В то время как звуковые волны были частью науки и медицины на протяжении десятилетий – ультразвук впервые был использован для клинической визуализации в 1942 году и для запуска химических реакций в 1980-х годах, – технологии всегда основывались на низких частотах.
Теперь исследователи из Университета RMIT в Мельбурне, Австралия, показали, как высокочастотные звуковые волны могут произвести революцию в области химии, управляемой ультразвуком.
В новом обзоре, опубликованном в Advanced Science, показано странное воздействие этих звуковых волн на материалы и клетки, такие как молекулы, которые, кажется, спонтанно упорядочивают себя после удара звуковым эквивалентом полуприцепа.
Исследователи также подробно описывают различные интересные применения своей новаторской работы, в том числе:
Доставка лекарств в легкие – запатентованная технология распыления, позволяющая доставлять жизненно важные лекарства и вакцины путем ингаляции, а не путем инъекций
Наночастицы, защищающие от лекарств – инкапсуляция лекарств в специальные нанопокрытия, чтобы защитить их от разрушения, контролировать их высвобождение с течением времени и гарантировать, что они точно нацелены на нужные места в организме, такие как опухоли или инфекции
Прорывные интеллектуальные материалы – устойчивое производство сверхпористых наноматериалов, которые можно использовать для хранения, разделения, высвобождения и защиты практически всего
Нанопроизводство 2D-материалов – точное, экономичное и быстрое расслоение атомно-тонких квантовых точек и нанолистов
Ведущий исследователь, заслуженный профессор Лесли Йео и его команда потратили более десяти лет на изучение взаимодействия звуковых волн на частотах выше 10 МГц с различными материалами.
Но Йео говорит, что они только сейчас начинают понимать спектр странных явлений, которые часто наблюдают в лаборатории.
«Когда мы соединяем высокочастотные звуковые волны с жидкостями, материалами и клетками, получается необычный эффект», – говорит он.
"Мы использовали силу этих звуковых волн для разработки инновационных биомедицинских технологий и синтеза передовых материалов.
«Но наши открытия также изменили наше фундаментальное понимание химии, управляемой ультразвуком, и показали, как мало мы на самом деле знаем.
"Пытаться объяснить науке то, что мы видим, а затем применить это для решения практических задач – большая и увлекательная задача."
Звуковые волны: как усилить химию звуком
Исследовательская группа RMIT, в которую входят д-р Амгад Резк, д-р Хеба Ахмед и д-р Швати Рамесан, генерирует высокочастотные звуковые волны на микрочипе для точного управления жидкостями или материалами.
Ультразвук долгое время использовался на низких частотах – от 10 кГц до 3 МГц – для управления химическими реакциями, в этой области, известной как «сонохимия»."
На этих низких частотах сонохимические реакции вызываются взрывом пузырьков воздуха.
Этот процесс, известный как кавитация, приводит к огромному давлению и сверхвысоким температурам – как в крошечной и чрезвычайно локализованной скороварке.
Но оказывается, что если увеличить частоту, эти реакции полностью изменятся.
Когда высокочастотные звуковые волны передавались в различные материалы и клетки, исследователи наблюдали поведение, которое никогда не наблюдалось с помощью низкочастотного ультразвука.
«Мы видели самоупорядочивающиеся молекулы, которые, кажется, ориентируются в кристалле в направлении звуковых волн», – говорит Йео.
"Используемые длины звуковых волн могут быть более чем в 100000 раз больше, чем у отдельной молекулы, поэтому невероятно загадочно, как чем-то таким крошечным можно точно управлять с помощью чего-то такого большого.
"Это как проехать на грузовике через беспорядочную россыпь кубиков Lego, а затем обнаружить, что эти части красиво сложены друг на друга – этого не должно происходить!"
Биомедицинские достижения
Хотя низкочастотная кавитация часто может разрушать молекулы и клетки, они остаются в основном неповрежденными под воздействием высокочастотных звуковых волн.
Это делает их достаточно мягкими для использования в биомедицинских устройствах для манипулирования биомолекулами и клетками без нарушения их целостности – основы для различных технологий доставки лекарств, запатентованных исследовательской группой RMIT.
Одно из этих запатентованных устройств – дешевый, легкий и портативный усовершенствованный небулайзер, который может точно доставлять большие молекулы, такие как ДНК и антитела, в отличие от существующих небулайзеров.
Это открывает возможности для безболезненной вакцинации и лечения без использования иглы.
Небулайзер использует высокочастотные звуковые волны для возбуждения поверхности жидкости или лекарства, создавая тонкий туман, который может доставить более крупные биологические молекулы непосредственно в легкие.
Технология небулайзера также может быть использована для инкапсуляции лекарства в защитные полимерные наночастицы в одноэтапном процессе, объединяющем производство наночастиц и доставку лекарств.
Кроме того, исследователи показали, что облучение клеток высокочастотными звуковыми волнами позволяет вводить терапевтические молекулы в клетки без повреждения – метод, который можно использовать в новых методах лечения на основе клеток.
Умные материалы
Команда использовала звуковые волны для стимулирования кристаллизации для устойчивого производства металлоорганических каркасов или MOF.
Предполагается, что они станут определяющим материалом 21 века, MOF идеально подходят для обнаружения и улавливания веществ в мельчайших концентрациях, для очистки воды или воздуха, а также могут удерживать большое количество энергии для создания более совершенных аккумуляторов и устройств хранения энергии.
Хотя традиционный процесс изготовления MOF может занять часы или дни и требует использования агрессивных растворителей или интенсивных энергетических процессов, команда RMIT разработала чистую, управляемую звуковыми волнами технику, которая может создавать индивидуальные MOF за считанные минуты и может быть легко масштабируется для эффективного массового производства.
Звуковые волны также могут использоваться для нанопроизводства 2D-материалов, которые используются во множестве приложений, от гибких электрических цепей до солнечных элементов.
Расширение и расширение границ
Следующие шаги команды RMIT сосредоточены на масштабировании технологии.
По невысокой цене всего 0 долларов США.70 на устройство, микрочипы, генерирующие звуковые волны, могут изготавливаться с использованием стандартных процессов массового производства кремниевых чипов для компьютеров.
«Это открывает возможность производства промышленных объемов материалов с этими звуковыми волнами за счет массивного распараллеливания – одновременного использования тысяч наших чипов», – сказал Йео.
Команда Лаборатории микро / нанофизики инженерной школы RMIT – одна из немногих исследовательских групп в мире, объединяющих высокочастотные звуковые волны, микрофлюидику и материалы.
Йео говорит, что исследование бросает вызов давно устоявшимся физическим теориям, открывая новую область «высокочастотного возбуждения» параллельно с сонохимией.
"Классические теории, созданные с середины 1800-х годов, не всегда объясняют странное и иногда противоречивое поведение, которое мы наблюдаем – мы раздвигаем границы нашего понимания."
Исследование поддержано грантами проекта Discovery Австралийского исследовательского совета (ARC).