Исследователи рассматривают свою систему как альтернативу микрожидким устройствам, теперь обычно используемым в биологическом исследовании, в котором биологические решения накачаны через микроскопические каналы, связанные механическими клапанами. Новый подход, который перемещает решения в в вычислительном отношении предписанных образцах, мог позволить экспериментам проводиться более эффективно, рентабельно, и в более широких масштабах.«Традиционные микрожидкие системы используют трубы, клапаны и насосы», говорит Удаян Умэпэти, исследователь в MIT Media Lab, который привел развитие новой системы. «Что это означает, то, что они механические, и они ломаются все время. Я заметил эту проблему три года назад, когда я был в синтетической компании биологии, где я построил некоторые из этих микрожидких систем и механических машин, которые взаимодействуют с ними.
Я должен был нянчить эти машины, чтобы удостовериться, что они не взорвались».«Биология перемещается к более сложным процессам, и нам нужны технологии, чтобы управлять меньший – и капельки меньшего объема», говорит Умэпэти. «Насосы, клапаны и трубы быстро становятся сложными.
В машине, которую я построил, мне потребовалась неделя, чтобы собрать 100 связей. Скажем, Вы идете от масштаба 100 связей с машиной с миллионом связей.
Вы не собираетесь быть способными вручную собрать это».С его новой системой Умэпэти объясняет, тысячи капелек могли быть депонированы на поверхности его устройства, и они автоматически переместятся, чтобы провести биологические эксперименты.Система включает программное обеспечение, которое позволяет пользователям описывать на высоком уровне общности, эксперименты, которые они хотят провести.
Программное обеспечение тогда автоматически вычисляет пути капелек через поверхность и координирует выбор времени последовательных операций.«Оператор определяет требования для эксперимента – например, реактив A и реактив B должны быть смешаны в этих объемах и выведены для этого количества времени, и затем смешаны с реактивом C. Оператор не определяет, как капельки текут или где они смешиваются. Это все предварительно вычислено программным обеспечением».
Umapathi и его соавторы – Хироши Иший, профессор Джерома Б. Визнера Искусств СМИ и Наук в MIT; Патрик Шин и Димитрис Кутентакис, студенты MIT, работающие в лаборатории Ишия; и Сэм Ген Чин, старшекурсник Веллесли в лаборатории – описывает их новую систему в газете, появляющейся в этом месяце в сетевом журнале Г-Жа Адвэйнсез.За прошлые 10 лет другие исследовательские группы экспериментировали с «цифровой микрогидродинамикой» или электрической манипуляцией капелек, чтобы провести биологические эксперименты. Но их жареный картофель был произведен, используя методы гравюры высокого уровня, которые требуют окружающей среды, которой управляют, известной как чистые комнаты. Umapathi и его коллеги сосредоточились на том, чтобы снижать затраты.
Их прототип использует печатную плату, товарное электронное устройство, которое состоит из пластмассовой доски с медной проводкой, депонированной сверху его.Главный технический вызов исследователей состоял в том, чтобы проектировать покрытие для поверхности монтажной платы, которая уменьшит трение, позволяя капелькам скользить через него, и это препятствовало бы тому, чтобы биологические или химические молекулы придерживались его, так, чтобы они не загрязняли будущие эксперименты. Монтажная плата скопирована со множеством электродов.
В прототипе исследователи покрывают доску намного более плотным множеством крошечных сфер, только один микрометр высотой, сделанных из гидрофобного (водоотталкивающего) материала. Капельки катаются на коньках через вершины сфер. Исследователи также экспериментируют со структурами кроме сфер, которые могут работать лучше с конкретными биологическими материалами.
Поскольку поверхность устройства гидрофобная, капельки, депонированные на ней естественно, пытаются принять сферическую форму. Зарядка электрода тянет капельку вниз, выравнивая его.
Если электрод ниже сглаженной капельки будет постепенно выключен, в то время как электрод рядом с ним постепенно включается, гидрофобный материал будет вести капельку к заряженному электроду.Движущиеся капельки требуют высоких напряжений, где-нибудь между 95 и 200 В. Но 300 раз в секунду, заряженный электрод в устройстве исследователей MIT чередует между высоковольтной, низкой частотой (1-килогерцевый) сигнал и 3,3-вольтовым высокочастотным (200-килогерцевым) сигналом. Высокочастотный сигнал позволяет системе определить местоположение капельки, используя по существу ту же самую технологию, которую делают телефоны с сенсорным экраном.Если капелька не переместится достаточно быстро, система автоматически повысит напряжение низкочастотного сигнала.
От сигнала датчика система может также оценить объем капельки, который, вместе с информацией о местоположении, позволяет ему отслеживать прогресс реакции.Умэпэти полагает, что цифровая микрогидродинамика могла решительно сократить расходы экспериментальных процедур, распространенных в промышленной биологии. Фармацевтические компании, например, будут часто проводить много экспериментов параллельно, используя роботы, оборудованные десятками или даже сотнями пипеток, небольшие имеющие размеры трубы, которые скорее похожи на удлиненные глазные пипетки.
«Если Вы смотрите на компании по изобретению лекарства, один переливающий робот использует миллион подсказок пипетки за одну неделю», говорит Умэпэти. «Это – часть того, что ведет стоимость создания новых наркотиков. Я начинаю развивать некоторое жидкое испытание, которое могло сократить количество переливания 100-кратных операций».