Мощь пор: высокоскоростное производство капель в микрофлюидных устройствах
Микрофлюидные устройства, производящие микрометровые капли, стали важны для химических реакций, биомолекулярного анализа, химии мягкого вещества и производства тонких материалов. Однако традиционный метод генерации капель в одном микроскопическом канале часто медленный.
В исследовании, опубликованном 21 января 2024 года в журнале Lab on a Chip, группа под руководством доцента Масуми Ямады представила систему, использующую пористые структуры «обратных коллоидных кристаллов» (inverse colloidal crystal, ICC) для резкого повышения эффективности.
«Мы предположили, что высокоэффективное формирование капель может быть возможно с использованием многочисленных микропор на поверхности структуры ICC в качестве сопел. Однако, насколько нам известно, ни одно исследование не сообщало об интеграции структур обратных коллоидных кристаллов в микрофлюидные каналы и их применении для высокоэффективного формирования капель. Поэтому мы решили разработать новую технику микрофабрикации для интеграции этих структур», — подчеркивает доктор Ямада.
Губчатые ICC-структуры, интегрированные с плоскими микроскопическими каналами, функционировали как крошечные сопла, производя капли примерно в 1000 раз быстрее, чем традиционные устройства. Размер капель можно было изменять, регулируя поток жидкостей, их свойства и размер микропор.
Этим методом также были получены отдельные микрометровые частицы из натуральных биополимеров, таких как полисахариды и белки. Этот подход улучшает существующую концепцию микрофлюидики капель, увеличивая скорость их формирования и упрощая процесс создания и эксплуатации.
Улучшенная эффективность и контроль ожидают широкого применения метода в различных областях:
- Медицина, пищевая промышленность, косметика
- Специализированные чернила и краски
- Матрицы для просеивания в биосепарации
- Создание функциональных частиц для дисплеев и полупроводников
«Микрокапли, биополимерные частицы и везикулы, изготовленные из них как каркасы, широко используются для медицинских применений, таких как разработка лекарств и регенеративная медицина. Кроме того, этот метод ожидает применения для производства различных веществ, включая носители для контролируемой доставки лекарств, каркасы для культивирования клеток, реагенты для трансформации клеток, носители антигенов в клеточной иммунотерапии и функциональные микрочастицы для диагностики», — предполагает доктор Ямада.
Исследователи разработали метод сверхбыстрого формирования капель, интегрировав трёхмерные ICC-структуры в традиционные плоские микроскопические каналы. Применение этой техники для производства материалов разнообразного назначения может продвинуть технологии, улучшающие качество жизни.