Druppelmanipulatie in materiaalkunde kan bijdragen aan wateropvang, medische diagnostiek en medicijnafgiftetechnieken. Hoewel op structuur gebaseerde vloeibare bewerkingen veel worden gebruikt in de natuur en in bio-geïnspireerde kunstmatige materialen, laboratoriumstrategieën zijn afhankelijk van vaste structuren voor unidirectionele waterbeweging. In een nieuwe studie over wetenschappelijke vooruitgang , Een Li en een onderzoeksteam in het Institute of Chemistry en de University of Chinese Academy of Sciences in China stelden voor om een ​​magnetisch aangedreven robot te ontwikkelen. Het construct had verstelbare structuren om weerstandskrachten te verdelen en druppelgedrag te bepalen. De robot kan transporteren, splitsen, laat druppels los en roteer ze voor universele toepassingen in verschillende velden en ruwe omgevingen. De nieuwe bevindingen bieden een efficiënte strategie voor geautomatiseerde druppelmanipulatie.

In dit werk, Li et al. gebruikte betrouwbare methoden om druppels te manipuleren met behulp van een magnetisch aangedreven robot met stalen kralen in een programmeerbaar magnetisch veld. De wetenschappers controleerden de structuur van de robot door het magnetische veld aan te passen. De gedifferentieerde robotstructuren leidden tot verschillende combinaties van druppelgedrag, waaronder splitsen, uitgave, rotatie en transport. De robot is universeel toepasbaar op verschillende vloeistoffen waaronder water, olie en gas. Li et al. ondersteunde robotbediening in beperkte ruimtes, op oneffen oppervlakken en zelfs onder watervrije of anaërobe omstandigheden. Het werk heeft een groot potentieel voor materiaaltransport, microfabricage en in de klinische geneeskunde.

In-lab druppelmanipulatie is geïnspireerd door de natuur. Bijvoorbeeld, planten en dieren hebben systemen voor het opvangen van mist getoond in cactussen, waterverzameling op spinzijde en beïnvloedde het gedrag van de Namib Desert-kever om water te verzamelen en te verplaatsen. De asymmetrische en intrinsieke structuur voor het verzamelen van watermonsters kan een Laplace-drukgradiënt in de druppels veroorzaken, beweging in een vooraf ingestelde richting veroorzaken. Onderzoekers kunnen verschillende externe strategieën gebruiken, waaronder elektriciteit, magneten, akoestiek en bevochtigende oppervlakken om hun beweging te activeren. Van deze, magnetische kracht heeft het voordeel van actie op lange afstand, veiligheid en bedieningsgemak. Onderzoekers hadden magnetische deeltjes gebruikt om waterdruppels over hydrofobe of van patronen voorziene oppervlakken en over magnetisch responsieve materialen te slepen.

Li et al. noemde de twee stalen kralen in het magnetische controlesysteem de 'robot' en kleurde de waterdruppels met voedseladditieven om verschillende modi van bediening duidelijk te identificeren. De hydrofiele (waterminnende) robot ving de druppel gemakkelijk op bij contact. Het onderzoeksteam bracht de druppel over en paste de structuur aan om een ​​dochterdruppel te splitsen of de druppel vrij te geven door de afstand tussen de kralen te verkleinen of te vergroten. Het proces was voornamelijk gebaseerd op de robotstructuur waar het volume (V) het resultaat beïnvloedde. Li et al. kwantificeerde de structuur van de robot met behulp van de hart-op-hart afstand van de kralen tot de diameter (D/d). Bijvoorbeeld, een robot met een D/d-verhouding van 1,67 zou een druppel water van 150 µL kunnen transporteren. Echter, als de druppel vergroot tot 350 µL, het zou splitsen. Om dit te begrijpen, ze analyseerden mechanisch het hele systeem en bepaalden vervolgens dat de drijvende kracht achter het apparaat de adhesie tussen de kraal en de druppel was.

Na het beheersen van de waterdruppel in de lucht, het team onderzocht de robot onder verschillende omstandigheden, waaronder verschillende atmosferen. Bijvoorbeeld, ze sleepten een druppel omhoog of omlaag om de zwaartekracht en de adhesiekrachten tussen verschillende druppeltjes en het substraat te overwinnen. Dergelijke apparaten hebben toepassingen in beperkte ruimtes, zoals dozen en buizen die van vitaal belang zijn in microfluïdica en klinische geneeskunde. Lossless transport en nauwkeurige reagenscontrole zijn van vitaal belang voor kwantitatieve chemische microreacties die veel worden gebruikt in de analytische chemie, diagnostiek en biotechnologie. Bijvoorbeeld, Li et al. opeenvolgende zuur-base neutralisatiereacties uitgevoerd via programmeerbare druppelmanipulatie van de robot, om een ​​dochterdruppel te splitsen en over te brengen om een ​​neutrale druppel te vormen. De robots boden een veelzijdige route om druppeltjes automatisch te controleren op microreacties met behulp van precieze hoeveelheden reagens die typisch giftig zijn, radioactief of explosief van aard.

De onderzoekswetenschappers simuleerden vervolgens biomedische processen in het laboratorium om het potentieel van de robot te verkennen tijdens in vivo medische toepassingen. Ze simuleerden eerst stenen of minerale afzettingen in organen zoals nieren en galblaas, die over het algemeen intact blijven vanwege structurele limieten die hun chirurgische verwijdering verhinderen. Met behulp van de microrobot, ze sleepten een medicijndruppel op de gesimuleerde stenen naar de stenen voor gemakkelijke verzameling en verwijdering (op basis van de compatibiliteit tussen de twee oppervlakken). In het volgende experiment, ze toonden het potentieel van de robot om bloedvaten te verwijderen of te reinigen door een overdaad aan cholesterol op te bouwen in kransslagaders - weergegeven met een buis gevuld met water. Ze vervoerden de medicijndruppels om de gesimuleerde plaque te vangen en losten het medicijn op voor verwijdering door de robot. De innovatieve methoden kunnen veelzijdige functies hebben voor in vivo medische toepassingen.

Op deze manier, Een Li en collega's stelden een eenvoudige en algemene strategie voor om druppeltjes te manipuleren met behulp van een magnetisch aangedreven robot gemaakt van twee stalen kralen. Ze bestuurden de structuur met behulp van een magnetisch veld dat de verdeling van weerstandskrachten aan de voor- en achtersegmenten van de druppel regelde. Ze realiseerden meerdere gedragingen voor de druppeltjes, waaronder transport, splitsen, loslaten en draaien. Naast het manipuleren van waterdruppels in de lucht, de robot toonde belofte om complexe vloeistoffen zoals olie, water-in-olie en gas-in-water. De stalen kralen toonden manoeuvreerbaarheid van de druppels in beperkte ruimtes, inclusief giftige en radioactieve omgevingen. Het werk heeft een aanzienlijk potentieel op het gebied van de fabricage van apparaten, detectie en bioassay, evenals in de geneeskunde in vivo. Het team voorziet verdere optimalisaties van het systeem om kleinere druppelmanipulatie op nano- en picoliterschaal mogelijk te maken met verbeterde biocompatibiliteit.

© 2020 Wetenschap X Netwerk