Инновационные медицинские приборы могут улучшить медицинское обслуживание в условиях ограниченных ресурсов

Инженеры-биомедики из Университета Дьюка разработали принципиально новый подход к созданию диагностических приборов, использующих только силу тяжести для транспортировки, смешивания и других манипуляций с каплями жидкости.

Для демонстрации результатов требуются только коммерчески доступные материалы и очень небольшая мощность, что делает этот подход потенциально привлекательным для применения в условиях ограниченных ресурсов.

Элегантность этого подхода заключается в его простоте — вы можете использовать любые имеющиеся у вас инструменты, чтобы заставить его работать, — сказал Хамед Вахаби, бывший постдокторант Дьюка, который сейчас работает ведущим инженером-аналитиком в GE Hitachi.

Теоретически можно даже просто воспользоваться ручной пилой и вырезать в куске дерева каналы, необходимые для проведения теста.

Исследование, проведенное в лаборатории Ашутоша Чилкоти (Ashutosh Chilkoti), заслуженного профессора биомедицинской инженерии Алана Каганова (Alan L. Kaganov Distinguished Professor of Biomedical Engineering at Duke), опубликовано 11 июля в журнале Device.

Потребность в простых, удобных в использовании устройствах для оказания медицинской помощи не иссякает. Многие демонстрационные и коммерческие устройства стремятся ставить диагнозы или измерять важные биомаркеры, используя всего несколько капель жидкости, при этом требуется как можно меньше энергии и опыта. Их цель — улучшить медицинское обслуживание миллиардов людей, живущих в условиях низких ресурсов вдали от традиционных больниц и квалифицированных врачей.

Все эти тесты имеют одни и те же основные требования: они должны перемещать, смешивать и измерять небольшие капли, содержащие биологические образцы и активные ингредиенты, позволяющие измерять специфические биомаркеры. В более дорогих моделях для управления этими реакциями используются крошечные электрические насосы. Другие используют физические свойства жидкостей в микроканалах (микрофлюидика), создающие своего рода эффект всасывания.

Это первая демонстрация, в которой используется только сила тяжести. Каждый из подходов обладает как уникальными полезными возможностями, так и недостатками.

Для работы большинства микрофлюидных устройств необходимы не только капиллярные силы, — говорит Чилкоти.

Этот подход намного проще, а также позволяет создавать и управлять очень сложными траекториями движения жидкости, что не так просто и дешево сделать с помощью микрофлюидики.

Новый гравитационный подход опирается на набор из девяти имеющихся в продаже поверхностных покрытий, которые могут регулировать смачиваемость и скользкость в любой точке устройства. То есть они могут регулировать, насколько капли сплющиваются в блин или остаются сферическими, облегчая или затрудняя их скольжение по наклонной поверхности.

Используя эти покрытия в разумных комбинациях, можно создать все микрофлюидные элементы, необходимые для проведения анализов в точках оказания медицинской помощи. Например, если в данном месте поверхность очень скользкая, а капля находится на пересечении, где одна сторона тянет жидкость к плоскости, а другая толкает ее в шар, то это будет действовать как насос и ускорять каплю по направлению к первой.

Мы придумали множество различных элементов для управления движением, взаимодействием, временем и последовательностью движения нескольких капель в устройстве, — заявил Вахаби.

Все эти явления хорошо известны в данной области, но никому раньше не приходило в голову использовать их для систематического управления движением капель.

Объединив эти элементы, исследователи создали прототип теста для измерения уровня лактатдегидрогеназы (ЛДГ) в образце человеческой сыворотки. В тестовой платформе были вырезаны каналы для создания определенных путей движения капель, каждый из которых был покрыт веществом, препятствующим застреванию капель на пути их движения. Кроме того, в определенные места были помещены высушенные реагенты, необходимые для проведения теста, которые впитываются каплями простого буферного раствора по мере их движения.

Весь тест, похожий на лабиринт, закрывается крышкой с парой отверстий, через которые капает образец и буферный раствор. После загрузки тест помещается в устройство, напоминающее коробку, с ручкой, которая поворачивает тест на 90 градусов, позволяя силе тяжести выполнить свою работу. Это устройство также оснащено простым светодиодным и световым детектором, который позволяет быстро и легко определить количество синего, красного или зеленого цвета в результатах теста. Это означает, что исследователи могут пометить три различных биомаркера разными цветами для измерения различных тестов.

В случае с прототипом теста LDH биомаркер помечен синей молекулой. Простой микроконтроллер измеряет, насколько глубокий синий оттенок приобретает результат теста и как быстро он меняет цвет — что указывает на количество и концентрацию LDH в образце — и выдает результаты.

В конечном итоге для измерения результатов можно использовать и смартфон, но в данной работе мы не рассматривали этот вопрос, — отметил Джейсон Лю, аспирант из лаборатории Чилкоти.

Демонстрация результатов работы дает новый подход, который следует учитывать при разработке недорогих, маломощных диагностических устройств, предназначенных для оказания медицинской помощи». Группа планирует продолжить разработку своей идеи, но при этом надеется, что и другие исследователи обратят внимание и займутся созданием аналогичных тестов.

Хотя хорошо спроектированная микрофлюидная система может быть полностью автоматизирована и проста в использовании пассивными средствами, время выполнения отдельных шагов обычно запрограммировано в конструкции самого устройства, что затрудняет внесение изменений в протокол, — добавил Дэвид Киннамон, аспирант из группы Чилкоти.

В данной работе пользователь сохраняет больший контроль над временем выполнения шагов, при этом лишь незначительно жертвуя простотой управления. Это опять же является преимуществом для более сложных протоколов.

11.07.2023


Подписаться в Telegram



Хайтек

В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

С помощью большой языковой модели инженеры Мас...

Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах

Исследовательская группа, работающая в UN...

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
EGU: В золоте дураков все-таки нашли ценный компонент
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Исследователи изучают влияние сольватации и валентности ионов на металлополимеры
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
Инженеры воссоздали голопалубу Star Trek с помощью ChatGPT и видеоигр
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
«Литнет» выяснил, что привлекает читателей в книгах о космосе
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
Инженеры создают более выгодную сеть для распределения солнечной энергии
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
New England Journal of Medicine: Упреждающая ангиопластика не улучшает прогноз
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
IC: Исследователи тестируют биологическую безвредность нейроморфной сети
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
JSPR: Между кортизолом и социальной поддержкой в семейных парах нашли связь
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
GBE: ДНК древних пингвинов Адели выявило повторы возрастом сотни миллионов лет
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Molecular Psychiatry: Выяснилось, как изменение экспрессии генов вызывает аутизм
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
Шёнингенские копья доказали: 300 000 лет назад древесина была важнейшим сырьем
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
NatComm: Машинное обучение поможет создать вертикально-осевые ветряные турбины
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
Acta Biomaterialia: Созданы трансплантаты, похожие на реальное человеческое ухо
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса