康奈爾大學研究人員開發可控氫微泡晶片系統 具藥物傳遞潛力

康奈爾大學的研究人員開發出一種基於晶片的系統，能夠按需創造和控制氫微氣泡。透過將氣泡導向以操控液體流動，這項技術有望在定向藥物輸送等應用上取得進展。實驗中，他們利用超聲波的力量，為置於晶片上 3 毫米區域的氣泡提供能量，以操控液體的流動。該裝置在一個電極網格上生成這些氣泡，實現了電力控制。

系統即時編程能力

新建的系統可以即時編程，研究人員現在能夠精確地在所需的時間和地點生成單個氣泡，控制其大小和數量，並以電子方式引導它們。他們能夠控制氣泡的運動，無論是單獨還是以較大羣體的形式，這使他們能夠按需引導液體的流動。根據研究人員的說法，這項技術能夠在醫療應用中發揮作用，因為它為創建可重構的微流體裝置鋪平了道路，從而實現精確的藥物輸送。「藉助這個氣泡陣列，我們可以實時控制氣泡的大小、數量和位置，因此能夠編程流動方向，」新研究的作者張志遠表示，該研究發表於《科學進展》期刊。

氣泡的大小決定了液體流動。張志遠使用在康奈爾納米尺度科學與技術設施製造的晶片，該晶片由九個小型電極排列成方形，能夠生成直徑在 10 微米至 100 微米之間的氣泡。為了創建一個氫氣泡，他通過電力分解水分子。若施加電壓的時間較長，氣泡會變得更大。在生成氣泡後，研究人員將系統暴露於聲能之中，這些超聲波使氣泡共振，產生震動並驅動周圍的液體流動。

氣泡大小與流動關係

研究人員指出，在控制液體流動時，氣泡的大小至關重要。氣泡的大小決定了所需的共振超聲頻率。適當匹配的頻率會產生強勁的液體流動。他們補充道：「氣泡的大小決定了氣泡的共振頻率。」康奈爾大學物理系教授伊泰·科亨表示：「如果你在 40 千赫的頻率下施加超聲波，而氣泡過小或過大，那麼它就不會顯著振盪。但是如果它的大小正好能在 40 千赫下共振，那麼你就會產生大量流動。」

研究表明，流動可以通過單個或多個氣泡產生。當單個氣泡調整到共振時，通過將能量轉移到相鄰的液體來創造流動。如果多個氣泡一起工作，當它們的大小相同時會產生對稱流動。實驗顯示，當氣泡大小不同時，最大的氣泡會主導流動方向。研究人員表示，通過改變氣泡的位置，也可以實現可編程的運動，將流動從左向右轉移，或通過將五個氣泡排列成 L 形來引導運動曲線。同樣，他們也可以通過改變電壓來調整流動。

他們發現，較高的電壓會在快速流動中產生一片氣泡雲。因此，他們只需打開超聲波，即可將氣泡朝特定方向發射。

可控氫微泡技術的應用潛力

這項技術的發展標誌著微流體裝置的一個重要進步，能夠實現精確的藥物輸送。透過精確控制氣泡的生成與運動，研究人員能夠在醫療應用中創造更具靈活性的解決方案。此外，這種技術的可編程性使得在不同情境下的應用變得更加可行，從而提升了醫療治療的準確性和效率。