光滑的粘合剂通道创造了迷宫般的生物医学设备

北卡罗来纳州达勒姆——杜克大学的生物医学工程师开发了一种全新的方法来构建即时诊断设备，该设备仅利用重力来传输、混合和操纵所涉及的液滴。 该演示仅需要商用材料和很少的功率来读取结果，这使其成为资源匮乏环境中应用的有吸引力的潜在选择。

“这种方法的优雅之处在于它的简单性——你可以使用任何你拥有的工具来使其发挥作用，”前杜克大学博士后研究员、现任 GE Hitachi 首席分析工程师 Hamid Wahbi 说。 “理论上，你甚至可以使用手锯将测试所需的通道切割成一块木头。”

这项研究是在杜克大学生物医学工程杰出教授 Ashutosh Chilkuti 的实验室中进行的，并于 7 月 11 日在线发表在《Device》杂志上。

人们并不缺乏对简单、易于使用的护理点设备的需求。 许多商业演示和设备试图仅使用几滴液体，以尽可能少的力量和专业知识来执行诊断或测量重要的生命体征。 他们的目标是改善生活在远离传统医院和训练有素医生的资源匮乏环境中的数十亿人的医疗保健。

所有这些考试都有相同的基本要求； 他们必须搅拌、混合和测量含有生物样品和活性成分的微滴，从而可以测量特定的生物标志物。 更昂贵的例子使用小型电动泵来引导这些反应。 其他人则利用微小通道（微流体）内流体的物理原理来产生一种吸力效应。

这是第一个仅使用重力的节目。 每种方法都有其独特的优点和缺点。

“大多数微流体装置需要的不仅仅是毛细管力才能工作，”奇尔库蒂说。 “这种方法更加简单，并且还允许设计和操作非常复杂的流体路径，这对于微流体来说并不容易或便宜。”

新的重力驱动方法依赖于一组九种市售表面涂层，可以改变设备上任何给定点的润湿性和滑动性。 也就是说，它们可以调整压扁成薄饼或保持球形的液滴数量，同时使它们更容易或更难滑下斜坡。

当以智能组合方式一起使用时，这些表面涂层可以创建即时测试所需的所有微流体元件。 例如，如果某个特定位置非常滑，并且液滴被放置在一个交汇处，其中一侧将液体拉平，另一侧将其推入球体，则它将充当泵并加速液滴朝向前者。

“我们想出了许多不同的元素来控制设备中多个液滴的运动、相互作用、时间和顺序，”瓦哈比说。 “所有这些现象在该领域都是众所周知的，但之前没有人想到利用它们以系统的方式控制液滴运动。”

通过结合这些元素，研究人员创建了一个原型测试来测量人血清样本中乳酸脱氢酶 (LDH) 的水平。 他们在测试台内钻了通道，为液滴的行进创建特定的路径，每个路径都覆盖有一种材料，以防止液滴在行进过程中粘在一起。 他们还为特定地点配备了测试所需的干燥试剂，这些试剂在穿过这些地点时被简单缓冲溶液的液滴吸收。

然后用带有两个孔的盖子盖住整个迷宫式测试，将样品和缓冲溶液滴入其中。 一旦加载，测试就被放置在一个类似盒子的设备内，该设备带有一个手柄，可以将测试旋转 90 度以允许重力发挥作用。 该设备还配备了简单的 LED 和光电探测器，可以快速轻松地检测测试结果中蓝色、红色或绿色的含量。 这意味着研究人员可以用不同的颜色标记三种不同的生物标记物，以供不同的测试进行测量。

在这个原型 LDH 测试中，生物标记物用蓝色分子标记。 一个简单的微控制器可测量测试结果的蓝色深度以及颜色变化的速度（表明样品中 LDH 的数量和浓度），从而生成结果。

Chilkoti 实验室的博士生 Jason Liu 表示：“我们最终也可以在未来使用智能手机来测量结果，但这不是我们在这篇具体论文中探讨的内容。”

该演示提供了一种在设计廉价、低功耗、即时诊断设备时需要考虑的新方法。 虽然该小组计划继续发展他们的想法，但他们也希望其他人能够注意到并进行类似的测试。

David Kinnamon 补充道：“虽然精心设计的微流体系统可以完全自动化，并且通过被动方式易于使用，但单独步骤的时间通常被编程到设备本身的设计中，这使得对协议的修改变得更加困难。” Chilkoti小组的博士生。 “在这项工作中，用户保留了对步骤时间的更多控制，同时仅适度牺牲了操作的便利性。同样，这对于更复杂的协议来说是一个优势。”

这项工作得到了美国国立卫生研究院 (R01AI159992) 的支持。

引文：“重力驱动液滴即时检测”，Hamid Fabi、Jason Liu、Yifan Dai、Daniel Y. 乔、瑞德·布里顿、雅各布·赫格斯塔德、大卫·基纳蒙、萨蒂亚姆·拉杰普特、阿舒托什·奇尔库蒂。 设备，2023 年 7 月 11 日。DOI：10.1016/j.device.2023.100009