باحثو جامعة كورنيل يطورون نظام شريحة هيدروجين ميكروبي قابل للتحكم يتمتع بإمكانات توصيل دوائي

طور باحثو جامعة كورنيل نظامًا يعتمد على الشريحة يمكنه إنشاء والتحكم في فقاعات الهيدروجين عند الطلب. من خلال توجيه الفقاعات للتحكم في تدفق السوائل، من المتوقع أن تحقق هذه التقنية تقدمًا في تطبيقات مثل توصيل الأدوية الموجهة. في التجارب، استخدموا قوة الموجات فوق الصوتية لتزويد الفقاعات الموجودة في منطقة 3 ملليمتر على الشريحة بالطاقة، للتحكم في تدفق السوائل. يقوم الجهاز بإنشاء هذه الفقاعات على شبكة من الأقطاب الكهربائية، مما يحقق التحكم الكهربائي.

قدرة النظام على البرمجة الفورية

يمكن للنظام الجديد أن يُبرمج في الوقت الحقيقي، حيث أصبح بإمكان الباحثين الآن إنشاء فقاعات فردية بدقة في الوقت والمكان المطلوبين، والتحكم في حجمها وعددها، وتوجيهها إلكترونيًا. تمكنوا من التحكم في حركة الفقاعات، سواء كانت فردية أو في مجموعات أكبر، مما يتيح لهم توجيه تدفق السوائل عند الطلب. وفقًا للباحثين، يمكن أن تلعب هذه التقنية دورًا في التطبيقات الطبية، حيث تمهد الطريق لإنشاء أجهزة ميكروسيولة قابلة لإعادة التشكيل، مما يحقق توصيلًا دقيقًا للأدوية. "بفضل مجموعة الفقاعات هذه، يمكننا التحكم في الوقت الحقيقي في حجم الفقاعات وعددها وموقعها، وبالتالي برمجة اتجاه التدفق"، قال المؤلف الجديد للبحث، تشانغ تشي يوان، والذي نُشر في مجلة Science Advances.

حجم الفقاعات يحدد تدفق السوائل. استخدم تشانغ تشي يوان شريحة مصنوعة في مرافق العلوم والتكنولوجيا النانوية بجامعة كورنيل، حيث تتكون الشريحة من تسعة أقطاب كهربائية صغيرة مرتبة في شكل مربع، قادرة على إنتاج فقاعات تتراوح أقطارها بين 10 ميكرومتر و100 ميكرومتر. لإنشاء فقاعة هيدروجين، قام بتفكيك جزيئات الماء باستخدام الطاقة الكهربائية. إذا تم تطبيق الجهد لفترة أطول، ستصبح الفقاعات أكبر. بعد إنشاء الفقاعات، تعرض الباحثون النظام للطاقة الصوتية، حيث تجعل الموجات فوق الصوتية الفقاعات تتذبذب، مما ينتج اهتزازًا ويدفع السوائل المحيطة للتحرك.

علاقة حجم الفقاعات بالتدفق

يشير الباحثون إلى أن حجم الفقاعات أمر حاسم عند التحكم في تدفق السوائل. حجم الفقاعات يحدد تردد الموجات فوق الصوتية الرنانة المطلوب. التردد المتطابق بشكل مناسب ينتج تدفقًا قويًا للسوائل. وأضافوا: "حجم الفقاعات يحدد تردد الرنين للفقاعات". قال أستاذ الفيزياء في جامعة كورنيل، إيتاي كوهين: "إذا قمت بتطبيق الموجات فوق الصوتية عند تردد 40 كيلو هرتز، وكانت الفقاعات صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا، فلن تتذبذب بشكل ملحوظ. ولكن إذا كان حجمها مناسبًا للرنين عند 40 كيلو هرتز، فستنتج تدفقًا كبيرًا."

تشير الدراسات إلى أن التدفق يمكن أن يتم إنتاجه بواسطة فقاعة واحدة أو عدة فقاعات. عندما يتم ضبط فقاعة واحدة على الرنين، يتم إنشاء التدفق من خلال نقل الطاقة إلى السوائل المجاورة. إذا كانت عدة فقاعات تعمل معًا، فإنها تنتج تدفقًا متماثلًا عندما تكون بحجم متساوٍ. أظهرت التجارب أنه عندما تختلف أحجام الفقاعات، فإن أكبر فقاعة ستسيطر على اتجاه التدفق. قال الباحثون إنه من خلال تغيير موضع الفقاعات، يمكن تحقيق حركة قابلة للبرمجة، وتحويل التدفق من اليسار إلى اليمين، أو توجيه الحركة في منحنى عن طريق ترتيب خمس فقاعات في شكل حرف L. وبالمثل، يمكنهم أيضًا تعديل التدفق من خلال تغيير الجهد الكهربائي.

وجدوا أن الجهد العالي ينتج سحابة من الفقاعات في تدفق سريع. لذلك، كل ما عليهم فعله هو تشغيل الموجات فوق الصوتية لإطلاق الفقاعات في اتجاه محدد.

إمكانات تطبيق تقنية فقاعات الهيدروجين القابلة للتحكم

يمثل تطوير هذه التقنية تقدمًا مهمًا في أجهزة الميكروسيولة، مما يتيح توصيلًا دقيقًا للأدوية. من خلال التحكم الدقيق في إنشاء الفقاعات وحركتها، يتمكن الباحثون من خلق حلول أكثر مرونة في التطبيقات الطبية. بالإضافة إلى ذلك، فإن قابلية برمجة هذه التقنية تجعل التطبيقات في سياقات مختلفة أكثر قابلية للتنفيذ، مما يعزز دقة وكفاءة العلاجات الطبية.