MIT-onderzoekers hebben hardware ontwikkeld die elektrische velden gebruikt om druppeltjes van chemische of biologische oplossingen over een oppervlak te verplaatsen, door ze te mengen op manieren die kunnen worden gebruikt om duizenden reacties parallel te testen.

De onderzoekers beschouwen hun systeem als een alternatief voor de microfluïdische apparaten die nu vaak worden gebruikt in biologisch onderzoek, waarin biologische oplossingen worden gepompt door microscopisch kleine kanalen verbonden door mechanische kleppen. De nieuwe aanpak, die oplossingen beweegt in computationeel voorgeschreven patronen, kunnen experimenten efficiënter worden uitgevoerd, kosteneffectief, en op grotere schaal.

"Traditionele microfluïdische systemen gebruiken buizen, kleppen, en pompen, " zegt Udayan Umapathi, een onderzoeker bij het MIT Media Lab, die de ontwikkeling van het nieuwe systeem leidde. "Wat dit betekent is dat ze mechanisch zijn, en ze gaan de hele tijd kapot. Ik merkte dit probleem drie jaar geleden op, toen ik bij een bedrijf in synthetische biologie werkte, waar ik enkele van deze microfluïdische systemen en mechanische machines bouwde die ermee in wisselwerking stonden. Ik moest op deze machines passen om ervoor te zorgen dat ze niet ontploften."

"Biologie beweegt zich in de richting van steeds complexere processen, en we hebben technologieën nodig om druppeltjes met kleinere en kleinere volumes te manipuleren, " zegt Umapathi. "Pompen, kleppen, en buizen worden al snel ingewikkeld. In de machine die ik heb gebouwd, het kostte me een week om 100 verbindingen te monteren. Laten we zeggen dat je van een schaal van 100 verbindingen naar een machine gaat met een miljoen verbindingen. Dat ga je niet handmatig in elkaar kunnen zetten."

Met zijn nieuwe systeem Umapathi legt uit, duizenden druppels kunnen op het oppervlak van zijn apparaat worden afgezet, en ze zouden zich automatisch verplaatsen om biologische experimenten uit te voeren.

Het systeem bevat software waarmee gebruikers kunnen beschrijven, op een hoog niveau van algemeenheid, de experimenten die ze willen uitvoeren. De software berekent vervolgens automatisch de paden van druppeltjes over het oppervlak en coördineert de timing van opeenvolgende operaties.

"De operator specificeert de vereisten voor het experiment, bijvoorbeeld reagens A en reagens B moeten in deze volumes worden gemengd en gedurende deze tijd worden geïncubeerd, en vervolgens gemengd met reagens C. De operator specificeert niet hoe de druppeltjes stromen of waar ze zich vermengen. Het is allemaal voorberekend door de software."

Umapathi en zijn co-auteurs - Hiroshi Ishii, de Jerome B. Wiesner hoogleraar Media Arts and Sciences aan het MIT; Patrick Shin en Dimitris Koutentakis, MIT-studenten werken in het laboratorium van Ishii; en Sam Gen Chin, een Wellesley-student in het laboratorium - beschrijf hun nieuwe systeem in een artikel dat deze maand verschijnt in het online tijdschrift MRS Advances.

In de afgelopen 10 jaar, andere onderzoeksgroepen hebben geëxperimenteerd met "digitale microfluïdica, " of elektrische manipulatie van druppeltjes, biologische experimenten uit te voeren. Maar hun chips werden vervaardigd met behulp van hoogwaardige etstechnieken die gecontroleerde omgevingen vereisen die bekend staan ​​als cleanrooms. Umapathi en zijn collega's hebben zich gericht op het verlagen van de kosten. Hun prototype maakt gebruik van een printplaat, een standaard elektronisch apparaat dat bestaat uit een plastic bord met daarop koperen bedrading.

De belangrijkste technische uitdaging van de onderzoekers was het ontwerpen van een coating voor het oppervlak van de printplaat die wrijving zou verminderen, waardoor druppeltjes eroverheen kunnen schuiven, en dat zou voorkomen dat biologische of chemische moleculen eraan blijven plakken, zodat ze toekomstige experimenten niet besmetten. De printplaat is voorzien van een patroon met een reeks elektroden. In het prototype is de onderzoekers bedekken het bord met een veel dichtere reeks kleine bollen, slechts een micrometer hoog, gemaakt van een hydrofoob (waterafstotend) materiaal. Druppels schaatsen over de toppen van de bollen. De onderzoekers experimenteren ook met andere structuren dan bollen, die mogelijk beter werken met bepaalde biologische materialen.

Omdat het oppervlak van het apparaat hydrofoob is, druppeltjes die erop worden afgezet, proberen natuurlijk een bolvorm aan te nemen. Het opladen van een elektrode trekt de druppel naar beneden, het uitvlakken. Als de elektrode onder een afgeplatte druppel geleidelijk wordt uitgeschakeld, terwijl de elektrode ernaast geleidelijk wordt ingeschakeld, het hydrofobe materiaal zal de druppel naar de geladen elektrode drijven.

Bewegende druppels vereisen hoge spanningen, ergens tussen 95 en 200 volt. Maar 300 keer per seconde, een geladen elektrode in het apparaat van de MIT-onderzoeker wisselt af tussen een hoogspanning, laagfrequent (1 kilohertz) signaal en een 3,3 volt hoogfrequent (200 kilohertz) signaal. Het hoogfrequente signaal stelt het systeem in staat om de locatie van een druppel te bepalen, in wezen dezelfde technologie gebruiken als telefoons met aanraakscherm.

Als de druppel niet snel genoeg beweegt, het systeem verhoogt automatisch de spanning van het laagfrequente signaal. Van het sensorsignaal, het systeem kan ook het volume van een druppel schatten, die, samen met locatiegegevens, stelt het in staat om de voortgang van een reactie te volgen.

Umapathi is van mening dat digitale microfluïdica de kosten van experimentele procedures die gebruikelijk zijn in de industriële biologie drastisch kunnen verlagen. Farmaceutische bedrijven, bijvoorbeeld, zullen vaak veel experimenten parallel uitvoeren, met behulp van robots die zijn uitgerust met tientallen of zelfs honderden pipetten, kleine meetbuisjes die een beetje lijken op langwerpige oogdruppelaars.

"Als je kijkt naar bedrijven die geneesmiddelen ontdekken, één pipetteerrobot gebruikt een miljoen pipettips in één week, " zegt Umapathi. "Dat maakt deel uit van wat de kosten van het creëren van nieuwe medicijnen drijft. Ik begin een aantal vloeistoftesten te ontwikkelen die het aantal pipetteerhandelingen 100 keer kunnen verminderen."

"In de laatste 15 20 jaar, de algemene trend in de farma is om naar kleinere volumes te gaan, omdat ze een groter multiplexvermogen hebben, " zegt Charles Fracchia, oprichter en CEO van BioBright, een bedrijf dat informatiesystemen ontwikkelt om de schat aan gegevens te beheren die door moderne, grootschalige biologische experimenten. "Als het gaat om digitale microfluïdica zoals Udayan het doet, het is in feite een goedkopere versie, en het is eenzijdig in plaats van ingeklemd tussen twee elektroden. Ik wil het geen DIY-bio noemen, maar het is goedkoper, eenvoudiger instrumentatie, gemakkelijker toegang. Hij raakte die noot zeker een stuk beter dan [eerdere systemen]. Het is opwindend dat hij het voor elkaar heeft gekregen met een lagere spanning, en het is opwindend dat hij het kan doen met een enkele elektrode."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.