Lydbølger driver nye fremskridt inden for medicinafgivelse og smarte materialer

Forskere har afsløret, hvordan højfrekvente lydbølger kan bruges til at bygge nye materialer, lave smarte nanopartikler og endda levere medicin til lungerne for smertefrit, nålefri vaccinationer.

Mens lydbølger har været en del af videnskab og medicin i årtier - ultralyd blev først brugt til klinisk billeddannelse i 1942 og til at drive kemiske reaktioner i 1980'erne - har teknologierne altid været afhængige af lave frekvenser.

Nu forskere ved RMIT University i Melbourne, Australien, har vist, hvordan højfrekvente lydbølger kunne revolutionere området for ultralydsdrevet kemi.

En ny anmeldelse offentliggjort i Avanceret Videnskab afslører de bizarre virkninger af disse lydbølger på materialer og celler, såsom molekyler, der tilsyneladende spontant bestiller sig selv efter at være blevet ramt med den soniske ækvivalent til en sættevogn.

Forskerne beskriver også forskellige spændende anvendelser af deres pionerarbejde, inklusive:

• Lægemiddellevering til lungerne — patenteret forstøvningsteknologi, der kunne levere livreddende lægemidler og vacciner ved inhalation, snarere end gennem injektioner
• Lægemiddelbeskyttende nanopartikler —indkapsling af lægemidler i særlige nano-coatings for at beskytte dem mod forringelse, kontrollere deres frigivelse over tid og sikre, at de præcist målretter mod de rigtige steder i kroppen som tumorer eller infektioner
• Banebrydende smarte materialer — bæredygtig produktion af superporøse nanomaterialer, der kan bruges til at opbevare, adskille, frigøre, beskytte næsten alt
• Nano-fremstilling 2-D materialer -præcis, omkostningseffektiv og hurtig eksfoliering af atomisk tynde kvanteprikker og nanoark

Ledende forsker Den fremtrædende professor Leslie Yeo og hans team har brugt over et årti på at forske i samspillet mellem lydbølger ved frekvenser over 10 MHz med forskellige materialer.

Men Yeo siger, at de først nu begynder at forstå rækken af ​​mærkelige fænomener, de ofte observerer i laboratoriet.

"Når vi kobler højfrekvente lydbølger til væsker, materialer og celler, virkningerne er ekstraordinære, " han siger.

"Vi har udnyttet kraften i disse lydbølger til at udvikle innovative biomedicinske teknologier og til at syntetisere avancerede materialer.

"Men vores opdagelser har også ændret vores grundlæggende forståelse af ultralydsdrevet kemi - og afsløret, hvor lidt vi egentlig ved.

"At prøve at forklare videnskaben om, hvad vi ser og derefter anvende det til at løse praktiske problemer er en stor og spændende udfordring."

Sonic waves:Sådan driver du kemi med lyd

RMIT forskerhold, som omfatter Dr. Amgad Rezk, Dr. Heba Ahmed og Dr. Shwathy Ramesan, genererer højfrekvente lydbølger på en mikrochip for præcist at manipulere væsker eller materialer.

Ultralyd har længe været brugt ved lave frekvenser - omkring 10 kHz til 3 MHz - til at drive kemiske reaktioner, et felt kendt som "sonokemi".

Ved disse lave frekvenser, sonokemiske reaktioner er drevet af den voldsomme implosion af luftbobler.

denne proces, kendt som kavitation, resulterer i enorme tryk og ultrahøje temperaturer - som en lillebitte og ekstremt lokaliseret trykkoger.

Men det viser sig, at hvis du øger frekvensen, disse reaktioner ændrer sig fuldstændigt.

Når højfrekvente lydbølger blev transmitteret til forskellige materialer og celler, forskerne så adfærd, der aldrig var blevet observeret med lavfrekvent ultralyd.

"Vi har set selvordnede molekyler, der ser ud til at orientere sig i krystallen i retning af lydbølgerne, " siger Yeo.

"De involverede lydbølgelængder kan være over 100, 000 gange større end et individuelt molekyle, så det er utroligt forvirrende, hvordan noget så lille kan manipuleres præcist med noget så stort.

"Det er som at køre en lastbil gennem en tilfældig spredning af legoklodser, så finder de brikker stablet pænt oven på hinanden - det burde ikke ske!"

Biomedicinske fremskridt

Mens lavfrekvent kavitation ofte kan ødelægge molekyler og celler, de forbliver for det meste intakte under de højfrekvente lydbølger.

Dette gør dem skånsomme nok til at bruge i biomedicinske anordninger til at manipulere biomolekyler og celler uden at påvirke deres integritet - grundlaget for de forskellige lægemiddelleveringsteknologier, der er patenteret af RMIT-forskerholdet.

En af disse patenterede enheder er en billig, let og bærbar avanceret forstøver, der præcist kan levere store molekyler såsom DNA og antistoffer, i modsætning til eksisterende forstøvere.

Dette åbner muligheden for smertefri, nålefri vaccinationer og behandlinger.

Nebulisatoren bruger højfrekvente lydbølger til at excitere overfladen af ​​væsken eller lægemidlet, genererer en fin tåge, der kan levere større biologiske molekyler direkte til lungerne.

Nebulisatorteknologien kan også bruges til at indkapsle et lægemiddel i beskyttende polymernanopartikler, i en et-trins proces, der samler nano-fremstilling og lægemiddellevering.

Ud over, forskerne har vist at bestråle celler med højfrekvente lydbølger gør det muligt at indsætte terapeutiske molekyler i cellerne uden at beskadige dem, en teknik, der kan bruges i nye cellebaserede terapier.

Smarte materialer

Holdet har brugt lydbølgerne til at drive krystallisering til bæredygtig produktion af metal-organiske rammer, eller MOF'er.

Forudsagt at være det afgørende materiale i det 21. århundrede, MOF'er er ideelle til at registrere og fange stoffer i små koncentrationer, at rense vand eller luft, og kan også indeholde store mængder energi, for at lave bedre batterier og energilagringsenheder.

Mens den konventionelle proces til fremstilling af en MOF kan tage timer eller dage og kræver brug af skrappe opløsningsmidler eller intensive energiprocesser, RMIT-teamet har udviklet en ren, lydbølgedrevet teknik, der kan producere en tilpasset MOF på få minutter og let kan skaleres op til effektiv masseproduktion.

Lydbølger kan også bruges til nano-fremstilling af 2-D materialer, som bruges i utallige anvendelser fra fleksible elektriske kredsløb til solceller.

Opskalering og skubbe grænser

De næste skridt for RMIT-teamet er fokuseret på at skalere teknologien op.

Til en lav pris på kun 0,70 USD pr. enhed, de lydbølgegenererende mikrochips kan fremstilles ved hjælp af standardprocesserne til massefremstilling af siliciumchips til computere.

"Dette åbner muligheden for at producere industrielle mængder af materialer med disse lydbølger gennem massiv parallelisering - ved at bruge tusindvis af vores chips samtidigt, " sagde Yeo.

Holdet på Micro/Nanophysics Research Laboratory, på RMIT's School of Engineering, er en af ​​få forskningsgrupper i verden, der samler højfrekvente lydbølger, mikrofluidik og materialer.

Yeo siger, at forskningen udfordrer langvarige fysikteorier, åbning af et nyt felt af "højfrekvent excitation" parallelt med sonokemi.

"De klassiske teorier etableret siden midten af ​​1800-tallet forklarer ikke altid den mærkelige og nogle gange modstridende adfærd, vi ser - vi skubber grænserne for vores forståelse."