ความก้าวหน้าทางการแพทย์กำลังมาถึงจุดที่เราสามารถควบคุมของเหลวขนาดเล็กระดับไมโครได้อย่างอิสระ เมื่อทีมนักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาไมโครชิปรูปแบบใหม่ที่สามารถสร้างและควบคุม "ฟองอากาศขนาดจิ๋ว" ทำให้สามารถกำหนดทิศทางการไหลของของเหลวในระดับไมโครได้อย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยนำส่งยารักษาโรคตรงเข้าสู่เซลล์เป้าหมายโดยไม่ก่อให้เกิดผลข้างเคียงต่อเซลล์ส่วนอื่นของร่างกาย
ฟองอากาศจิ๋วที่คุมทิศทางได้ เปลี่ยนวิธีควบคุมของเหลว
โดยทั่วไป การควบคุมของเหลวในระดับไมโครสเกลมักเจอปัญหาความไม่เสถียร เนื่องจากฟองอากาศในระบบควบคุมยากและหลุดลอยได้ง่าย แต่ชิปขนาดเล็กเพียง 3 มิลลิเมตรชิ้นนี้ ได้แก้ปัญหาดังกล่าวด้วยกระบวนการทางเคมีและฟิสิกส์ที่ลงตัว
หลักการทำงานเริ่มต้นจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าแรงดันต่ำผ่านขั้วไฟฟ้าขนาดเล็กมากเพียงไม่กี่ไมครอนที่จมอยู่ในน้ำ กระแสไฟฟ้าจะทำการแยกโมเลกุลของน้ำเพื่อสร้าง "ฟองก๊าซไฮโดรเจน" ขึ้นมาตรงจุดขั้วไฟฟ้า จากนั้นจะยิงคลื่นเสียงอัลตราซาวนด์เข้าไปกระตุ้นให้ฟองอากาศเกิดการสั่นสะเทือน เพื่อดึงดูดของเหลวให้ไหลไปในทิศทางที่กำหนดไว้
สร้างฟองก๊าซขนาดจิ๋ว ควบคุมได้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์
งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ (Cornell University) ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Science Advances ภายใต้ชื่อ Ultrasound-Driven Electronically Programmable Microbubbles
ทีมวิจัยพัฒนาระบบที่สามารถสร้างฟองก๊าซไฮโดรเจนบนขั้วไฟฟ้าขนาดเล็ก แล้วใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กระตุ้นให้ฟองเกิดการสั่นสะเทือน จนทำให้ของเหลวโดยรอบเคลื่อนที่ตามรูปแบบที่กำหนดได้ โดยได้ทดลองใช้อุปกรณ์ที่มีขั้วไฟฟ้า 9 จุด เรียงเป็นตารางบนพื้นที่ขนาดประมาณ 3 มิลลิเมตร โดยแต่ละจุดสามารถสร้างฟองก๊าซที่มีขนาดประมาณ 10–100 ไมโครเมตร หรือ 0.01–0.1 มิลลิเมตร ขนาดของฟองมีความสำคัญต่อการตอบสนองต่อคลื่นเสียงและแรงที่ส่งผ่านไปยังของเหลว
คลื่นอัลตราซาวนด์ควบคุมทิศทางของเหลวได้อย่างไร
ระบบเริ่มจากใช้ไฟฟ้าสร้างฟองก๊าซไฮโดรเจนที่ขั้วไฟฟ้าขนาดเล็ก จากนั้นใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กระตุ้นให้ฟองสั่นสะเทือนและถ่ายทอดพลังงานไปยังของเหลวรอบ ๆ ทำให้เกิดการไหล โดยต้องปรับขนาดฟองให้สัมพันธ์กับความถี่ของคลื่นเสียง เพื่อให้เกิดการสั่นพ้องและสร้างการไหลได้อย่างมีประสิทธิภาพ การปรับขนาดและตำแหน่งของฟองจึงช่วยกำหนดทิศทางการเคลื่อนที่ของของเหลวได้ โดยไม่ต้องขยับอุปกรณ์ทั้งชิ้น
จัดเรียงฟองต่างกัน ก็เปลี่ยนทิศทางการไหลได้
การควบคุมของเหลวขึ้นอยู่กับจำนวน ขนาด และตำแหน่งของฟองก๊าซ เช่น ฟองสองฟองที่มีขนาดต่างกันสามารถสร้างแรงไม่สมดุลจนทำให้ของเหลวไหลไปในทิศทางหนึ่ง ขณะที่การจัดเรียงฟองหลายฟองเป็นแนวตรงหรือรูปตัว L สามารถสร้างรูปแบบการไหลที่แตกต่างกันได้ นอกจากนี้ ยังสามารถสร้างฟองใหม่ทดแทนฟองเดิมได้เมื่อจำเป็น ช่วยให้ระบบปรับเปลี่ยนการทำงานได้ยืดหยุ่นขึ้น
จากห้องทดลองสู่การแพทย์และหุ่นยนต์จิ๋ว
เทคโนโลยีนี้อาจต่อยอดสู่อุปกรณ์ควบคุมของเหลวระดับจุลภาคสำหรับงานตรวจวิเคราะห์ทางชีวภาพและการแพทย์ รวมถึงระบบนำส่งยาที่ต้องควบคุมของเหลวในปริมาณน้อยอย่างแม่นยำ อีกทั้งยังมีศักยภาพสำหรับพัฒนาหุ่นยนต์จิ๋วที่ต้องเคลื่อนที่หรือทำงานในพื้นที่จำกัด อย่างไรก็ตาม การนำส่งยาไปยังอวัยวะเป้าหมายในร่างกายมนุษย์ยังไม่ได้รับการยืนยันจากงานวิจัยนี้ และต้องมีการพัฒนาประสิทธิภาพและทดสอบความปลอดภัยเพิ่มเติม
โดยสรุปแล้ว แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะยังอยู่ในขั้นตอนการทดลองในห้องปฏิบัติการ แต่ประโยชน์ที่คาดหวังนั้นยังครอบคลุมทั้งทางการแพทย์และวิศวกรรมขั้นสูง
- การนำส่งยารักษาโรคตรงจุด สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์หมวด microfluidics เพื่อบังคับโมเลกุลยาให้มุ่งตรงไปยังเนื้อร้ายหรือเซลล์มะเร็งได้โดยตรง ช่วยลดปริมาณยาที่ต้องใช้และลดผลกระทบต่อเซลล์ปกติ
- หุ่นยนต์จิ๋วเพื่อการรักษา ปูทางสู่การสร้างวงจรควบคุมหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วระดับไมโคร ที่สามารถเคลื่อนที่และปฏิบัติการเจาะจงภายในเส้นเลือดหรือของเหลวในร่างกาย
เทคโนโลยีการใช้คลื่นเสียงควบคุมฟองอากาศจิ๋วนี้ถือเป็นก้าวสำคัญของการปฏิวัติระบบควบคุมของเหลวระดับไมโคร ด้วยความยืดหยุ่น ความแม่นยำ และความสามารถในการฟื้นฟูตัวเองได้ แม้จะยังต้องใช้เวลาพัฒนาเพิ่มเติมก่อนนำมาใช้งานจริงในวงการแพทย์ แต่ก็นับเป็นสัญญาณอันดีที่แสดงให้เห็นถึงอนาคตของการรักษาโรคแบบตรงจุด ซึ่งจะช่วยเพิ่มโอกาสและประสิทธิภาพในการรักษาผู้ป่วยในอนาคตอันใกล้
ที่มาของข้อมูล: cornell.edu, techxplore, interestingengineering
ที่มาของภาพ: Cornell Chronicle
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
