Schallwellen transportieren Tröpfchen für wiederbeschreibbare Lab-on-a-Chip-Geräte

Ingenieure haben ein vielseitiges mikrofluidisches Lab-on-a-Chip demonstriert, das Schallwellen verwendet, um Tunnel in Öl zu erzeugen, um Tröpfchen berührungslos zu manipulieren und zu transportieren. Die Technologie könnte die Grundlage eines kleinen, programmierbaren, wiederbeschreibbaren biomedizinischen Chips bilden, der vollständig wiederverwendbar ist, um Diagnosen vor Ort oder Laborforschung zu ermöglichen. Das System erreicht ein wiederbeschreibbares Routing, Sortieren und Ausblenden von Tröpfchen mit minimaler externer Steuerung, was wesentliche Funktionen für die digitale Logiksteuerung von Tröpfchen sind.

Die automatisierte Handhabung von Flüssigkeiten hat die Entwicklung vieler wissenschaftlicher Bereiche vorangetrieben, wie z. B. der klinischen Diagnostik und des groß angelegten Screenings von Verbindungen. Obwohl diese Systeme in der modernen biomedizinischen Forschung und pharmazeutischen Industrie allgegenwärtig sind, sind sie sperrig, teuer und handhaben kleine Flüssigkeitsmengen nicht gut.

Lab-on-a-Chip-Systeme konnten diesen Raum bis zu einem gewissen Grad füllen, aber die meisten werden durch einen großen Nachteil behindert:Oberflächenabsorption. Da diese Geräte auf feste Oberflächen angewiesen sind, hinterlassen die transportierten Proben unweigerlich Spuren, die zu einer Kontamination führen können. Die neue Lab-on-a-Chip-Plattform verwendet eine dünne Schicht aus inertem, nicht mischbarem Öl, um zu verhindern, dass Tröpfchen Spuren von sich selbst hinterlassen. Direkt unter dem Öl vibriert ein Gitter aus piezoelektrischen Wandlern, wenn Strom durch sie geleitet wird. Genau wie die Oberfläche eines Subwoofers erzeugen diese Vibrationen Schallwellen in der dünnen Ölschicht darüber.

Diese Schallwellen bilden komplexe Muster, wenn sie von der Ober- und Unterseite des Chips abprallen sowie wenn sie aufeinander treffen. Durch sorgfältige Planung des Designs der Wandler und Steuerung der Frequenz und Stärke der Vibrationen, die die Wellen verursachen, können die Forscher Wirbel erzeugen, die in Kombination Tunnel bilden, die Tröpfchen in jede Richtung entlang der Oberfläche des Geräts schieben und ziehen können .

Das neue System verwendet Dual-Mode-Wandler, die Tröpfchen entlang einer x- oder y-Achse transportieren können, basierend auf zwei verschiedenen Strömungsmustern. Durch die Verwendung von Dual-Mode-Wandlern konnten die Forscher Tröpfchen entlang zweier Achsen bewegen und gleichzeitig die Komplexität der Elektronik um das Vierfache reduzieren. Sie waren auch in der Lage, die Betriebsspannung der Wandler drei- bis siebenmal niedriger zu reduzieren als bei einem früheren System, wodurch acht Tröpfchen gleichzeitig gesteuert werden konnten. Und durch die Einführung eines Mikrocontrollers in den Aufbau konnten die Forscher einen Großteil der Tröpfchenbewegung programmieren und automatisieren.

Die Fähigkeit, Tröpfchen ähnlich wie die Logiksysteme auf einem Computerchip zu steuern, ist für eine Vielzahl von klinischen und Forschungsverfahren von entscheidender Bedeutung. Der nächste Schritt besteht darin, das miniaturisierte Hochfrequenz-Netzteil und die Steuerplatine für eine umfassende Integration und dynamische Planung zu kombinieren.