一个微小的细胞毛发,被称为纤毛,不能自己做很多事情。但这些结构结合在一起,通常会在体内创造出生物奇迹。纤毛清除呼吸道中吸入的病原体,携带脑脊液穿过脑洞,将卵子从卵巢运送到子宫,将粘液从中耳排出到鼻腔。这些微小的细胞外细胞器对体内维持生命的液体进行精确的微流体控制。为了更好地理解这些重要的自然奇观是如何工作的,科学家们多年来一直试图模仿它们。
现在研究人员已经接近做到这一点,创造了一个长满人造纤毛的芯片可以精确控制流体的微小流动模式。开发人员希望这项技术能成为新型便携式诊断设备的基础。目前,许多诊断实验室测试是耗时的,资源密集的,需要密切的人力支持。研究人员说,一种覆盖纤毛的芯片可以使现场测试比基于实验室的测试更容易、更便宜、更有效,而且使用的血液、尿液或其他测试材料的样本要小得多。
人类已经取得了壮观的大规模工程壮举,但“在工程小型化机器方面,我们仍然有些停滞不前,”康奈尔大学物理学家Itai Cohen说,他是一项新的研究的资深作者自然研究描述了他团队的纤毛芯片。此前,研究人员曾试图制造通过压力、光、电甚至磁铁来工作的人造纤毛。但是一个主要的障碍仍然存在:设计极其微小的执行器——机器的运动触发部分——可以单独控制,也可以在小集群中控制,而不是同时控制。
康奈尔大学的研究人员从他们早期工作中学到的一些东西中获得灵感,从而跨越了这一障碍。2020年8月,吉尼斯世界纪录认可了科恩和他的团队的设计世界上最小的行走机器人这种机器只有不到一毫米宽,可以用四条可弯曲的腿行走。就像那些腿一样,新的人造纤毛是由可弯曲的纳米薄膜制成的,可以响应电子控制。每根纤毛有二十分之一毫米长(不到尘螨长度的一半),10纳米厚——比最小的细胞器还薄——一边是一条铂带,另一边是一层钛膜。
用电控制这些人造纤毛的关键来自于它们的金属结构。通过纤毛的低正电压会引发化学反应:当测试液体的液滴流过时,带电的铂会将液滴内的水分子分解。这释放了氧原子,它们被吸收到铂的表面。添加的氧气拉伸了带子,使它向一个方向弯曲。一旦电压逆转,氧气就会被逐出铂,纤毛就会恢复到原来的形状。科恩说:“因此,通过来回振荡电压,你可以弯曲和伸直金属带,这将产生波来驱动运动。”同时,电惰性钛膜使结构稳定。
接下来,研究人员必须弄清楚如何用数千条人造纤毛在表面形成图案。通过简单地一个接一个地弯曲和不弯曲,这些细条可以驱动微量的流体向一个既定的方向流动。但为了引导液滴以更复杂的模式流动,研究人员必须将芯片的表面划分为单独可控的纤毛组。康奈尔大学的研究小组首先规划了一个虚拟控制系统,与剑桥大学的研究人员合作,在三维空间上数字模拟液滴如何在长满纤毛的芯片上移动。
一旦研究人员使用这些计算机模拟来验证他们正在做的事情的理论方面,他们就会继续生产一个物理设备。他们的厘米宽的芯片上覆盖着数百条小小的铂钛条,分成64个阵列,每个阵列有8根纤毛。由于每个阵列都是独立可控的,因此可以分别对单个单元进行编程,然后进行协调,使测试流体向任何给定的方向移动。这些阵列一起工作,就可以创造出几乎无穷无尽的流动模式组合。
该团队的第一个设备可以以特定的模式驱动液滴,但它没有研究人员希望的那样高效。他们现在已经在计划下一代具有不止一个“铰链”纤毛的芯片。这将赋予它们更强的弯曲能力,“这可以让你有更有效的流体流动,”科恩说。
这项研究“优雅地启发了我们如何通过电子信号实现对人工纤毛阵列的独立、可寻址控制,从而产生复杂的可编程微流体操作,”香港城市大学的微流体研究人员王zuankai说,他没有参与这项新研究。“希望在未来几年里,不受束缚的低成本诊断设备可以大规模生产。”
由于新技术模仿生物结构,因此在医疗应用中使用它是有意义的。研究人员设想了一种覆盖纤毛的芯片作为诊断设备的基础,它可以检测任何水、血液或尿液样本,以发现污染物或疾病标记。用户只需在芯片上滴一滴血或尿,人造纤毛就会携带样本——连同其中的任何化学物质或病原体——从一个地方到另一个地方,让样本在移动过程中与各种检测试剂混合并发生反应。芯片内的生物传感器将测量这些化学反应的产物,然后引导纤毛进一步操纵液体的流动,使芯片能够执行额外的测试来确认结果。科恩解释说:“通过这种方式,你可以在一个厘米大小的芯片上完成所有的化学实验,而这通常是在化学实验室中进行的。”“这种芯片也可以自行工作,因为它可以使用安装在芯片上的小型太阳能电池板。”这种自供电的装置非常适合在野外使用。
“他们将微电子学与流体力学相结合的方式太棒了,”利哈伊大学的材料科学家马诺·乔杜里(Manoj Chaudhury)说,他没有参与这项新研究。乔杜里说,研究人员已经解决了一个基本问题,但将结果产品付诸实践还需要进一步的工作。他说:“当他们设计一个反应堆系统来分析一滴血时,必须有当地的工作站,他们甚至可能需要加热或冷却样本。”“所以,看看他们如何将所有这些方面整合到一个微反应堆中是很有趣的。”
编者按(7/26/22):本文在发布后进行了修改,修改了物理测试芯片上纤毛和铂钛条可控分组的描述,包括纤毛的数量、阵列和条带。
本文的一个版本,标题为“微流”被改编纳入了2022年9月号新利18luck体育.