- Die Cornell University hat ein kontrollierbares Wasserstoff-Mikroblasen-Chipsystem mit Potenzial für die Medikamentenverabreichung entwickelt.
- Das System kann in Echtzeit programmiert werden und ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Größe und Anzahl der Blasen.
- Die Größe der Blasen bestimmt den Flüssigkeitsfluss und muss mit der Resonanzultraschallfrequenz übereinstimmen.
- Höhere Spannungen können eine Blasenwolke erzeugen, die eine spezifische Flussrichtung ermöglicht.
Die Forscher der Cornell University haben ein chipsystembasiertes System entwickelt, das in der Lage ist, Wasserstoffmikroblasen nach Bedarf zu erzeugen und zu steuern. Durch die gezielte Ausrichtung der Blasen zur Kontrolle des Flüssigkeitsflusses verspricht diese Technologie Fortschritte in Anwendungen wie der gezielten Medikamentenverabreichung. In Experimenten nutzten sie die Kraft von Ultraschall, um Blasen in einem 3-Millimeter-Bereich auf dem Chip mit Energie zu versorgen und den Flüssigkeitsfluss zu steuern. Das Gerät erzeugt diese Blasen auf einem Elektrodengitter und ermöglicht eine elektrische Steuerung.
Echtzeit-Programmierungsfähigkeit des Systems
Das neu entwickelte System kann in Echtzeit programmiert werden, sodass die Forscher nun in der Lage sind, präzise zu einem gewünschten Zeitpunkt und an einem gewünschten Ort einzelne Blasen zu erzeugen, ihre Größe und Anzahl zu steuern und sie elektronisch zu lenken. Sie können die Bewegung der Blasen kontrollieren, sei es einzeln oder in größeren Gruppen, was es ihnen ermöglicht, den Flüssigkeitsfluss nach Bedarf zu lenken. Laut den Forschern kann diese Technologie in medizinischen Anwendungen von Bedeutung sein, da sie den Weg für die Schaffung von rekonfigurierbaren Mikrofluidikgeräten ebnet, die eine präzise Medikamentenverabreichung ermöglichen. „Mit diesem Blasenarray können wir die Größe, Anzahl und Position der Blasen in Echtzeit steuern, sodass wir die Flussrichtung programmieren können“, erklärte Zhang Zhiyuan, einer der Autoren der neuen Studie, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde.
Die Größe der Blasen bestimmt den Flüssigkeitsfluss. Zhang Zhiyuan verwendete einen Chip, der in den Nano-Scale Science and Technology Facilities der Cornell University hergestellt wurde und aus neun kleinen Elektroden besteht, die quadratisch angeordnet sind und Blasen mit einem Durchmesser von 10 bis 100 Mikrometern erzeugen können. Um eine Wasserstoffblase zu erzeugen, spaltet er Wasserstoffmoleküle durch elektrische Energie. Bei längerer Anlegung der Spannung werden die Blasen größer. Nach der Erzeugung der Blasen setzten die Forscher das System Schallenergie aus, wobei die Ultraschallwellen die Blasen zum Schwingen brachten, was Vibrationen erzeugte und die umgebende Flüssigkeit in Bewegung setzte.
Zusammenhang zwischen Blasengröße und Fluss
Die Forscher weisen darauf hin, dass die Größe der Blasen entscheidend ist, wenn es darum geht, den Flüssigkeitsfluss zu steuern. Die Größe der Blasen bestimmt die erforderliche Resonanzultraschallfrequenz. Eine angemessene Frequenzanpassung erzeugt einen starken Flüssigkeitsfluss. Sie fügen hinzu: „Die Größe der Blasen bestimmt die Resonanzfrequenz der Blasen.“ Der Physikprofessor Itai Cohen von der Cornell University erklärt: „Wenn Sie Ultraschall mit einer Frequenz von 40 kHz anlegen und die Blasen zu klein oder zu groß sind, werden sie nicht signifikant schwingen. Aber wenn ihre Größe genau auf die Resonanz bei 40 kHz abgestimmt ist, erzeugen Sie einen starken Fluss.“
Die Forschung zeigt, dass Fluss durch einzelne oder mehrere Blasen erzeugt werden kann. Wenn eine einzelne Blase auf Resonanz eingestellt ist, wird der Fluss erzeugt, indem Energie auf die angrenzende Flüssigkeit übertragen wird. Wenn mehrere Blasen zusammenarbeiten, erzeugen sie symmetrischen Fluss, wenn sie die gleiche Größe haben. Experimente zeigen, dass bei unterschiedlichen Blasengrößen die größte Blase die Flussrichtung dominiert. Die Forscher erklären, dass durch die Veränderung der Position der Blasen auch programmierbare Bewegungen erreicht werden können, um den Fluss von links nach rechts zu lenken oder durch Anordnung von fünf Blasen in einer L-Form eine gekrümmte Bewegung zu steuern. Ebenso können sie den Fluss durch Anpassung der Spannung steuern.
Sie fanden heraus, dass höhere Spannungen eine Blasenwolke erzeugen, die einen schnellen Fluss erzeugt. Daher müssen sie nur den Ultraschall aktivieren, um die Blasen in eine bestimmte Richtung zu schießen.
Anwendungspotenzial der kontrollierbaren Wasserstoffmikroblastechnologie
Die Entwicklung dieser Technologie stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Mikrofluidik dar, der eine präzise Medikamentenverabreichung ermöglicht. Durch die präzise Kontrolle über die Erzeugung und Bewegung der Blasen können die Forscher flexiblere Lösungen für medizinische Anwendungen schaffen. Darüber hinaus macht die Programmierbarkeit dieser Technologie die Anwendung in verschiedenen Kontexten praktikabler, was die Genauigkeit und Effizienz medizinischer Behandlungen erhöht.