コーネル大学研究者が開発した可制御な水素微泡チップシステム、薬物送達の可能性を秘める

コーネル大学の研究者が、必要に応じて水素微泡を生成・制御できるチップベースのシステムを開発した。泡を誘導して液体の流れを操ることで、この技術は方向性のある薬物送達などの応用に進展をもたらすことが期待されている。実験では、彼らは超音波の力を利用して、チップ上の3ミリメートルの領域に置かれた泡にエネルギーを供給し、液体の流れを制御した。この装置は、電極の格子上でこれらの泡を生成し、電力制御を実現している。

システムの即時プログラミング能力

新たに構築されたシステムは即時プログラミングが可能で、研究者は必要な時間と場所で単一の泡を生成し、そのサイズと数を制御し、電子的に誘導することができる。彼らは泡の動きを制御でき、単独でも大きな群体としても動かすことができるため、必要に応じて液体の流れを誘導することが可能である。研究者によれば、この技術は医療応用において重要な役割を果たす可能性があり、再構成可能なマイクロフルイディクスデバイスの創造を可能にし、正確な薬物送達を実現する道を開くという。新しい研究の著者である張志遠は、「この泡の配列を利用することで、泡のサイズ、数、位置をリアルタイムで制御できるため、流れの方向をプログラムすることができる」と述べている。この研究は『サイエンス・アドバンシズ』誌に発表された。

泡のサイズは液体の流れを決定する。張志遠は、コーネル大学のナノスケール科学技術施設で製造されたチップを使用しており、このチップは9つの小型電極が正方形に配置されており、直径10ミクロンから100ミクロンの泡を生成できる。水素泡を生成するために、彼は電力を使って水分子を分解する。電圧をかける時間が長いほど、泡は大きくなる。泡を生成した後、研究者はシステムを音エネルギーにさらし、超音波が泡を共鳴させ、振動を生じさせて周囲の液体を流動させる。

泡のサイズと流れの関係

研究者は、液体の流れを制御する際に泡のサイズが重要であると指摘している。泡のサイズは必要な共鳴超音波の周波数を決定する。適切に一致した周波数は強力な液体の流れを生じさせる。彼らは「泡のサイズが泡の共鳴周波数を決定する」と付け加えた。コーネル大学物理学部の教授であるイタイ・コーエンは、「もし40キロヘルツの周波数で超音波をかけた場合、泡が小さすぎたり大きすぎたりすると、泡は顕著に振動しない。しかし、泡のサイズがちょうど40キロヘルツで共鳴するなら、大量の流れを生じる」と述べている。

研究によれば、流れは単一または複数の泡によって生じることができる。単一の泡が共鳴に調整されると、隣接する液体にエネルギーを転送することで流れを生み出す。複数の泡が同時に機能する場合、サイズが同じであれば対称的な流れを生じる。実験では、泡のサイズが異なるとき、最も大きな泡が流れの方向を支配することが示された。研究者は、泡の位置を変えることでプログラム可能な動きを実現し、流れを左から右に移動させたり、5つの泡をL字型に配置して動きを誘導したりすることもできる。また、電圧を変えることで流れを調整することも可能である。

彼らは、高電圧が迅速な流れの中で泡の雲を生成することを発見した。したがって、超音波をオンにするだけで、泡を特定の方向に発射することができる。

可制御な水素微泡技術の応用可能性

この技術の発展は、マイクロフルイディクスデバイスにおける重要な進展を示しており、正確な薬物送達を実現することができる。泡の生成と運動を正確に制御することで、研究者は医療応用においてより柔軟な解決策を創造することができる。また、この技術のプログラム可能性により、さまざまな状況での応用がより実現可能となり、医療治療の正確性と効率を向上させることができる。