康奈尔大学研究人员开发可控氢微泡芯片系统 具药物传递潜力

康奈尔大学的研究人员开发出一种基于芯片的系统，能够按需创造和控制氢微气泡。通过将气泡导向以操控液体流动，这项技术有望在定向药物输送等应用上取得进展。实验中，他们利用超声波的力量，为置于芯片上3毫米区域的气泡提供能量，以操控液体的流动。该装置在一个电极网格上生成这些气泡，实现了电力控制。

系统即时编程能力

新建的系统可以即时编程，研究人员现在能够精确地在所需的时间和地点生成单个气泡，控制其大小和数量，并以电子方式引导它们。他们能够控制气泡的运动，无论是单独还是以较大群体的形式，这使他们能够按需引导液体的流动。根据研究人员的说法，这项技术能够在医疗应用中发挥作用，因为它为创建可重构的微流体装置铺平了道路，从而实现精确的药物输送。“借助这个气泡阵列，我们可以实时控制气泡的大小、数量和位置，因此能够编程流动方向，”新研究的作者张志远表示，该研究发表于《科学进展》期刊。

气泡的大小决定了液体流动。张志远使用在康奈尔纳米尺度科学与技术设施制造的芯片，该芯片由九个小型电极排列成方形，能够生成直径在10微米至100微米之间的气泡。为了创建一个氢气泡，他通过电力分解水分子。若施加电压的时间较长，气泡会变得更大。在生成气泡后，研究人员将系统暴露于声能之中，这些超声波使气泡共振，产生震动并驱动周围的液体流动。

气泡大小与流动关系

研究人员指出，在控制液体流动时，气泡的大小至关重要。气泡的大小决定了所需的共振超声频率。适当匹配的频率会产生强劲的液体流动。他们补充道：“气泡的大小决定了气泡的共振频率。”康奈尔大学物理系教授伊泰·科亨表示：“如果你在40千赫的频率下施加超声波，而气泡过小或过大，那么它就不会显著振荡。但是如果它的大小正好能在40千赫下共振，那么你就会产生大量流动。”

研究表明，流动可以通过单个或多个气泡产生。当单个气泡调整到共振时，通过将能量转移到相邻的液体来创造流动。如果多个气泡一起工作，当它们的大小相同时会产生对称流动。实验显示，当气泡大小不同时，最大的气泡会主导流动方向。研究人员表示，通过改变气泡的位置，也可以实现可编程的运动，将流动从左向右转移，或通过将五个气泡排列成L形来引导运动曲线。同样，他们也可以通过改变电压来调整流动。

他们发现，较高的电压会在快速流动中产生一片气泡云。因此，他们只需打开超声波，即可将气泡朝特定方向发射。

可控氢微泡技术的应用潜力

这项技术的发展标志着微流体装置的一个重要进步，能够实现精确的药物输送。通过精确控制气泡的生成与运动，研究人员能够在医疗应用中创造更具灵活性的解决方案。此外，这种技术的可编程性使得在不同情境下的应用变得更加可行，从而提升了医疗治疗的准确性和效率。