Команда модифицировала простой микрофлюидный канал с помощью массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок — свернутых решеток из атомов углерода, которые напоминают крошечные трубочки из проволочной сетки. Исследователи ранее изобрели метод установки углеродных нанотрубок на концах, как деревья в лесу.
С помощью этого метода они создали трехмерный массив проницаемых углеродных нанотрубок внутри микрофлюидного устройства, через которое может течь жидкость.Теперь, в исследовании, опубликованном в Journal of Microengineering and Nanotechnology, исследователи дали массиву нанотрубок способность улавливать определенные частицы. Для этого ученые покрыли массив слой за слоем полимерами с переменным электрическим зарядом.
«Вы можете представить себе каждую нанотрубку в лесу, концентрически покрытую различными слоями полимера», — говорит Брайан Уордл, профессор аэронавтики и космонавтики Массачусетского технологического института. «Если нарисовать его в разрезе, это будет похоже на кольца на дереве».В зависимости от количества нанесенных слоев исследователи могут создавать более толстые или более тонкие нанотрубки и, таким образом, настраивать пористость леса для захвата более или менее представляющих интерес частиц.Полимерное покрытие нанотрубок также можно подвергнуть химическим манипуляциям, чтобы связать определенные биочастицы, протекающие через лес.
Чтобы проверить эту идею, исследователи применили установленную технику для обработки поверхности нанотрубок антителами, которые связываются со специфическим антигеном простаты (PSA), общей экспериментальной мишенью. Матрицы с полимерным покрытием захватили на 40 процентов больше антигенов по сравнению с матрицами без полимерного покрытия.
Уордл говорит, что сочетание углеродных нанотрубок и многослойных покрытий может помочь точно настроить микрофлюидные устройства для улавливания чрезвычайно мелких и редких частиц, таких как определенные вирусы и белки.«Существуют более мелкие биочастицы, которые содержат очень большой объем информации, к которой у нас в настоящее время нет возможности получить доступ в устройствах для медицинского тестирования, таких как микрожидкостные чипы», — говорит Уордл, соавтор бумага. «Массивы углеродных нанотрубок на самом деле могут быть платформой, которая может нацеливаться на биочастицы такого размера».
Ведущим автором статьи является Эллисон Йост, бывшая аспирантка, которая в настоящее время работает инженером в Accion Systems. Среди других фигурантов статьи — аспирант Сетарех Шахсавари; постдок Роберта Полак; Школа инженерии, профессор преподавания инноваций Гарет МакКинли; профессор материаловедения и инженерии Майкл Рубнер, Раймонд А. и Хелен Е. Сен-Лоран, профессор химического машиностроения Роберт Коэн.
Пористый лесУглеродные нанотрубки были предметом интенсивных научных исследований, поскольку они обладают исключительными электрическими, механическими и оптическими свойствами. Хотя их использование в микрофлюидике не было хорошо изучено, Уордл говорит, что углеродные нанотрубки являются идеальной платформой, потому что их свойствами можно манипулировать для привлечения определенных молекул нанометрового размера. Кроме того, углеродные нанотрубки на 99 процентов пористы, что означает, что нанотрубка состоит примерно на 1 процент углерода и 99 процентов воздуха.
«Это то, что вам нужно», — говорит Уордл. «Вам нужно пропустить через этот материал некоторое количество жидкости, чтобы сбросить все миллионы частиц, которые вы не хотите находить, и схватить ту, которую вы действительно хотите найти».Более того, говорит Уордл, трехмерный лес углеродных нанотрубок обеспечит гораздо большую площадь поверхности, на которой могут взаимодействовать целевые молекулы, по сравнению с двумерными поверхностями в традиционной микрофлюидике.«Эффективность захвата будет зависеть от площади поверхности», — отмечает Уордл.
Универсальный массивКоманда интегрировала трехмерный массив углеродных нанотрубок в микрожидкостное устройство, используя химическое осаждение из паровой фазы и фотолитографию для выращивания и создания рисунка углеродных нанотрубок на кремниевых пластинах. Затем они сгруппировали нанотрубки в цилиндрический лес размером около 50 микрометров в высоту и 1 миллиметр в ширину и центрировали массив внутри микрофлюидного канала шириной 3 миллиметра и длиной 7 миллиметров.Исследователи покрыли нанотрубки последовательными слоями из растворов полимеров, заряженных поочередно, чтобы создать четкие связывающие слои вокруг каждой нанотрубки.
Для этого они пропустили каждый раствор через канал и обнаружили, что могут создать более однородное покрытие с зазором между вершиной леса нанотрубок и крышей канала. Такой зазор позволял растворам перетекать, а затем спускаться в лес, покрывая каждую отдельную нанотрубку. При отсутствии зазора растворы просто текли по лесу, покрывая только внешние нанотрубки.
Покрыв массив нанотрубок слоями раствора полимера, исследователи продемонстрировали, что массив можно подготовить для обнаружения данной молекулы, обработав ее антителами, которые обычно связываются со специфическим антигеном простаты (PSA). Они накачали раствор, содержащий небольшое количество ПСА, и обнаружили, что массив эффективно захватывает антиген по всему лесу, а не только на внешней поверхности типичного микрофлюидного элемента.
Уордл говорит, что массив нанотрубок чрезвычайно универсален, поскольку с углеродными нанотрубками можно манипулировать механически, электрически и оптически, в то время как полимерные покрытия могут быть изменены химически для захвата широкого диапазона частиц. Он говорит, что непосредственной целью могут быть биомаркеры, называемые экзосомами, которые имеют ширину менее 100 нанометров и могут быть важными сигналами прогрессирования заболевания.
«Наука действительно улавливает, сколько информации содержат эти частицы, и они вроде бы повсюду, но их действительно трудно найти даже с помощью крупномасштабного оборудования», — говорит Уордл. «Этот тип устройства на самом деле обладает всеми характеристиками и функциональностью, которые позволят вам работать с биочастицами, такими как экзосомы, и вещами, которые действительно имеют нанометровый масштаб».