Organi na čipu - za hitrejše raziskave delovanja zdravil

En najbolj kompleksnih postopkov izdelave novih zdravil je njihovo testiranje. Znanstveniki morajo najprej testirati zdravila na (celih) živalih, kar ni poceni in še manj etično. Poleg tega ni nujno, da rezultati predvidijo vse efekte, jas lahko človeški organizem reagira specifično.

Tako so sedaj znanstveniki prišli na idejo, da testirajo zdravila na manjšem vzorcu živega organizma, ki ga vpnejo v mikročip, ki služi simulaciji okolja v katerem se bi nahajal vzorec. Če smo mikročipe, ki omogočajo detekcijo. analizo in drugo obravnavo bioloških substanc na mikročipu imenovali Laboratorij na čipu, sedaj sisteme, ki omogočajo analizo delovanja dela organizma Organi na čipu.

Znanstveniki s Harvarda so tako vzeli vzorce pljuč in jih vpeli na mikročip, ki tako delujejo kot sistem, ki diha, prenaša hranilne snovi do celic in se imunsko odziva na neznane dražljaje. Podobno so japonski znanstveniki opazovali odziv "organizma z rakastimi celicami" na čipu na zdravila.

 Taki sistemi so seveda šele na začetku raziskav, nedvomno pa se bodo spoznanja s tega področja s časom razširila in obogatila.

Več: Organs-on-a-Chip for Faster Drug Development New devices may help bring drugs to market faster

Pospeševalnik na čipu

Znani so veliki pospeševalniki delcev, kjer je radij pospeševalnika lahko več kilometrov. En večjih je npr. dobro znani CERN. Manjši pospeševalniki so npr. polmera nekaj dest ali sto metrov. En takih je v naši neposredni soseščini, pravzaprav na Slovenski zemlji v Bazovici pri Trstu, t.i. Sinhrotron Ellettra. Sedaj pa je raziskovalcem uspelo narediti tudi pospeševalnik delcev izredno majhnih dimenzij. Naredijo ga kar na čipu s t.i. MEMS tehnologijo - tehnologijo mikroobdelave silicija, ki ima za osnovo polprevodniško tehnologijo izdelave elektronskih elementov, vendar je ta tehnologija prirejena še za dodatno obdelavo osnovnega substrata (običajno silicij). Na MEMS konferenci 20011 v Cancunu, Mehika, so predstavili miniaturni pospeševalnik delcev, ki lahko ione argona pospeši do energije 1,5 keV (kilo elektronvoltov) na poti petih milimetrov, nakar je potrebno smer delca ukriviti, kar naredi naprava z vzpostavitvijo ustreznega prečnega električnega polja. V običajnih pospeševalnikih uporabljajo za pospeševanje nabojev električno polje, za ukrivljanje poti pa močne (in drage) magnete. ...

Več o tem in o zanimivih možnostih uporabe take naprave si preberite v originalnem članku:

Stanford researcher's new stretchable solar cells will power artificial electronic 'super skin, Stanford Report, February 22, 2011

Miniaturni pospeškometri iz papirja

Miniaturni pospškometri izdelani z MEMS tehnologijo mikroobdelave (Micro-Electro-Mechanical-Systems) so znani že nekaj časa. Morda najbolj znana aplikacija so zračne blazine, kjer pospeškometer zazna trk in sproži napihovanje blazine. Novejše aplikacije so v prenosnih računalnikih in telefonih, kjer skrbijo za avtomatično zaustavitev diska ob padcu, zaznavanja spremembe rotacije zaslona itd.

Še cenejši senzorji bi seveda omogočali nove aplikacije. Raziskovalcem iz Harwarda je uspelo izdelati tak poceni način izdelave miniaturnih pospeškometrov in sicer kar iz papirja. Za osnovo so vzeli kar papir za kromatografijo in z uporabo principa piezoresistivnosti (sprememba električne upornosti pri raztezku) realiziral senzorje, ki jih je mogoče izdelovati kar s pomočjo tehnike sitotiska. To pa je seveda mnogo ceneje, kot z uporabo drage mikrotehnologije.

Več: Spectrum IEEE

OKNA, KI DAJEJO ELEKTRIKO

Slej ko prej se bo to zgodilo - da bomo imeli vgrajena okna, ki bodo delovala podobno kot paneli s sončnimi celicami. Razvoj neprenehoma poteka v smer novih materialov, ki bi to omogočali. Potrebno je pač izdelati ustrezno tanek in transparenten film, ki bi imel lastnosti sončnih celic, to je, ločevanja električnega naboja med elektrodami.

Nedavno so raziskovalci iz U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory and Los Alamos National Laboratory) poročali o izdelavi tankega filma relativno velike površine, ki omogoča absorpcijo svetlobe in separacije naboja (Xu et al., Chem Mater (2010) doi: 10.1021/cm102160m). Običajne sončne celice so iz polprevodniških materialov, zaradi cenenosti najpogosteje iz amorfnih, to je takih, ki nimajo zelo urejene kristalne strukture. Novejše raziskave, tudi omenjena, pa potekajo na področju uporabe polimerov, ki jih ustrezno obdelajo, da pridobijo polprevodniške lastnosti. Xu s sodelavci je dosegel transparentnost takega materiala s kontroliranim dodajanjem fulerenov (fulereni so molekule sestavljene iz atomov ogljika in soo oblike votle krogle ali valja- http://en.wikipedia.org/wiki/Fullerene). Dobljeni film ima strukturo satovja. To omogoča, da je material transparenten, saj so močne vezi ustvarjene le v stenah satovja, v sredini pa je materiala manj in je s tem transparenten.

Tak material jim je uspelo dobiti s pomočjo pretoka mikronskih kapljic vode preko tankega filma iz mešanice polimera in fulerenov. Kapljice so se ugreznile v strukturo iz polimerov in fulerenov in ko je po procesu voda izhlapela je ostalo omenjeno satovje.

(ne moreš da verjameš):

Vir: http://www.materialstoday.com/view/14348/power-generating-windows/

Breakthrough: Scientists harness the power of electricity in the brain

Researchers at the school and colleagues from the Swartz Center for Computational Neuroscience at the University of California, San Diego have developed technology that for the first time allows doctors and scientists to noninvasively isolate and measure electrical brain activity in moving people.
This technology is a key component of the kind of brain-computer interfaces that would allow a robotic exoskeleton controlled by a patient's thoughts to move that patient's limb, said Daniel Ferris, associate professor in the School of Kinesiology and author of a trio of papers detailing the research.

Tako nekako se začne članek na Physorg.com (http://www.physorg.com/news/2010-11-breakthrough-scientists-harness-power-electricity.html). Zelo bombastično. Problem je v tem, da je dandanes toliko novic, da jih je težko presortirati in presoditi ali so resnično usodne in izredno pomembne. Novinarji pač radi malo začinijo, popoprajo članke, da se naredi čim večji veter. Da se o zadevi govori in piše. In zelo težko je presoditi, ali je stvar resnično revolucionarna ali ne. Ko sem - res nekoliko na hitro - pogledal bolj pobliže vire, iz katerih je nastal zapis, se izkaže, da gre za zelo mukotrpne in že dolgotrajne raziskave električnih signalov, ki jih lahko merimo na površini človeškega telesa, saj milioni in milioni celic v našem telesu med sabo komunicirajo s pomočjo električnega toka. Do določene mere lahko to dogajanje zaznamo na površini telesa (še lažje pa v notranjosti) z primerno postavitvijo elektrod in merjenjem električnega potenciala. Metoda je že dolgo znano pod imenom EEG (elektroencefalografija, glej recimo Wiki: http://en.wikipedia.org/wiki/Electroencephalography), obstajajo pa tudi podobne metode npr. merjenja mišičnih odzivov (EMG - elektromiografija) ali pa tudi morda še najbolj znana EKG (elektrokardiografija), ki nam jo hitro naredijo v vsaki malo bolje opremljeni zdravniški ambulanti, če sumijo na nevarnost srčnega infarkta.

No, problem EEGja je, da izmerimo (poleg šuma) zelo veliko signalov, ki jih je potrebno nekako obdelati in povezati s tem, kaj se dogaja v npr. možganih. Tu pride prav malo matematike, obračanja matrik in podobno, recimo z metodo ICA (independant component analysis) od koder se poskuša izluščiti kakšno koristno informacijo. Zadeva je še dolgo od tega, da bi bila dorečena. Je pa res, da so senzorji vedno boljši, manjši, elektronika ima manj šuma, računalniki hitrejši, kar vse pripomore k boljšim raziskavam. Tudi na tem področju.

Bakterije in elektrika

Zelo mamljiva je zamisel, da bi nam bakterije delale elektriko. Znanstveniki ugotavljajo, da bi morda nekaj takega bilo mogoče. Raziskave nekih globokomorskih bakterij so pokazale, da v kolikor jih postavimo v okolje z malo kisika, tvorijo male poganjke/nanocevke iz proteinov, ki imajo sposobnost iskanja kisika, pri čemer so sposobne elektrone razširjati po "ožičenem" sistemu, ki ga vzpostavijo z nanocevkami. Kisik je znan kot akceptor (prejemnik) elektronov, bakterije pa naj bi "dihale" na ta način, da oddajajo elektrone. Torej naj bi sistem nanocevk deloval kot elektrofikacijski sistem, ki bi olajšal prenašanje elektronov iz enega mesta do drugega, pač, do tja, kjer se nahajajo akceptorji.

Ključne besede: bacteria go electric, nanowire biological circuit, ...

Akustična pinceta za manipulacijo (sub)mikronskih delcev

Tehnologija ki obeta.

ključne besede: acoustic twezzers

Že nekaj časa poteka razvoj t.i. optičnih pincet (optical tweezers), ki omogočajo manipulacijo (sub)mikronskih delcev s pomočjo močnega laserskega žarka. Ta ustvarja v svoji okolici spremembo električnega polja (bolj natančno je sila na delce odvisna od kvadrata gradienta električnega (in magnetnega) polja). To prikazuje shematično slika, na kateri vidimo, da deluje sila na delec, ki ga vleče v smeri centra žarka. Še bolj osnovna razlaga bi bila, da deluje sila na delec kot posledica vsote momentov od odbitih fotonov.

Več o optičnih pincetah si lahko preberete npr. na straneh:
http://www.stanford.edu/group/blocklab/Optical%20Tweezers%20Introduction.htm
ali
http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers (in reference znotraj)


Trenutno poteka zanimiv razvoj na področju t.i. akustičnih pincet, kjer namesto močnega laserskega žarka vzpostavijo sile na delce z akustičnimi valovi. Ta zelo zanimiva tehnika lahko v mnogočem poenostavi zapleten optični sistem. V osnovi je potrebno imeti vir zvoka, ki pa ga z današnjim stanjem tehnologije brez problema najdemo v miniaturnih piezoelektričnih pretvornikih. Z dvema nasproti postavljenima pretvornikoma je mogoče vzpostaviti stoječe valovanje v katerega se ujamejo delci.
Sliki prikazujeta ujetje polistirenskih delcev manjših od 2 mikrometra (zelene pikice) in skupke rdečih krvnih celic (cca 6 mikrometrov). Stojni val je imel valovno dolžino 100 mikrometrov z močjo 2 kW/m^2.

Kliknite še na video prikaz!



Viri:

http://physicsworld.com/cws/article/news/40311

Radio čip na osnovi idej o delovanju človeškega ušesa

Ideje, da bi poskušali posnemati naravo so že kar nekaj časa prisotne. In tudi obrodile določene uspehe. Tokrat je prišla zanimiva rešitev od raziskovalcev na MIT (znamenite univerze v ZDA). Ti so uspeli izdelati čip, ki deluje na podoben način kot človeško uho. Zazna mehansko nihanje v zraku (zvok) in ga pretvori v električni signal. In to ne z uporabo kondenzatorjev, tuljav in drugih elektrotehniških pripomočkov (elementov) pač pa z uporabo principov mikroobdelave in znanja iz mehanike tekočin, piezoelektrikov itd.

Kako deluje človeško uho si lahko preberete v članku iz portala kvarkadabre:

http://www.kvarkadabra.net/article.php/Kako-deluje-sluh

Daljšo zgodbo izdelavi radio čipa pa na strani

http://web.mit.edu/newsoffice/2009/bio-electronics-0603.html

in

http://web.mit.edu/newsoffice/2009/techtalk53-22.pdf

Bistvena prednost novega čipa pred klasičnimi naj bi bila izredna hitrost delovanja in bistvena, tudi 100 krat manjša poraba. Pustimo se presenečati.

Elektrostatični kondenzator iz nanopor

Značilnost ultrakondenzatorjev je, da imajo izredno veliko kapacitivnost. Če so običajne kapacitivnosti velikosti mikro ali pikofaradov, imajo ultrakondenzatorji kapacitivnosti velikosti faradov, torej milijonkrat več. Kako to dosežejo?

Kapacitivnost opisuje zvezo med električnim nabojem na elektrodama (+-Q) in napetostjo med elektrodama kondenzatorja U : Q = CU. Več kot je naboja med elektrodama višja je napetost. Hkrati je mera za zmožnost shranjevanje energije, večja kapacitivnost omogoča shranjevanje večje količine energije pri enaki napetosti: W= 0,5*CU^2.

Iskaže se, da je kapacitivnost snovno-geometrijska lastnost. Odvisna je od materiala med elektrodama ter od razdalje med elektrodama in površine elektrod. Večje kapacitivnosti se doseže pri večji površini elektrod in manjši razdalji med elektrodama.

Večje kapacitivnosti so bistvenega pomena za nadaljnji razvoj naprav, ki temeljijo na uporabi prenosne električne energije. Morda največji trg predstavljajo v bodočnosti avtomobili na električno energijo. Predvsem pa je pomembno, da kondenzator omogoča čim večjo kapacitivnost na težo in hkrati čim večjo moč na težo.

Na Univerzi Maryland (ZDA) so uspeli izdelati kondenzator iz nanopor, v katere s tehnologijo depozicije atomskih plasti (ALD: atomic layer deposition) kontrolirano nanesejo (deponirajo) tako prevodne kot neprevodne plasti. Nanopore so izdelali z anodizacijo tankih lističev aluminija, nato pa s tehnologijo ALD nanesli prevodno plast (TiN), nato izolatorja (Al2O3) in zopet prevodnika (TiN). Pri 1 um debeli plasti aluminija so dosegli kapacitivnost (na površino) 10 uF/cm2, kar je izjemen rezultat. Taki nanokondezatorji uspevajo doseči moči 10^6 W/kg, hkrati pa tudi zelo velike gostote energije (0,7 Wh/kg), kar je sicer značilno le za elektrokemijske kondenzatorje.

Slika 1: Kondezator kot strnjen element, priključen na vir napetosti U.

Slika 2: Zveza med nabojem in napetostjo na kondenzatorju ter energija shranjena v kondenzatorju.

Slika 3: Postopek izdelave nanoporskih kondenzatorjev s formiranjem por v aluminijev listič in nato z izmeničnim nanašanjem atomskih plasti prevodnega in izolirnega materiala.

Slika 4: Zelo regularna formacija nanopor.

Slika 5: Formiran kondenzator v preseku slikam s SEM (skenirnim elektronskim mikroskopom).

Več:

Banerjee et al.: Nanotubular metal–insulator–metal capacitor
arrays for energy storage, Nature Nanotechnology doi: 10.1038/nnano.2009.37 (2009).

Printanje s srebrnimi nanodelci

Že nekaj časa spremljam razvoj na področju tiskanja vezij s prevodno barvo. Razvoj na tem področju je hiter in nedvomno bodo v nekaj letih postali klasični načini izdelave PCB vezij zastareli. Vsaj za izdelavo testnih vezij.

V blogu bi omenil le zadnji dosežek raziskovalcev iz Univerze Illinois (ZDA), katerim je uspelo izdelati prevodno barvo na osnovi srebrnih nanodelcev. Najmanjša dosežena debelina tiskanja nanodelcev je bila 2 mikrometra, kar je sijajno in odpira možnosti uporabe tovrstnega tiskanja tudi pri izdelavi mikrostruktur.Printajo lahko na polprevodniški substrat, steklo ali plastiko. Največja zanimivost pa je tako imenovano omnidirectional printanje, torej nekakšno tiskanje v vse smeri. Slika spodaj kaže, da jim je dejansko uspelo narediti prevodne proge, ki kot mostovi prečkajo spodaj ležeče prevodne proge. To omogoča printer, ki se lahko goblje v treh smereh. Poleg tega je potrebno po printanju vse skupaj postaviti v pečico na 150 stopinj C, podobno kot pizzo.

Slika: 4x4 GaAs diode povezane s povezamavi iz srebrnih nanodelcev.

Spodnja slika kaže, da je mogoče s predstavljeno tehnologijo printati tudi na fleksibilne površine.

Vir: http://news.illinois.edu/news/09/0212ink.html

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/1168375v1