Nanobellen bieden de mogelijkheid om betere medische apparaten te bouwen

Onderzoekers van het Nano Institute en de School of Chemistry van de Universiteit van Sydney hebben onthuld dat kleine gasbellen – nanobellen van slechts 100 miljardste van een meter hoog – zich in onverwachte situaties op oppervlakken vormen, wat een nieuwe manier biedt om de weerstand in kleinschalige apparaten te verminderen.

Vloeistofweerstand binnen microdevices kan leiden tot interne vervuiling (ophoping van ongewenste biologische materialen) of biologische monsters zoals cellen beschadigen als gevolg van hoge druk. De ontdekking zou dus de weg kunnen banen naar de ontwikkeling van betere medische diagnostische hulpmiddelen, zoals lab-on-a-chip-apparaten die DNA-analyse uitvoeren of worden gebruikt voor biomedische detectie van ziekteverwekkers.

Het team, onder leiding van professor Chiara Neto, ontwikkelde nano-engineered gerimpelde coatings die de weerstand tot 38 procent verminderen in vergelijking met nominaal ‘gladde’ vaste oppervlakken. De gladde coatings, eenmaal doordrenkt met een smeermiddel, zijn ook zeer goed bestand tegen biofouling.

Met behulp van atoomkrachtmicroscopie – een scanmicroscoop met een zeer hoge resolutie – ontdekte het team dat de vloeistoffen die door microgestructureerde kanalen met deze oppervlakken gaan, er met minder wrijving doorheen konden glippen als gevolg van de spontane vorming van nanobellen, een fenomeen dat nog nooit eerder is beschreven .

De resultaten worden deze week gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Mogelijke medische toepassing

Veel medische diagnostische hulpmiddelen zijn gebaseerd op de kleinschalige analyse van kleine hoeveelheden biologische en andere materialen in vloeibare vorm. Deze ‘microfluïdische apparaten’ maken gebruik van microkanalen en microreactoren waarin reacties die doorgaans op grote schaal in een scheikunde- of pathologielab worden uitgevoerd, op geminiaturiseerde schaal worden uitgevoerd.

Het analyseren van veel kleinere hoeveelheden materiaal maakt een snellere en efficiëntere diagnostiek mogelijk. Het probleem met microfluïdische apparaten is echter dat de vloeistofstroom dramatisch wordt vertraagd door de wrijving van de vloeistof met de vaste wanden van de kanalen, waardoor een grote hydrodynamische weerstand ontstaat. Om dit te ondervangen, passen de apparaten hoge druk toe om de stroom aan te drijven.

De hoge druk in deze apparaten is op zijn beurt niet alleen inefficiënt, maar kan ook gevoelige monsters in het apparaat beschadigen, zoals cellen en andere zachte materialen. Verder raken de massieve wanden gemakkelijk vervuild door biologische moleculen of bacteriën, wat leidt tot snelle afbraak door biofouling.

Een oplossing voor beide problemen is het gebruik van oppervlakken waarin poriën op nanoschaal kleine hoeveelheden smeermiddel vasthouden, waardoor een glibberig vloeistofgrensvlak wordt gevormd, dat de hydrodynamische weerstand vermindert en biofouling van het oppervlak voorkomt.

In feite vervangen met vloeistof doordrenkte oppervlakken de vaste wand door een vloeistofwand, waardoor de stroming van een tweede vloeistof met lagere wrijving mogelijk is, waardoor een lagere druk nodig is. Het mechanisme waarmee deze met vloeistof doordrenkte oppervlakken werken, is echter niet begrepen, aangezien is gerapporteerd dat de vermindering van wrijving die deze oppervlakken bieden 50 keer groter is dan op basis van theorie zou worden verwacht.

Nanobellen te hulp?

Professor Neto en haar team hebben beschreven hoe ze met vloeistof doordrenkte wanden vormden op hun microfluïdische apparaten, door nano-engineered gerimpelde coatings te ontwikkelen die de weerstand tot 38 procent verminderen in vergelijking met massieve muren. Het team bestaat uit: Ph.D. student Chris Vega-Sánchez, wiens werk de afgelopen drie jaar gericht was op microfluïdica; Dr. Sam Peppou-Chapman, een expert in met vloeistof doordrenkte oppervlakken; en Dr. Liwen Zhu, een expert in atoomkrachtmicroscopie, waarmee wetenschappers tot op een miljardste van een meter kunnen kijken.

Door microfluïdische metingen uit te voeren, onthulde het team dat de nieuwe gladde oppervlakken de weerstand ten opzichte van vaste oppervlakken verminderden in een mate die alleen zou worden verwacht als het oppervlak doordrenkt was met lucht in plaats van een stroperig smeermiddel. Niet tevreden met de succesvolle vermindering van de weerstand, werkte het team aan het demonstreren van het mechanisme waarmee de oppervlakken slip veroorzaakten.

Dit deden ze door de oppervlakken onder water te scannen met atoomkrachtmicroscopie, waardoor ze de spontane vorming van nanobellen, slechts 100 nanometer hoog aan het oppervlak, in beeld konden brengen. Hun aanwezigheid verklaart kwantitatief de enorme slip die wordt waargenomen in microfluïdische stroming.

Een deel van het microscopiewerk werd gedaan met behulp van de faciliteiten van het Australian Centre for Microscopy & Microanalysis aan de Universiteit van Sydney.

Professor Neto zei: “We willen het fundamentele mechanisme begrijpen waarmee deze oppervlakken werken en de grenzen van hun toepassing verleggen, vooral voor energie-efficiëntie. Nu we weten waarom deze oppervlakken glad zijn en de weerstand verminderen, kunnen we ze specifiek ontwerpen om de energie te minimaliseren die nodig is om de stroming in beperkte geometrieën aan te drijven en vervuiling te verminderen.”