Микро- и наноисследования оказывают большое влияние на технологии, меняющие жизнь
Исследователи из Университета Гриффита стоят за несколькими крупными прорывами в микро- и наномасштабе. Недавние работы показывают, что вскоре может стать реальностью получение более детальной информации об общих показателях здоровья владельцев носимых устройств.
Доктор Джун Чжан и доктор Навид Кашанинжад из Квинслендского центра микро- и нанотехнологий (QMNC) исследуют две актуальные задачи в области микрофлюидики: биосэмплинг через разделение наночастиц и носимые технологии.
Исследователи опубликовали результаты этой работы под руководством директора QMNC профессора Нам-Трунга Нгуена, известного своими исследованиями в области микроэластофлюидики.
Что такое микроэластофлюидика?
Микроэластофлюидика использует гибкость и растяжимость для управления жидкостями, что приводит к более быстрой и точной диагностике состояния здоровья.
«Эта технология позволяет точно работать с небольшими количествами образцов и реагентов», — сказал профессор Нгуен.
Его исследования направлены на среднесрочный эффект и прошли путь от датчиков для автомобилей до «лаборатории на чипе» и носимых устройств для мониторинга здоровья.
Например, команда QMNC разработала ряд устройств для растяжения клеток, чтобы изучать их поведение под механическим стрессом. Продолжаются работы над моделями кожи, рака кожи, кишечника и кровеносных сосудов.
«В дополнение к этим фундаментальным исследованиям я недавно основал область под названием "микроэластофлюидика", которая использует растяжимость и гибкость от молекулярного до приборного масштаба для лучшего обращения с жидкими образцами», — пояснил профессор Нгуен. — «Она интегрирует микрофлюидику в гибкие носимые и имплантируемые устройства».
Преимущества разделения наночастиц
Недавние исследования доктора Чжана сосредоточены на разделении наночастиц и том, как их можно использовать для сбора информации о различных состояниях здоровья.
Этими наночастицами могут быть внеклеточные «везикулы» — частицы, которые выделяются клетками нашего тела для коммуникации.
«Извлечение этих частиц из жидких образцов, таких как кровь, даст богатую информацию о состоянии здоровья», — сказал доктор Чжан.
Те же частицы могут обладать противовоспалительным и антивозрастным действием и потенциально служить терапевтическими средствами против старения и возрастных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера.
Задача — разделить частицы, не повредив их хрупкую поверхность. Современные методы, такие как ультрацентрифугирование и ультрафильтрация, часто их повреждают.
Метод доктора Чжана использует уникальный феномен физики жидкости под названием «инерционная микрофлюидика», чтобы избежать повреждения этих полезных, но хрупких частиц.
«Достижения в микрофлюидных технологиях оказали значительное влияние на биомедицинскую область», — отметил доктор Чжан.
Эти технологии предлагают беспрецедентную возможность точно контролировать движение жидкостей и растворенных или взвешенных аналитов в микромасштабе. Этими аналитами могут быть различные клетки крови, бактерии, вирусы, ДНК, РНК, белки, глюкоза, липиды и т.д.
«Точное манипулирование и обнаружение этих крошечных частиц критически важно для диагностики заболеваний и мониторинга состояния здоровья человека».
Исследователи недавно опубликовали критический обзор в журнале Lab on a Chip, сравнив традиционные методы и микрофлюидику в разделении наночастиц.
- Традиционные методы (ультрацентрифугирование, хроматография, электрофорез) обладают преимуществами в эффективности по времени, высоком выходе, простоте использования и хорошей воспроизводимости, но ограничены высокой стоимостью и низкой чистотой.
- Микрофлюидные технологии превосходят их по разрешающей способности разделения и являются более экономически эффективными.
За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в микрофлюидных технологиях для разделения наночастиц, но предстоит еще много работы. Исследователи изучили проблемы и решения этих часто упускаемых из виду ограничений.
Биообразцы от носимых устройств?
Исследования доктора Кашанинжада изучают сбор информации о состоянии здоровья с помощью носимых устройств, используя концепцию микроэластофлюидики.
В настоящее время носимые устройства, такие как умные часы, могут собирать только физическую информацию о пользователе. Сбор информации о биохимических и биологических состояниях гораздо сложнее из-за отсутствия у этих устройств возможности «управления жидкостями».
Его исследования направлены на поиск простых и практичных решений для работы с жидкостями на гибких и соответствующих коже поверхностях, чтобы можно было легко исследовать методы отбора проб пота и подкожных жидкостей тела.
«Мы найдем эти решения в ближайшем будущем в носимых устройствах, которые смогут предоставлять больше информации о состоянии здоровья пользователя, чем современные умные часы», — заявил он.
Носимые на коже системы для отбора проб биожидкостей и сенсоринга биомаркеров могут совершить революцию в современных подходах к мониторингу здоровья и персонализированной медицине. Однако до полного внедрения и принятия этого увлекательной технологии рынком еще долгий путь.
В своей недавней статье (опубликованной в Lab on a Chip) он сравнил различные микрофлюидные платформы, которые можно использовать для носимых на коже устройств:
- на основе полупроводников
- на основе полимеров
- на основе жидкого металла
- на основе бумаги
- на основе текстиля
Эти платформы могут повысить растяжимость носимых на коже биосенсоров на уровне устройства, и существуют потенциальные микрофлюидные решения для сбора, транспортировки и контроля биожидкостей.
Применение микропомп с приводом от пальца является жизнеспособным решением для точной и управляемой по требованию прокачки биожидкости.
В этой области есть большой потенциал, например, в применении:
- растяжимой микроэластофлюидики с непрерывным потоком
- растяжимых супергидрофобных поверхностей
- «жидких бусин» (крошечных капсул с жидким содержимым) как формы цифровой микроэластофлюидики
- топологических жидкостных диодов (которые пока получают меньше внимания, но обладают огромным потенциалом для интеграции в носимые на коже устройства).