Сбор крошечных капель для биомедицинского анализа и не только. При одном чихании или кашле до 40 000 крошечных капель принудительно выбрасываются изо рта и носа в воздух. Исследователи из Городского университета Гонконга (CityU) недавно разработали метод сбора таких микрокапель, которые могут способствовать применению в обнаружении болезнетворных бактерий и предотвращении распространения заболевания.

Исследование под названием «Направленная перекачка водных и масляных микрокапель на скользкой поверхности», под руководством доктора Яо Си, доцента кафедры биомедицинских наук в CityU, было недавно опубликовано в трудах Национальной академии наук (PNAS).

Перемещение микрокапель на масляной и водной основе без внешнего воздействия контролируемым образом может быть очень полезным при сборе воды и биомедицинском анализе. Но это довольно сложно с микро-капельками. «Капли в микрометровом масштабе (одна миллионная часть метра) имеют свойства, совершенно отличные от более крупных аналогов, таких как слезинки. Их крошечный размер и легкий вес означают, что нормальное притяжение незначительно при их перемещении», – объясняет доктор Яо.

Были и другие попытки собрать микрокапельки. Тем не менее, сделать это контролируемым образом или переместить одну каплю в определенном направлении, остается проблемой для ученых.

Сила, позволяющая насекомым ходить по поверхности воды

Но инновационная стратегия команды по транспортировке микрокапель была основана на явлениях, использующих капиллярное действие, наблюдаемое в природе. Капиллярная сила важна для транспорта воды и питательных веществ в растениях. Некоторые водные насекомые также используют капиллярную силу, чтобы перемещаться с поверхности воды на берег.

Капиллярное действие – это движение жидкости внутри узкой трубки из-за поверхностного натяжения и адгезионных сил между молекулами жидкости и трубкой. Например, при исследовании трубки с лупой обнаруживается мениск – кривая на верхней поверхности воды рядом с поверхностью трубки из-за капиллярной силы. Кроме того, капиллярное воздействие может воздействовать на мениск, чтобы поднять жидкость вверх по трубке без помощи внешних сил, таких как гравитация, или против них.

Внутри лаборатории команда доктора Яо использовала капиллярную силу для направленной транспортировки микро-капель на скользкой поверхности. При нанесении тонкого слоя силиконового масла на поверхность, покрытую мини-точками из гидрогеля, вокруг точек образуются мениски. Когда на поверхность распыляли аэрозольные микрокапельки, капельки перемещались к точкам из-за капиллярной силы. 

Применимо к различным жидкостям

Эта стратегия имеет несколько преимуществ. Команда доктора Яо нашла, что это применимо ко всем жидким каплям, включая воду и масло, которые не смешиваются с настоянным маслом. Сила капиллярной силы определяется длиной мениска. Таким образом, эффективный диапазон расстояний для микрокапель может быть оценен. Кроме того, движение является непрерывным и нет риска насыщения. Пока капли находятся в пределах эффективного диапазона расстояний, все они будут собраны соответствующим образом.

Более того, эта стратегия, в отличие от предыдущих попыток, хорошо работает только с одной микрокапелью, которая помогает идентифицировать механизм движения.

Низкая стоимость изготовления, широкий выбор производственных материалов и совместимость с каплями жидкости могут проложить путь для практических применений, включая сбор тумана, сбор воды, теплообменники, микрофлюидику и биомедицинский анализ или даже уничтожение бактерий.

Потенциальные биомедицинские приложения

В своем исследовании команда доктора Яо использовала капли, содержащие бактерии E. coli или S. aureus, чтобы продемонстрировать потенциальное применение. Они обнаружили, что после сбора в точках гидрогеля было легче обнаружить бактерии в капельках, которые не могли быть легко обнаружены в их иначе рассеянной форме.

Доктор Яо говорит: «Мы могли бы применить эту простую, но надежную технологию, чтобы помочь идентифицировать болезнетворные бактерии в замкнутом пространстве. Или, если пойти еще дальше, представьте, могли бы мы убить эти бактерии, предварительно введя биоциды в собирающуюся точку гидрогеля. В густонаселенных районах будет очень практично предотвращать распространение инфекционных заболеваний».

По материалам phys.org