Крошечные инструменты: управление каплями воды как биохимическими реакторами

«Сэндвич» – это метод работы с жидкостью, при котором пары крошечных капель, расположенные на противоположных поверхностях, смешиваются путем объединения поверхностей. Однако этот подход ограничен пакетными операциями, включающими все капли. Недавно ученые из Университета Рицумейкан, Япония, нашли способ электрически контролировать высоту отдельных капель, позволяя им выбирать, какие пары капель должны сливаться. Их метод может заменить ручные инструменты, такие как пипетки, и ускорить проверку на наркотики.




Миниатюризация быстро меняет сферу биохимии с появлением новых технологий, таких как микрофлюидика и устройства «лаборатория на кристалле», которые захватывают мир штурмом. Химические реакции, которые обычно проводились в колбах и пробирках, теперь можно проводить в крошечных каплях воды размером не более нескольких миллионных долей литра. В частности, в технологиях сэндвича с массивом капель такие крошечные капли упорядоченно располагаются на двух параллельных плоских поверхностях, противоположных друг другу. Поднося верхнюю поверхность достаточно близко к нижней, каждая верхняя капля контактирует с противоположной нижней каплей, обмениваясь химическими веществами и перенося частицы или даже клетки. В буквальном смысле эти капли могут действовать как небольшие реакционные камеры или клеточные культуры.




Проблема с многослойной компоновкой капель состоит в том, что нет индивидуального контроля над каплями; как только верхняя поверхность опускается, каждая капля на нижней поверхности обязательно соприкасается с каплей на верхней поверхности. Другими словами, эта технология ограничена пакетными операциями, что ограничивает ее универсальность и делает ее более дорогостоящей. Может быть простой способ выбрать, какие капли должны соприкасаться, когда поверхности сближаются?

Благодаря профессору Сатоши Кониси и его коллегам из Университета Рицумейкан, Япония, ответ – утвердительный ответ! В недавнем исследовании, опубликованном в Scientific Reports, эта группа ученых представила новую технику, которая позволяет индивидуально выбирать капли для контакта в сэндвич-матрице. Идея, лежащая в основе их подхода, довольно проста: если бы мы могли контролировать высоту отдельных капель на нижней поверхности, чтобы некоторые из них стояли выше других, мы могли бы сблизить обе поверхности так, чтобы только эти капли соприкасались со своими копиями, сохраняя при этом отдых. Однако как этого добиться на самом деле было немного сложнее.




Ранее исследователи пытались использовать электричество для контроля «смачиваемости» диэлектрического материала в области под каждой каплей. Этот подход, известный как «электросмачивание диэлектрика (EWOD)», позволяет немного изменить баланс сил, удерживающих капли воды вместе, когда они находятся на поверхности. Подавая электрическое напряжение под каплю, можно немного растянуть ее, увеличив ее площадь и уменьшив высоту. Тем не менее, команда обнаружила, что этот процесс не является легко обратимым, поскольку капли не могут самопроизвольно восстанавливать свою первоначальную высоту после отключения напряжения.

Чтобы решить эту проблему, они разработали электрод EWOD с гидрофильно-гидрофобным рисунком. Когда электрод включен, вышеописанный процесс заставляет каплю на его поверхности растекаться и становиться короче. И наоборот, когда электрод выключен, внешняя гидрофобная часть электрода отталкивает каплю, а внутренняя гидрофильная часть притягивает ее. Это восстанавливает исходную форму и высоту капли!




Исследователи продемонстрировали свой метод, выложив несколько электродов EWOD на нижнюю поверхность сэндвич-платформы с массивом капель. Просто подав напряжение на выбранные электроды, они могли легко выбрать, какие пары капель соприкасаются при опускании верхней платформы. В своей демонстрации они перенесли красный краситель с верхних капель только на некоторые из нижних капель. «Наш подход может быть использован для электрического установления индивидуальных контактов между каплями, что позволяет нам легко контролировать концентрацию химических веществ в этих каплях или даже переносить живые клетки от одной к другой», – объясняет профессор Кониши.

Это исследование открывает путь к потенциально плодотворному сочетанию методов обработки капель и автоматизации. «Мы предполагаем, что технология« лаборатория на чипе »с использованием капель заменит традиционные ручные операции с использованием таких инструментов, как пипетки, тем самым повышая эффективность проверки лекарств. В свою очередь, это ускорит процесс открытия лекарств», – подчеркивает профессор Кониши. Он добавляет, что культивирование клеток в виде свисающих капель, которое использовалось в области клеточной биологии, также сделает клеточную оценку лекарств и химикатов дешевле и быстрее, что станет ценным инструментом для биохимии и клеточной биологии.

Будем надеяться, что плоды этой технологии «упадут» очень скоро!

Сатоши Кониси, Чикара Охя, Тацухиро Ямада. Селективное управление контактом и переносом между парами капель с помощью электросмачивания диэлектрика для технологии сэндвич-панелей. Научные отчеты, 2021 г.; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41598-021-91219-x

thumbnailUrl

Крошечные инструменты: управление отдельными каплями воды как биохимическими реакторами • Крошечные инструменты: управление каплями воды как биохимическими реакторами

Сатоши Кониси, Чикара Охя, Тацухиро Ямада. Селективное управление контактом и переносом между парами капель с помощью электросмачивания диэлектрика для технологии сэндвич-панелей. Научные отчеты, 2021 г.; 11 (1) DOI: 10.1038 /…Крошечные инструменты: управление каплями воды как биохимическими реакторами - 3709055

PT5M

True

2021-07-09T16:31:23+03:00

embedUrl