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