Изображение моделирования показывает, как применяемый ультразвук ориентирует наностержни в микрофлюидном сопле. Кредит: Игорь Аронсон

«Мы разработали микроканальное сопло и применили к системе ультразвуковую энергию», — сказал автор-корреспондент Игорь Аронсон, профессор кафедры биомедицинской инженерии и профессор химии и математики Пенсильванского университета Дороти Фоер Хак и Дж. Ллойд Хак. «Сопло играет две роли. Оно концентрирует поток жидкости, что и сделали другие исследователи. Но в дополнение к этому стенки сопла отражают акустические волны ультразвуковой энергии».

Аронсон и его сотрудники работали с крошечными материалами, называемыми наностержнями, которые, по словам Аронсона, являются одними из наиболее изученных синтетических самодвижущихся частиц. По словам Аронсона, поскольку они имеют такой же размер и скорость плавания, что и бактерии, многие выводы, сделанные при наблюдении за наностержнями, могут быть применены к движению бактерий. По этой причине они часто используются в качестве доказательства концепции для будущих задач разделения.

В этом случае наностержни были наполовину платиновыми и наполовину золотыми. Исследователи поместили наностержни в сопло в форме миниатюрного шприца, а затем добавили перекись водорода. Перекись водорода разлагается — или сгорает — на платиновой половине каждого наностержня, заставляя их плавать, имитируя поведение бактерий.

Исследователи воздействовали ультразвуком на сопло, производя акустические волны , которые вместе с потоком жидкости могли отделять частицы наностержней, объединять их или выдавливать из сопла.

Леонардо Домингес Рубио, аспирант Пенсильванского университета в области биомедицинской инженерии (слева), Дороти Фоэр Хак и Дж. Ллойд Хак, профессор кафедры биомедицинской инженерии Игор Аронсон, являются частью группы, которая использовала ультразвуковую технологию и сопло для разделения, контроля и выброса различных частиц в зависимости от их формы и различных свойств.
Предоставлено: Инженерный колледж штата Пенсильвания.

«Концепция разделения основана на том факте, что наностержни и сферические частицы по-разному реагируют на акустическое излучение и создаваемый поток жидкости», — сказал Аронсон. «Управляя формой сопла, а также частотой и амплитудой акустического излучения, мы можем заставить частицы различной формы и свойств материала вести себя по-разному. Это особенно относится к активным частицам, таким как наностержни: они могут плавать автономно, и их управление особенно сложно».

По словам исследователей, такой уровень контроля при отделении частиц ранее не демонстрировался.

Аронсон сказал, что эта демонстрация имеет значение для будущих технологий, включая аддитивное производство, также известное как 3D-печать, и доставку лекарств.

«Идея 3D-печати заключается в том, что вы можете добавлять в чернила определенные добавки, например, наностержни», — сказал он. «Итак, теперь мы можем отделять наностержни от сферических частиц, чтобы наносить на распечатку только некоторые из них, например наносить полимеры без наностержней и так далее, и все это для изменения свойств распечатки».

Аронсон сказал, что этот принцип также применим к печати живых клеток, известной как биопечать.

«Потенциальные области применения биопечати могут включать разработку акустических сопел для биоструйных принтеров», — сказал он. «Управляя акустическим излучением в сопле, мы потенциально можем выдавливать определенные типы клеток, например, стволовые клетки, и улавливать другие типы, например, бактерии. Это дополнительный контроль для биопринтов».

По словам Аронсона, эта возможность также может быть полезна для отделения бактерий от клеток при адресной доставке лекарств. Следующий план исследователей состоит в том, чтобы смешать живые бактерии и клетки в лабораторных условиях, а затем разделить и контролировать их.