Фильтры для вирусов в медицинской диагностике

В биомедицине и биотехнологии требуется надёжная обработка мельчайших сложных образцов. В будущем эту задачу будут эффективно решать микросистемы с новыми механизмами перекачки, фильтрации и разделения.

Современные методы обнаружения вирусов в крови человека требуют много времени и труда. Особенно сложно получить доказательства при очень низкой вирусной нагрузке, например, во время терапии.

Учёные из Института биомедицинской техники Фраунгофера (IBMT) при разработке новых микропомп без движущихся частей обнаружили неожиданный эффект: в микроканалах насоса образовались стабильные турбулентные структуры.

Нанно- и микрочастицы, которые должны были подтвердить работу насоса, в больших количествах скапливались в каналах. Вихревые структуры полностью заполняли весь микроканал, создавая практически 100%-ную ловушку для частиц, следовавших за потоком, несмотря на очень большое поперечное сечение канала.

"Возникновение вихрей — обычное явление в макромире. Однако в микроканалах линии потока почти параллельны", — объясняет Ричард Штайн из IBMT. Вопрос был в том, как из этого могут образоваться достаточно стабильные и эффективные для концентрации наночастиц вихри.

Эксперименты не позволили определить параметры для систематического управления фильтрующим эффектом. В исследуемом насосном механизме высокочастотные бегущие электрические волны проталкивают жидкость в микроканалы, накладывая множество эффектов друг на друга.

"Для понимания сложных процессов явно требовалось теоретическое описание. Моей задачей было описать удивительный феномен и сделать его управляемым", — отмечает Ричард Штайн.

В своей диссертации "Математическое моделирование, анализ и численное моделирование электротермически управляемых микропомп" ему удалось объяснить формирование вихревой структуры. Для этого он учёл все relevant процессы — электрические, тепловые и гидродинамические — в трёхмерной модели.

За эту работу Ричард Штайн получит 1-ю премию Хуго Гайгера. Содержащиеся в ней выводы полностью объясняют наблюдаемые эффекты, что теперь позволяет разрабатывать и создавать как эффективные микропомпы, так и эффективные фильтры частиц для многих биомедицинских применений.

Источник: Fraunhofer-Gesellschaft