Điều khiển được hạt nước trên bảng mạch, phòng thí nghiệm MIT tạo ra cách điều chế thuốc đột phá ít tốn kém hơn nhiều trước đây

Các nhà nghiên cứu tại MIT phát triển thành công một phần cứng sử dụng trường điện từ để di chuyển những hạt nước – những hạt có thể là dung dịch hóa học hoặc sinh học – xung quanh một bề mặt. Làm được điều này, họ sẽ có thể tiến hành thử nghiệm hàng ngàn bài thử nghiệm phản ứng cùng một lúc.

Họ coi hệ thống này là một phương án thay thế cho các thiết bị kênh dẫn vi lưu vẫn được sử dụng trong nghiên cứu sinh học.

Bảng mạch thử nghiệm do MIT chế tạo. Ảnh Jimmy Day - MIT.

Trong cách thức cũ, cách thức sử dụng kênh dẫn vi lưu, thì dung dịch sinh học sẽ được bơm qua một hệ thống kênh dẫn hiển vi, được nối với nhau bởi những van cơ họ. Còn cách thức mới, dịch chuyển hạt nước bằng điện trường theo một khuôn mẫu tạo sẵn, sẽ cho phép việc thực hiện thử nghiệm hiệu quả hơn, rẻ hơn và làm được với quy mô lớn hơn.

"Hệ thống kênh dẫn vi lưu truyền thống sử dụng ống dẫn, van và bơm", Udayan Umapathi, nhà nghiên cứu tại MIT Media Lab và cũng là trưởng ban nghiên cứu hệ thống mới này, nói. "Điều này có nghĩa là chúng là hệ thống cơ học, có thể hỏng bất kì lúc nào. Tôi để ý thấy vấn đề này từ 3 năm trước, khi mà phải ngồi trông những cái máy này để đảm bảo rằng chúng sẽ không phát nổ mất".

"Sinh học đang phát triển ngày một phức tạp, chúng ta cần những công nghệ có thể khéo léo điều khiển những hạt dung dịch nhỏ hơn nữa", nhà nghiên cứu Umapathi nói. "Bơm, van và ống dẫn nhanh chóng trở nên quá phức tạp. Với cỗ máy mà tôi đã từng dựng nên, thì mất một tuần để hoàn thiện 100 khớp nối. Cứ thử nâng con số lên hàng triệu kết nối mà xem, bạn sẽ không thể làm việc đó bằng tay được".

Udayan Umapathi, nhà nghiên cứu tại MIT Media Lab. Ảnh: Jimmy Day - MIT.

Nhưng với hệ thống mới này, hàng ngàn hạt dung dịch có thể nằm lên trên bề mặt thiết bị, tự động di chuyển để thực hiện những thử nghiệm sinh học.

Hệ thống bao gồm phần mềm cho phép người dùng có thể mô tả thí nghiệm mà họ định làm. Phần mềm sẽ tự động tính toán đường di chuyển của những hạt dung dịch trên bề mặt hệ thống, tìm ra đường đi và căn thời gian chuẩn xác để có một thử nghiệm thành công.

"Người thực hiện sẽ nêu rõ những yêu cầu của thí nghiệm này – ví dụ, cần hòa lẫn chất A và chất B với lượng như thế này và ủ trong khoảng thời gian này, rồi sẽ hòa với chất C. Người thực hiện không cần phải chỉ rõ đường chảy của hạt dung dịch hay cần phải hòa các chất ở đâu, bởi phần mềm tính toán hết rồi".

Những hạt nước nằm trên bảng mạch. Ảnh: Udayan Umapathi - MIT.

Suốt 10 năm qua, các nhóm nghiên cứu khác đã tiến hành thử nghiệm "kênh dẫn vi lưu điện tử", sử dụng điện để điều khiển hạt dung dịch nhằm thực hiện thử nghiệm sinh học. Nhưng những con chip mà họ sử dụng đều là những công nghệ tiên tiến nhất mà lại còn cần một môi trường được kiểm soát chặt chẽ - một phòng sạch. Umapathi cùng các cộng sự của mình tập trung vào việc giảm chi phí xuống. Thiết bị mẫu của họ chỉ là một bảng mạch nhựa thông thường.

Một trong những chướng ngại vật lớn nhất là phải phủ một lớp vật liệu lên bảng mạch này để giảm ma sát, cho phép hạt vật chất có thể thoải mái di chuyển và không dích vào bảng mạch, ảnh hưởng đến các thử nghiệm tiếp theo. Bảng mạch sẽ gồm những dãy điện cực, trên bảng sẽ là một lớp phủ chống nước với các hạt chống nước hình cầu, chỉ cao có 1 micromet.

Bởi bản chất chống nước của bề mặt bảng mạch, hạt nước nếu không bị ảnh hưởng bởi yếu tố khác sẽ luôn ở trạng thái hình cầu. Khi đưa điện vào trong những điện cực trên bảng, hạt nước sẽ bị kéo dẹp xuống, dính xuống bảng mạch. Nếu không có điện, hạt nước sẽ lại tiếp tục trôi. Các điện cực bật lên và tắt đi liên tục sẽ khiến hạt dung dịch trôi trên bề mặt bảng mạch.

Nhà nghiên cứu Umapathi đang đặt hạt nước lên bảng mạch. Ảnh: Jimmy Day - MIT.

Việc di chuyển hạt dung dịch cần tới điện áp cao, khoảng 95-200 volt. Nhưng thỉnh thoảng, thiết bị của MIT sẽ chuyển hóa giữa tín hiệu điện áp cao và tần số thấp (1 kilohertz) và tín hiệu điện áp thấp 3,3 volt và tần số cao (200 kilohertz). Dựa vào tần số cao, hệ thống sẽ xác định vị trí của hạt dung dịch, về cơ bản là công nghệ này cũng giống màn hình điện thoại.

Nếu như hạt dung dịch trôi chưa đủ nhanh, hệ thống sẽ tự động đẩy mạnh điện áp của tín hiệu tần số thấp. Từ tín hiệu cảm biết, hệ thống cũng đo được dung tích của hạt dung dịch, công với thông tin về vị trí, nó sẽ theo dõi được quá trình phản ứng của các chất.

Nhà nghiên cứu Umapathi tin rằng kênh dẫn vi lưu điện tử sẽ giảm thiểu giá thành sản xuất trong ngành công nghiệp sinh học. Đơn cử, công ty dược khi nghiên cứu thuốc sẽ dùng hàng chục cho tới hàng trăm ống hút pipet gắn vào robot, chỉ dùng được trong khoảng 1 tuần là các ống hút sẽ trở thành vô dụng. Đây chính là lý do tại sao việc nghiên cứu thuốc mới lại đắt đỏ đến thế.

Nhà sáng lập và cũng là CEO của BioBright, công ty phát triển hệ thống thông tin phân chia tài nguyên dữ liệu giữa các thử nghiệm sinh học, có đôi lời: "Trong vòng 15, 20 năm qua, xu hướng trong nghiên cứu thuốc luôn là hướng tới khối lượng nhỏ hơn, bởi lẽ chúng có khả năng làm được nhiều việc hơn. Cái cách mà anh Udayan thực hiện kênh dẫn vi lưu điện tử là cách ít tốn kém hơn, lại thực hiện được trên một mặt phẳng chứ không còn bị kẹp nữa. Anh đã làm tốt hơn những người tiền nhiệm rất nhiều. Thật thú vị khi anh ấy làm được không những với điện áp thấp hơn, mà lại làm được với chỉ một bảng điện cực duy nhất".