створювати бульбашки приблизно від 10 до 100 мкм.

На електрод подається напруга, яка запускає електроліз води й утворює бульбашку водню. Чим довше подається напруга, тим більшою вона стає. Таким чином система дозволяє програмно задавати не лише місце появи бульбашки, а й її розмір.

Розмір визначає частоту

Після формування бульбашок у справу вступає ультразвук.

Кожна бульбашка має власну резонансну частоту, яка залежить від її розміру. Якщо подати акустичний сигнал відповідної частоти, бульбашка починає інтенсивно коливатися та створювати потік у навколишній рідині. Саме це дозволяє вибірково активувати окремі елементи масиву.

Інакше кажучи, дослідники отримали своєрідний акустичний адресний простір: замість окремого дроту керування до кожного мікроактуатора можна використовувати різні ультразвукові частоти.

Одна бульбашка створює локальний потік через власні коливання. Дві або більше бульбашок можуть взаємодіяти між собою й формувати асиметричні потоки з заданим напрямком. У роботі дослідники продемонстрували кілька таких режимів, включно з так званим bubble shooting flow, напрямок якого можна змінювати просто зміною частоти ультразвуку.

Масив можна перебудовувати на ходу

Ще одна важлива особливість системи — бульбашки не є постійними.

Якщо конкретна бульбашка більше не потрібна або працює неправильно, на відповідний електрод можна подати підвищену напругу. Бульбашка збільшується, відривається від поверхні, після чого на її місці можна сформувати нову.

Це дозволяє в реальному часі змінювати конфігурацію мікробульбашкового масиву.

Дослідники можуть програмно змінювати:

• кількість активних бульбашок;
• їхнє розташування;
• діаметр;
• резонансну частоту;
• напрямок створюваного потоку.

У результаті один і той самий чип потенційно може виконувати різні мікрофлюїдні функції без механічної перебудови каналів.

Для чого це потрібно

Одна з очевидних сфер застосування — microfluidics, де необхідно переміщувати дуже малі об’єми рідини, змішувати реагенти або керувати потоками всередині компактних лабораторних систем.

У перспективі технологія також може використовуватися як привід для мікророботів. Ультразвукові мікробульбашки вже досліджують як джерело тяги для мікроскопічних роботів: акустичне поле змушує їх коливатися, а утворені потоки створюють сили від мікро- до наноньютонного діапазону.

Ще один потенційний напрямок — медицина. Керовані потоки рідини можна застосовувати для локального транспорту молекул, а мікробульбашки вже використовуються в ультразвуковій діагностиці та експериментальних системах доставлення препаратів. У Cornell окремо згадують можливість створення реконфігурованих microfluidic-пристроїв для точкового доставлення ліків. Поки що йдеться лише про перспективу — клінічних випробувань або готового медичного пристрою в межах цієї роботи немає.

Поки що система займає більше місця, ніж сам чип

Сам мікрофлюїдний елемент дуже малий, але експериментальна установка навколо нього — ні.

Для роботи потрібні зовнішній генератор ультразвуку, електроніка керування та лабораторна апаратура. Hackaday звертає увагу, що перед практичним використанням усе це доведеться суттєво мініатюризувати.

Є й інша проблема: поведінка бульбашок залежить від геометрії камери. У нинішніх експериментах дослідники працювали переважно з двовимірною конфігурацією. У складних тривимірних каналах стінки, резонанси та взаємодія акустичних хвиль можуть суттєво змінити траєкторії й характеристики потоку.

Попри це, сам принцип виглядає цікавим: замість фіксованої мікрофлюїдної системи з каналами й клапанами можна отримати програмовану акустичну структуру, де роль активних елементів виконують бульбашки, які створюються, налаштовуються й видаляються за потреби.

По суті, команда Cornell зробила для мікрофлюїдики щось схоже на програмований масив актуаторів — тільки кожним елементом цього масиву є бульбашка водню завбільшки у десятки мікрометрів.

Нагадаємо, Італійський технологічний інститут (IIT) у Генуї представив новаторський протез стопи SoftFoot Pro, який став значним проривом у галузі біонічних технологій.