Akustische-Wellen-getriebener Tröpfchentransport für wiederbeschreibbare Lab-on-a-Chip-Geräte

Ingenieure haben ein vielseitiges mikrofluidisches Lab-on-a-Chip demonstriert, das Schallwellen nutzt, um Tunnel in Öl zu erzeugen, um Tröpfchen berührungsfrei zu manipulieren und zu transportieren. Die Technologie könnte die Basis für einen kleinmaßstäblichen, programmierbaren, wiederbeschreibbaren biomedizinischen Chip bilden, der vollständig wiederverwendbar ist, um On-Site-Diagnostik oder Laborforschung zu ermöglichen. Das System erreicht wiederbeschreibbares Routing, Sortieren und Gating von Tröpfchen mit minimaler externer Steuerung, was essenzielle Funktionen für die digitale Logiksteuerung von Tröpfchen sind.

Automatisiertes Flüssigkeitshandling hat die Entwicklung vieler wissenschaftlicher Felder vorangetrieben, wie klinische Diagnostik und Large-Scale-Compound-Screening. Obwohl allgegenwärtig in moderner biomedizinischer Forschung und Pharmaindustrie, sind diese Systeme sperrig, teuer und handhaben kleine Flüssigkeitsvolumen 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 festen Oberflächen basieren, hinterlassen die transportierten Proben unweigerlich Spuren ihrer selbst, die zu Kontamination führen können. Die neue Lab-on-a-Chip-Plattform nutzt eine dünne Schicht inerter, nicht mischbarer Öle, um zu verhindern, dass Tröpfchen Spuren hinterlassen. Direkt unter dem Öl vibriert ein Gitter aus piezoelektrischen Transducern, wenn Strom durch sie fließt. Genau wie die Oberfläche eines Subwoofers erzeugen diese Vibrationen Schallwellen in der dünnen Ölschicht darüber.

Diese Schallwellen bilden komplexe Muster, wenn sie an der Ober- und Unterseite des Chips reflektiert werden sowie wenn sie aufeinander treffen. Durch sorgfältige Planung des Transducer-Designs und Kontrolle der Frequenz und Stärke der die Wellen verursachenden Vibrationen können die Forscher Wirbel erzeugen, die, wenn kombiniert, Tunnel bilden, die Tröpfchen in jede Richtung entlang der Geräteoberfläche schieben und ziehen können.

Das neue System nutzt Dual-Mode-Transducer, die Tröpfchen entlang einer X- oder Y-Achse transportieren können, basierend auf zwei verschiedenen Streaming-Mustern. Durch Nutzung von Dual-Mode-Transducern konnten die Forscher Tröpfchen entlang zwei Achsen bewegen, während sie die Komplexität der Elektronik um das Vierfache reduzierten. Sie konnten auch die Betriebsspannung der Transducer drei- bis siebenfach niedriger als bei einem vorherigen System machen, was es erlaubte, gleichzeitig acht Tröpfchen zu steuern. Und durch Einführung eines Mikrocontrollers in das Setup konnten die Forscher viel der Tröpfchenbewegung programmieren und automatisieren.

Die Fähigkeit, Tröpfchen in einer Art zu steuern, die den Logiksystemen auf einem Computerchip ähnelt, ist essenziell für eine breite Vielfalt klinischer und Forschungsprozeduren. Der nächste Schritt ist die Kombination der miniaturisierten Radiofrequenz-Stromversorgung und Steuerplatine für Large-Scale-Integration und dynamische Planung.