MIT -forskare har utvecklat hårdvara som använder elektriska fält för att flytta droppar av kemiska eller biologiska lösningar runt en yta, blanda dem på ett sätt som kan användas för att testa tusentals reaktioner parallellt.

Forskarna ser sitt system som ett alternativ till de mikrofluidiska enheter som nu vanligtvis används inom biologisk forskning, där biologiska lösningar pumpas genom mikroskopiska kanaler anslutna med mekaniska ventiler. Det nya tillvägagångssättet, som flyttar lösningar runt i beräkningsmässigt föreskrivna mönster, kan göra att experiment kan utföras mer effektivt, kostnadseffektivt, och i större skala.

"Traditionella mikrofluidiska system använder rör, ventiler, och pumpar, "säger Udayan Umapathi, en forskare vid MIT Media Lab, som ledde utvecklingen av det nya systemet. "Detta betyder att de är mekaniska, och de går sönder hela tiden. Jag märkte detta problem för tre år sedan, när jag var på ett syntetiskt biologiföretag där jag byggde några av dessa mikrofluidiska system och mekaniska maskiner som interagerar med dem. Jag var tvungen att barnvakta dessa maskiner för att se till att de inte exploderade. "

"Biologin går mot mer och mer komplexa processer, och vi behöver teknik för att manipulera små och mindre volymdroppar, "Umapathi säger." Pumpar, ventiler, och rör blir snabbt komplicerade. I maskinen som jag byggde, det tog mig en vecka att montera 100 anslutningar. Låt oss säga att du går från en skala på 100 anslutningar till en maskin med en miljon anslutningar. Du kommer inte att kunna montera det manuellt. "

Med sitt nya system, Umapathi förklarar, tusentals droppar kunde deponeras på ytan av hans enhet, och de skulle automatiskt flytta runt för att utföra biologiska experiment.

Systemet innehåller programvara som tillåter användare att beskriva, på en hög allmänhet, experimenten de vill genomföra. Programvaran beräknar sedan automatiskt dropparnas vägar över ytan och koordinerar tidpunkten för på varandra följande operationer.

"Operatören anger kraven för experimentet - till exempel reagens A och reagens B måste blandas i dessa volymer och inkuberas under denna tid, och blandas sedan med reagens C. Operatören anger inte hur dropparna flyter eller var de blandas. Allt beräknas av mjukvaran. "

Umapathi och hans medförfattare - Hiroshi Ishii, Jerome B. Wiesner professor i mediakonst och vetenskap vid MIT; Patrick Shin och Dimitris Koutentakis, MIT -studenter som arbetar i Ishiis laboratorium; och Sam Gen Chin, en Wellesley -examen i labbet - beskriv deras nya system i ett papper som publicerades denna månad i onlinetidsskriften MRS Advances.

Under de senaste 10 åren har andra forskargrupper har experimenterat med "digital mikrofluidik, "eller elektrisk manipulation av droppar, att genomföra biologiska experiment. Men deras chips tillverkades med hjälp av avancerade etsningstekniker som kräver kontrollerade miljöer som kallas rena rum. Umapathi och hans kollegor har fokuserat på att få ner kostnaderna. Deras prototyp använder ett kretskort, en elektronisk produkt som består av en plastskiva med kopparkablar placerade ovanpå den.

Forskarnas främsta tekniska utmaning var att designa en beläggning för kretskortets yta som skulle minska friktionen, gör att droppar kan glida över det, och det skulle förhindra att biologiska eller kemiska molekyler fastnar vid det, så att de inte förorenar framtida experiment. Kretskortet är mönstrat med en uppsättning elektroder. I prototypen, forskarna täcker brädet med en mycket tätare uppsättning små sfärer, bara en mikrometer hög, tillverkad av ett hydrofobt (vattenavvisande) material. Droppar rullar över sfärernas toppar. Forskarna experimenterar också med andra strukturer än sfärer, som kan fungera bättre med särskilda biologiska material.

Eftersom enhetens yta är hydrofob, droppar som avsatts ovanpå försöker naturligtvis anta en sfärisk form. Att ladda en elektrod drar droppen nedåt, platta ut det. Om elektroden nedanför en plattad droppe gradvis stängs av, medan elektroden bredvid den gradvis slås på, det hydrofoba materialet kommer att driva droppen mot den laddade elektroden.

Rörliga droppar kräver höga spänningar, någonstans mellan 95 och 200 volt. Men 300 gånger i sekunden, en laddad elektrod i MIT-forskarnas enhet växlar mellan en högspänning, lågfrekvent (1 kilohertz) signal och en 3,3 volt högfrekvent (200 kilohertz) signal. Högfrekvenssignalen gör det möjligt för systemet att bestämma en droppas placering, använder i huvudsak samma teknik som pekskärmstelefoner.

Om droppen inte rör sig tillräckligt snabbt, systemet ökar automatiskt spänningen för lågfrekvenssignalen. Från sensorsignalen, systemet kan också uppskatta en droppvolym, som, tillsammans med platsinformation, gör det möjligt att spåra en reaktions framsteg.

Umapathi tror att digital mikrofluidik drastiskt kan sänka kostnaden för experimentella förfaranden som är vanliga inom industriell biologi. Läkemedelsföretag, till exempel, kommer ofta att utföra många experiment parallellt, använder robotar utrustade med dussintals eller till och med hundratals pipetter, små mätrör som är ganska som långsträckta ögondroppar.

"Om du tittar på läkemedelsföretagsföretag, en pipetteringsrobot använder en miljon pipettspetsar på en vecka, "Säger Umapathi." Det är en del av det som driver kostnaden för att skapa nya läkemedel. Jag börjar utveckla några vätskeanalyser som kan minska antalet pipetteringsoperationer 100 gånger. "

"Under de senaste 15, 20 år, den allmänna trenden inom läkemedel har varit att gå mot mindre volymer, eftersom de har större multiplexförmåga, "säger Charles Fracchia, grundare och VD för BioBright, ett företag som utvecklar informationssystem för att hantera den mängd data som genereras av moderna, biologiska experiment med hög volym. "När det gäller digital mikrofluidik så som Udayan gör det, det är faktiskt en billigare version, och det är ensidigt istället för att vara inklämt mellan två elektroder. Jag vill inte kalla det DIY -bio, men det är billigare, enklare instrumentering, lättare åtkomst. Han slog definitivt den noten mycket bättre än [tidigare system] gjorde. Det är spännande att han lyckades göra det med lägre spänning, och det är spännande att han kan göra det med en enda elektrod. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.