Ученые создали микрофлюидный кубик Рубика | Популярный Университет

Ученые создали микрофлюидный кубик Рубика

Ученые создали микрофлюидный кубик Рубика

Группа ученых из Китая разработала систему из микрофлюидных модулей в виде кубика Рубика. Чтобы изменить взаимное расположение отдельных блоков системы, необходимо просто решить головоломку. Изобретение станет полезным для проведения медицинских анализов и исследований на отдельных молекулах или клетках. Результаты своей работы авторы опубликовали в журнале Nature. 

Микрофлюидика, или микрогидродинамика — это междисциплинарная наука, которая изучает поведение жидкостей и газов при движении по капиллярам внутри герметичных устройств — микрофлюидных чипов. Подобные технологии позволяют работать с очень малыми объемами газов и жидкостей, находящихся в виде пузырьков и капель. Использование таких устройств позволяет сделать химические и биологические исследования дешевле и быстрее.

Основой таких устройств являются микрофлюидные модули. Они представляют собой материалы из стекла, кремния или полимеров (полиметилметакрилат, полиметилсилоксан), пронизанные цилиндрическими микроканалами или массивами таких каналов. С их помощью можно управлять газами и жидкостями в объёмах от микро- (одна миллионная литра) до пиколитра (одна триллионная литра). Это важно для подготовки проб, их транспортировки, смешивания, разделения, дозирования и так далее. 

Основная особенность микрофлюидных технологий заключаются и в том, что реакции проходят в закрытых системах, где исключено попадание загрязнения извне, а объемы реагентов минимальны. В результате можно выполнять в миниатюрном формате не только традиционные исследования, но и проводить анализы, которые ранее были не реализуемы. Например, в каплях малых объемов можно исследовать отдельные клетки и даже молекулы. 

Со временем ученые усовершенствовали микрофлюидные устройства так, что они приобрели способность к персонализации — научились подстраиваться под условия среды. Своё применение такие девайсы нашли в областях науки, которые требуют быстрой настройки и модификации устройства, например в медицинских анализах. Но несмотря на хорошую адаптивность, микрофлюидные приборы обладают рядом изъянов. Самым критическим из них является утечка из-за негерметичности соединения между блоками. 

Чтобы решить эту проблему, авторы новой работы создали трехмерную перенастраиваемую систему блоков, работающую по принципу кубика Рубика. 12 блоков, находящихся в центрах рёбер, и 8 угловых блоков содержат в себе независимые массивы микроканалов. Поворачивая грани такого кубика можно управлять движением реагентов и проводить огромное количество разнообразных опытов.

На первом этапе работы авторы создали 3D-модель будущего устройства. За основу они взяли кубик Рубика 3х3×3, состоящий из 27 деталей. Блоки печатали на 3D-принтере из прозрачной смолы. В процессе печати в блоках создавались каналы с шириной 500 микрон. Сразу же после печати детали будущего устройства промывались в изопропиловом спирте. После этого компоненты обрабатывали ультразвуком и сушили. Прежде чем приступить к сборке поверхность отдельных кубиков полировали абразивной бумагой до прозрачного состояния. Для предотвращения утечки авторы использовали силиконовые кольца. 

В качестве примера реального применения устройства ученые провели эксперимент по культивированию бактерий. Такое культивирование в микроразмерных каплях может позволить создавать небольшие популяции бактерий и контролировать их. Это, в свою очередь, может способствовать созданию новых подходов для решения проблем в диагностике и для исследования эволюции бактерий.

В этом эксперименте учёные использовали культуру кишечной палочки в среде, содержащей канамицин и резазурин. С помощью кубической микрофлюидной системы популяцию бактерий и питательную среду диспергировали в жидком парафине. Во время инкубации капель при 25℃ биоинженеры наблюдали за их окраской.  Резазурин является индикатором жизнеспособности клеток: если клеточные структуры живы, яркость этого соединения увеличивается и его окраска меняется с синего на розовый. При наблюдении за системой после инкубации исследователи заметили нужное изменение окраски и таким образом показали, что культивируемые бактерии остались живы.

В будущем учёные планируют добавить к своей разработке блоки терморегуляции, насосные и клапанные  установки для автономного управления потоками жидкости, а также блоки с датчиками. Из-за этих дополнительных элементов увеличится и размерность кубика (до 4х4х4 и 5х5х5). Для максимального удобства разработчики планируют создать программное обеспечение для смартфонов, которое поможет рассчитать оптимальный алгоритм решения головоломки в зависимости от требуемого результата.

Автор: Альберт Ахмадеев

Редактор: Анастасия Воротникова

Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Поделиться

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: