Geluidsgolven zorgen voor nieuwe ontwikkelingen op het gebied van medicijnafgifte en slimme materialen

Onderzoekers hebben onthuld hoe hoogfrequente geluidsgolven kunnen worden gebruikt om nieuwe materialen te bouwen, slimme nanodeeltjes te maken en zelfs medicijnen in de longen te brengen voor pijnloze, naaldloze vaccinaties.

Hoewel geluidsgolven al decennia deel uitmaken van de wetenschap en de geneeskunde – echografie werd voor het eerst gebruikt voor klinische beeldvorming in 1942 en voor het aansturen van chemische reacties in de jaren tachtig – hebben de technologieën altijd vertrouwd op lage frequenties.

Nu hebben onderzoekers van de RMIT University in Melbourne, Australië, aangetoond hoe hoogfrequente geluidsgolven een revolutie kunnen teweegbrengen op het gebied van door ultrageluid aangedreven chemie.

Een nieuwe recensie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap onthult de bizarre effecten van deze geluidsgolven op materialen en cellen, zoals moleculen die zichzelf spontaan lijken te ordenen nadat ze zijn geraakt met het sonische equivalent van een oplegger.

De onderzoekers beschrijven ook verschillende opwindende toepassingen van hun pionierswerk, waaronder:

• Medicijnafgifte aan de longen– gepatenteerde vernevelingstechnologie die levensreddende medicijnen en vaccins zou kunnen afgeven door inademing in plaats van door injecties
• Geneesmiddelbeschermende nanodeeltjes– het inkapselen van medicijnen in speciale nano-coatings om ze te beschermen tegen bederf, hun afgifte in de loop van de tijd te beheersen en ervoor te zorgen dat ze precies op de juiste plaatsen in het lichaam zijn gericht, zoals tumoren of infecties
• Baanbrekende slimme materialen– duurzame productie van super-poreuze nanomaterialen die kunnen worden gebruikt om bijna alles op te slaan, te scheiden, vrij te geven en te beschermen
• Nano-fabricage van 2D-materialen—Precieze, kosteneffectieve en snelle afschilfering van atoomdunne kwantumstippen en nanobladen

Hoofdonderzoeker Distinguished Professor Leslie Yeo en zijn team hebben meer dan tien jaar onderzoek gedaan naar de interactie van geluidsgolven op frequenties boven 10 MHz met verschillende materialen.

Maar Yeo zegt dat ze nu pas de reeks vreemde verschijnselen beginnen te begrijpen die ze vaak in het laboratorium waarnemen.

“Wanneer we hoogfrequente geluidsgolven koppelen aan vloeistoffen, materialen en cellen, zijn de effecten buitengewoon”, zegt hij.

“We hebben de kracht van deze geluidsgolven gebruikt om innovatieve biomedische technologieën te ontwikkelen en geavanceerde materialen te synthetiseren.

“Maar onze ontdekkingen hebben ook ons ​​fundamentele begrip van door ultrageluid aangedreven chemie veranderd – en laten zien hoe weinig we echt weten.

“De wetenschap van wat we zien proberen uit te leggen en dat vervolgens toepassen om praktische problemen op te lossen, is een grote en opwindende uitdaging.”

Sonische golven: hoe chemie te versterken met geluid

Het RMIT-onderzoeksteam, dat Dr. Amgad Rezk, Dr. Heba Ahmed en Dr. Shwathy Ramesan omvat, genereert hoogfrequente geluidsgolven op een microchip om vloeistoffen of materialen nauwkeurig te manipuleren.

Echografie wordt al lang gebruikt bij lage frequenties – rond 10 kHz tot 3 MHz – om chemische reacties aan te sturen, een veld dat bekend staat als “sonochemie”.

Bij deze lage frequenties worden sonochemische reacties aangedreven door de gewelddadige implosie van luchtbellen.

Dit proces, dat bekend staat als cavitatie, resulteert in enorme drukken en ultrahoge temperaturen – zoals een kleine en extreem plaatselijke snelkookpan.

Maar het blijkt dat als je de frequentie verhoogt, deze reacties volledig veranderen.

Toen hoogfrequente geluidsgolven in verschillende materialen en cellen werden uitgezonden, zagen de onderzoekers gedrag dat nog nooit was waargenomen met laagfrequente echografie.

“We hebben zelfordenende moleculen gezien die zich in het kristal lijken te oriënteren in de richting van de geluidsgolven”, zegt Yeo.

“De betrokken geluidsgolflengten kunnen meer dan 100.000 keer groter zijn dan een individueel molecuul, dus het is ongelooflijk raadselachtig hoe zoiets kleins precies kan worden gemanipuleerd met zoiets groots.

‘Het is alsof je met een vrachtwagen door een willekeurige reeks Legostenen rijdt en die stukjes mooi op elkaar vindt – het zou niet mogen gebeuren!’

Biomedische vooruitgang

Hoewel laagfrequente cavitatie moleculen en cellen vaak kan vernietigen, blijven ze grotendeels intact onder de hoogfrequente geluidsgolven.

Dit maakt ze zacht genoeg om te gebruiken in biomedische apparaten om biomoleculen en cellen te manipuleren zonder hun integriteit aan te tasten – de basis voor de verschillende medicijnafgiftetechnologieën gepatenteerd door het RMIT-onderzoeksteam.

Een van deze gepatenteerde apparaten is een goedkope, lichtgewicht en draagbare geavanceerde vernevelaar die, in tegenstelling tot bestaande vernevelaars, nauwkeurig grote moleculen zoals DNA en antilichamen kan afgeven.

Dit opent het potentieel voor pijnloze, naaldloze vaccinaties en behandelingen.

De vernevelaar gebruikt hoogfrequente geluidsgolven om het oppervlak van de vloeistof of het medicijn te prikkelen, waardoor een fijne nevel ontstaat die grotere biologische moleculen rechtstreeks naar de longen kan brengen.

De vernevelaartechnologie kan ook worden gebruikt om een ​​medicijn in beschermende polymere nanodeeltjes in te kapselen, in een eenstapsproces dat nanoproductie en medicijnafgifte samenbrengt.

Bovendien hebben de onderzoekers aangetoond dat door het bestralen van cellen met de hoogfrequente geluidsgolven, therapeutische moleculen zonder schade in de cellen kunnen worden ingebracht, een techniek die kan worden gebruikt in opkomende celgebaseerde therapieën.

Slimme materialen

Het team heeft de geluidsgolven gebruikt om kristallisatie te stimuleren voor de duurzame productie van metaal-organische raamwerken, of MOF’s.

MOF’s, naar verwachting het bepalende materiaal van de 21e eeuw, zijn ideaal voor het detecteren en vangen van stoffen in zeer kleine concentraties, om water of lucht te zuiveren, en kunnen ook grote hoeveelheden energie vasthouden om betere batterijen en energieopslagapparaten te maken.

Hoewel het conventionele proces voor het maken van een MOF uren of dagen kan duren en het gebruik van agressieve oplosmiddelen of intensieve energieprocessen vereist, heeft het RMIT-team een ​​schone, door geluidsgolven aangedreven techniek ontwikkeld die binnen enkele minuten een op maat gemaakte MOF kan produceren. opgeschaald voor efficiënte massaproductie.

Geluidsgolven kunnen ook worden gebruikt voor nano-fabricage van 2-D-materialen, die worden gebruikt in talloze toepassingen, van flexibele elektrische circuits tot zonnecellen.

Opschalen en grenzen verleggen

De volgende stappen voor het RMIT-team zijn gericht op het opschalen van de technologie.

Tegen een lage prijs van slechts $ 0,70 per apparaat, kunnen de geluidsgolven-genererende microchips worden geproduceerd met behulp van de standaardprocessen voor massafabricage van siliciumchips voor computers.

“Dit opent de mogelijkheid om industriële hoeveelheden materiaal te produceren met deze geluidsgolven door massale parallellisatie – door duizenden van onze chips tegelijkertijd te gebruiken”, zei Yeo.

Het team van het Micro / Nanophysics Research Laboratory, in de School of Engineering van RMIT, is een van de weinige onderzoeksgroepen ter wereld die hoogfrequente geluidsgolven, microfluïdica en materialen samenbrengt.

Yeo zegt dat het onderzoek lang bestaande natuurkundetheorieën uitdaagt en een nieuw veld van “hoogfrequente excitatie” opent parallel aan sonochemie.

“De klassieke theorieën die sinds het midden van de 19e eeuw zijn ontstaan, verklaren niet altijd het vreemde en soms tegenstrijdige gedrag dat we zien – we verleggen de grenzen van ons begrip.”