Brug af elektriske felter til at manipulere dråber på en overflade kunne muliggøre høj volumen, billige biologiske eksperimenter

MIT-forskere har udviklet hardware, der bruger elektriske felter til at flytte dråber af kemiske eller biologiske opløsninger rundt på en overflade, blande dem på måder, der kunne bruges til at teste tusindvis af reaktioner parallelt.

Forskerne ser deres system som et alternativ til de mikrofluidiske enheder, der nu er almindeligt anvendt i biologisk forskning, hvor biologiske opløsninger pumpes gennem mikroskopiske kanaler forbundet med mekaniske ventiler. Den nye tilgang, som flytter løsninger rundt i beregningsmæssigt foreskrevne mønstre, kunne gøre det muligt at udføre eksperimenter mere effektivt, omkostningseffektivt, og i større skalaer.

"Traditionelle mikrofluidsystemer bruger rør, ventiler, og pumper, " siger Udayan Umapathi, en forsker ved MIT Media Lab, der ledede udviklingen af ​​det nye system. "Det betyder, at de er mekaniske, og de går i stykker hele tiden. Jeg bemærkede dette problem for tre år siden, da jeg var hos en syntetisk biologivirksomhed, hvor jeg byggede nogle af disse mikrofluidsystemer og mekaniske maskiner, der interagerer med dem. Jeg var nødt til at passe disse maskiner for at sikre, at de ikke eksploderede."

"Biologi bevæger sig mod mere og mere komplekse processer, og vi har brug for teknologier til at manipulere mindre og mindre volumen dråber, " siger Umapathi. "Pumper, ventiler, og rør bliver hurtigt komplicerede. I den maskine, jeg byggede, det tog mig en uge at samle 100 forbindelser. Lad os sige, at du går fra en skala på 100 forbindelser til en maskine med en million forbindelser. Du vil ikke være i stand til at samle det manuelt."

Med sit nye system, Umapathi forklarer, tusindvis af dråber kunne aflejres på overfladen af ​​hans enhed, og de ville automatisk flytte rundt for at udføre biologiske eksperimenter.

Systemet inkluderer software, der giver brugerne mulighed for at beskrive, på et højt niveau af almenhed, de eksperimenter, de ønsker at udføre. Softwaren beregner derefter automatisk dråbernes vej hen over overfladen og koordinerer timingen af ​​successive operationer.

"Operatøren specificerer kravene til eksperimentet - f.eks. reagens A og reagens B skal blandes i disse volumener og inkuberes i dette tidsrum, og derefter blandet med reagens C. Operatøren angiver ikke, hvordan dråberne flyder, eller hvor de blandes. Det hele er forudberegnet af softwaren."

Umapathi og hans medforfattere - Hiroshi Ishii, Jerome B. Wiesner professor i mediekunst og -videnskab ved MIT; Patrick Shin og Dimitris Koutentakis, MIT studerende, der arbejder i Ishiis laboratorium; og Sam Gen Chin, en Wellesley undergrad i laboratoriet – beskriv deres nye system i et papir, der vises i denne måned i onlinetidsskriftet MRS Advances.

I de seneste 10 år, andre forskningsgrupper har eksperimenteret med "digital mikrofluidik, "eller elektrisk manipulation af dråber, at udføre biologiske forsøg. Men deres chips blev fremstillet ved hjælp af avancerede ætsningsteknikker, der kræver kontrollerede miljøer kendt som rene rum. Umapathi og hans kolleger har fokuseret på at få omkostningerne ned. Deres prototype bruger et printkort, en vare elektronisk enhed, der består af en plastplade med kobberledninger afsat ovenpå.

Forskernes største tekniske udfordring var at designe en belægning til overfladen af ​​printkortet, der ville reducere friktionen, gør det muligt for dråber at glide hen over det, og det ville forhindre biologiske eller kemiske molekyler i at klæbe til det, så de ikke vil forurene fremtidige eksperimenter. Printpladen er mønstret med en række elektroder. I prototypen, forskerne belægger pladen med en meget tættere række af små kugler, kun en mikrometer høj, lavet af et hydrofobt (vandafvisende) materiale. Dråber skøjter hen over toppen af ​​kuglerne. Forskerne eksperimenterer også med andre strukturer end sfærer, som kan fungere bedre med bestemte biologiske materialer.

Fordi enhedens overflade er hydrofob, dråber aflejret oven på det forsøger naturligt at antage en sfærisk form. Opladning af en elektrode trækker dråben nedad, flad det ud. Hvis elektroden under en fladtrykt dråbe gradvist slukkes, mens elektroden ved siden af ​​gradvist tændes, det hydrofobe materiale vil drive dråben mod den ladede elektrode.

Bevægende dråber kræver høje spændinger, et sted mellem 95 og 200 volt. Men 300 gange i sekundet, en ladet elektrode i MIT-forskernes enhed veksler mellem en højspænding, lavfrekvent (1 kilohertz) signal og et 3,3 volt højfrekvent (200 kilohertz) signal. Det højfrekvente signal gør det muligt for systemet at bestemme en dråbes placering, bruger i det væsentlige den samme teknologi, som touch-screen telefoner gør.

Hvis dråben ikke bevæger sig hurtigt nok, systemet vil automatisk booste spændingen af ​​det lavfrekvente signal. Fra sensorsignalet, systemet kan også estimere en dråbes volumen, hvilken, sammen med placeringsoplysninger, gør det muligt at spore en reaktions fremskridt.

Umapathi mener, at digital mikrofluidik drastisk kan reducere omkostningerne ved eksperimentelle procedurer, der er almindelige i industriel biologi. Farmaceutiske virksomheder, for eksempel, vil ofte udføre mange eksperimenter sideløbende, ved hjælp af robotter udstyret med snesevis eller endda hundredvis af pipetter, små målerør, der ligner aflange øjendråber.

"Hvis du ser på lægemiddelopdagelsesvirksomheder, en pipetterobot bruger en million pipettespidser på en uge, " siger Umapathi. "Det er en del af det, der driver omkostningerne ved at skabe nye lægemidler. Jeg begynder at udvikle nogle væskeanalyser, der kan reducere antallet af pipetteringer 100 gange."

"I de sidste 15, 20 år, den generelle tendens inden for farma har været at bevæge sig mod mindre mængder, fordi de har større multiplekseringsevne, " siger Charles Fracchia, grundlægger og administrerende direktør for BioBright, en virksomhed, der udvikler informationssystemer til at styre det væld af data, der genereres af moderne, højvolumen biologiske eksperimenter. "Når det kommer til digital mikrofluidik, som Udayan gør det, det er faktisk en billigere version, og det er ensidigt i stedet for at være klemt mellem to elektroder. Jeg vil ikke kalde det DIY bio, men det er billigere, enklere instrumentering, lettere adgang. Han ramte bestemt den tone meget bedre end [tidligere systemer] gjorde. Det er spændende, at han har formået at gøre det med lavere spænding, og det er spændende, at han kan gøre det med en enkelt elektrode."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.