«Эти насосы обеспечивают точный контроль над скоростью потока без помощи внешнего источника питания и способны включаться в ответ на определенные химические вещества в растворе», — сказал Аюсман Сен, заслуженный профессор химии Пенсильванского университета. «Они также могут оставаться жизнеспособными и способны включаться даже после длительного хранения». Сен и аспирант штата Пенсильвания Исамар Ортис провели эксперименты исследовательской группы, которые показали, что «простые реакции, запускаемые ферментами, могут быть использованы для объединения датчиков и перекачки жидкости в единые немеханические, автономные, нано / микромасштабные насосы, которые точно регулируют поток. — сказал Сен, который также сделал первое открытие ферментных насосов.
Возможные варианты использования микронасосов для ферментов с автономным питанием включают обнаружение веществ, перемещение частиц для создания небольших структур и доставку лекарств. «Одно из возможных применений — это высвобождение инсулина для пациента с диабетом из резервуара со скоростью, пропорциональной концентрации глюкозы в крови человека», — сказал Сен. «Другим примером является ферментный насос, который приводится в действие нервными токсинами для высвобождения антидота для обеззараживания и лечения человека, подвергшегося воздействию. Кроме того, поскольку ферментные насосы могут перекачивать частицы, взвешенные в жидкости, также должна быть возможность использовать их для сборки или разбирать небольшие конструкции в определенных местах с помощью направленной откачки ».Анна С. Балаш, заслуженный профессор химической и нефтегазовой инженерии инженерной школы Питта Свонсона, которая вместе с научным сотрудником докторской степени Генри Шамом разработала вычислительное моделирование группы для этого исследования, сказала: «Мелкомасштабный химический синтез и анализ обычно происходят в жидкости: заполнены камеры и требуют наблюдения и вмешательства. В идеале вы бы предпочли, чтобы процесс был как можно более автономным ».
Шум объяснил: «Химическая реакция вызывает изменение плотности жидкости, что приводит к течению жидкости. Она создает химио-механическое преобразование, которое является прекрасным примером химической энергии, создающей механическое действие, во многом таким же образом, как и химическая энергия. человеческое тело преобразует химическую энергию пищи в движение ". Шум изучил факторы, вызывающие изменения плотности в ферментативных реакциях, и разработал математическую модель, которая позволила ему составить карту диапазона параметров, при котором жидкость могла двигаться в разных направлениях в разное время.Эксперименты Ортиса с ферментом уреаза в Пенсильванском университете согласуются с моделями, проведенными в Питте.
В отличие от других ферментов, которые всегда перекачивают жидкость в одном и том же направлении, фермент уреаза генерирует неожиданный режим потока, при этом направление потока меняется с течением времени и в пространстве. Получающаяся в результате сеть химических реакций аналогична электрической системе в компьютере. Поскольку каждый фермент будет вести себя по-разному, многоступенчатая химическая реакция может быть «запрограммирована» в эксперимент, где каждый шаг генерирует поток, определяемый действием определенного фермента. «Подобно диснеевскому« Ученику чародея », где вы могли щелкнуть пальцами и использовать швабры и метлы для уборки вашей комнаты, это желание ученого создать системы, которые будут работать автономно и управляемо», — сказал Балаш.Еще более сложное поведение можно создать, используя разные ферменты, размещенные в разных местах, чтобы создать динамический каскад событий.
Ортис сказал: «Ферментные насосы с автономным приводом могут использоваться как саморегулирующиеся, активные, реагирующие на раздражители средства доставки».