نانو حباب‌ ها مسیری را برای ساخت دستگاه‌ های پزشکی بهتر فراهم می ‌کنند

محققان انستیتو  نانو دانشگاه سیدنی و دانشکده شیمی این دانشگاه نشان داده‌ اند که حباب‌ های کوچک گاز – نانو حباب‌ هایی با ارتفاع تنها 100 میلیاردم متر - در موقعیت‌ های غیر منتظره بر روی سطوح شکل می‌ گیرند و به این ترتیب راهی جدید برای کاهش نیروی کشش در دستگاه ‌های مقیاس کوچک ارائه می ‌کنند.

تمام افرادی که در آزمایشگاه ها فعالیت می کنند، با دستگاه حمام اولتراسونیک آشنایی دارند. حمام اولتراسونیک ملموس ترین مثال برای نشان دادن نانو حباب ها است. به طوری که امواج صوتی باعث ایجاد تعداد بسیار زیادی از نانو حباب ها می شوند و در نهایت با ترکیدن نانو حباب ها، انرژی زیادی آزاد می شود.

نیروی کششی مایع درون میکرو دیوایس ها می تواند منجر به رسوب داخلی (انباشته شدن مواد بیولوژیکی نا خواسته) شود یا به دلیل فشار زیاد به نمونه های بیولوژیکی مانند سلول ها آسیب برساند. بنابراین، این کشف می ‌تواند راه را برای توسعه ابزار های تشخیصی پزشکی بهتر، مانند دستگاه‌ های آزمایشگاهی روی تراشه که تجزیه و تحلیل DNA را انجام می ‌دهند یا برای تشخیص زیست‌ پزشکی پاتوژن ‌های بیماری استفاده می ‌کنند، هموار کند.

این تیم به سرپرستی پروفسور کیارا نتو (Chiara Neto)، پوشش ‌های چروک‌ دار نانو مهندسی شده ای را توسعه دادند که در مقایسه با سطوح جامد صاف، نیروی کششی را تا ۳۸ درصد کاهش می ‌دهند. پوشش های لغزنده، زمانی که با یک روان کننده تزریق می شوند، در برابر رسوب زیستی نیز بسیار مقاوم هستند.

این تیم با استفاده از میکروسکوپ اتمی - یک میکروسکوپ روبشی با وضوح بسیار بالا - کشف کردند که سیالاتی که به وسیله این سطوح از میکرو کانال ‌ها عبور می ‌کنند، به دلیل تشکیل خود به ‌خود نانو حباب ‌ها، می‌ توانند با اصطکاک کمتری بلغزند، پدیده ‌ای که پیش از این هرگز شرح داده نشده بود.

نتایج این پژوهش در نشریه معتبر Nature Communications به چاپ رسیده است و شما می توانید در وب سایت www.nature.com شرح جزییات کار تیم پژوهشی را مشاهده کنید.

کاربرد های پزشکی

بسیاری از ابزار های تشخیصی پزشکی بر تجزیه و تحلیل در مقیاس کوچک و مقادیر کمی از مواد بیولوژیکی و سایر مواد به شکل مایع متکی هستند. این دستگاه ‌های میکرو سیال از میکرو کانال‌ ها و میکرو راکتور ها استفاده می ‌کنند که در آن ها واکنش ‌هایی که معمولاً در مقیاس بزرگ در آزمایشگاه ‌های شیمی یا آسیب ‌شناسی انجام می ‌شوند، در مقیاس کوچک انجام می ‌شوند.

آنالیز حجم بسیار کمتر از مواد، تشخیص سریع تر و کارآمد تر را امکان پذیر می کند. با این حال، مشکل دستگاه های میکرو سیال این است که جریان سیال به طور چشمگیری در اثر اصطکاک مایع با دیواره های جامد کانال ها کاهش می یابد و یک نیروی کششی هیدرودینامیکی بزرگ ایجاد می کند. برای غلبه بر این، دستگاه ها فشار زیادی را برای هدایت جریان اعمال می کنند.

فشار بالای داخل این دستگاه ها نه تنها کارآمد نیست، بلکه می تواند به نمونه های ظریف مانند سلول ها و سایر مواد نرم آسیب برساند. علاوه بر این، دیواره های جامد به راحتی توسط مولکول ها یا باکتری های بیولوژیکی آلوده می شوند که منجر به تخریب سریع از طریق رسوب زیستی می شود.

یک راه حل برای هر دو این مشکلات استفاده از سطوحی است که در آن منافذ نانو مقیاس مقدار کمی از یک روان کننده را به دام می اندازد و یک رابط مایع لغزنده را تشکیل می دهد که نیروی کششی هیدرودینامیکی را کاهش می دهد و در نتیجه از رسوب زیستی سطح جلوگیری می کند.

در واقع، سطوحی که مایع به آن ها قرار گرفته  است، دیواره جامد را با دیواره مایع جایگزین می‌ کند و اجازه می‌ دهد تا مایع دوم با اصطکاک کمتر جریان یابد و ب فشار کمتری نیاز باشد. با این حال، مکانیسم عملکرد این نوع سطوح با مایع درک نشده است، زیرا کاهش اصطکاک این سطوح 50 برابر بیشتر از آنچه بر اساس تئوری انتظار می رود گزارش شده است.

مکانسیم عمل نانو حباب ها

پروفسور نتو و تیمش توضیح داده ‌اند که چگونه دیواره‌ هایی که روی آن ها مایعی روان کننده قرار گرفته اند را روی دستگاه‌ های میکروسیال خود با استفاده از گسترش پوشش‌ های چروک ‌دار نانو مهندسی شده که نیروی کششی را تا ۳۸ درصد در مقایسه با دیواره ‌های جامد کاهش می‌دهند، تشکیل دادند.

این تیم با انجام اندازه‌گیری‌ های مرتبط به میکرو سیال، نشان داد که سطوح لغزنده جدید، نیروی کششی را نسبت به سطوح جامد تا حدی کاهش می ‌دهند که تنها در صورتی این  انتظار می ‌رود که سطح با هوا به جای روان‌ کننده چسبناک پوشیده شود. در ادامه این تیم برای نشان دادن مکانیسمی که به وسیله آن در سطوح لغزشی ایجاد می شوند، کار کردند.

آن ها این کار را با اسکن سطوح زیر آب با استفاده از میکروسکوپ اتمی انجام دادند با این روش آن ها توانستند از تشکیل خود به ‌خود نانو حباب ‌هایی که تنها 100 نانومتر ارتفاع دارند، تصویربرداری کنند. حضور آن ها از نظر کمی لغزش عظیم مشاهده شده در جریان میکرو سیال را توضیح می دهد و به این ترتیب به مکانیسم دست یافتند.

در نهایت پروفسور نتو اظهار داشت: "ما می خواهیم مکانیسم اساسی کار این سطوح را درک کنیم و مرز های کاربرد آن ها را به ویژه برای بهره وری انرژی افزایش دهیم. اکنون که می دانیم چرا این سطوح لغزنده و نیروی کششی را کاهش می دهند، می توانیم آن ها را به طور خاص برای به حداقل رساندن انرژی مورد نیاز برای هدایت جریان و کاهش رسوب طراحی کنیم.