Устройство бесконтактного управления движением клеток и наночастиц

Полезная модель относится к технологиям построения магнитных микросистем, основанных на аморфных микропроводах, и может быть использована в биомедицине, медицинской физике и биотехнологиях для контроля, управления и фиксации парамагнитных и диамагнитных объектов.
Известно магнитное устройство для цилиндрических диамагнитных материалов (US 8895355, опублик. 25.11.2014), состоит из массива диаметрально намагниченных цилиндрических магнитов (размером около 1 см.), располагающихся параллельно друг другу парами на подложке для улавливания графитовых трубок постоянным градиентным магнитным полем.
Недостатками устройства являются узкоспециализированное применение, в частности, возможность захвата только графитовых трубок, углеродных нанотрубок; отсутствие возможности перемещения фиксируемых диамагнитных объектов из одной области системы в другую, связанная с геометрией расположения микромагнитов; крупный размер цилиндрических постоянных магнитов (порядка 1 см.); отсутствие возможности управления градиентами поля в процессе проведения исследования.
Наиболее близким аналогом является устройство («Diamagnetically trapped arrays of living cells above micromagnets» Lab Chip, 11, 3153-3161, опублик. 04.07.2011), которое представляет собой систему микромагнитов на кремниевой подложке, создающую фиксированные градиенты магнитных полей, осуществляющих фиксацию и сортировку диамагнитных объектов.
Недостатками прототипа являются узкоспециализированное применение и относительно сложная технология изготовления; отсутствие возможности управления градиентами поля в процессе проведения исследования; отсутствие возможности перемещения фиксируемых диамагнитных объектов из одной области системы в другую, связанная с геометрией микромагнитов; отсутствие возможности управления коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью микромагнитов извне.
Технический результат полезной модели заключается в расширении функциональных возможностей за счет обеспечения бесконтактного управления движением клеток и управления распределением магнитных наночастиц в биообъектах.
Технический результат достигается следующим образом.
Устройство бесконтактного управления движением клеток и наночастиц в биообъектах содержит подложку с матричной системой микрокатушек, соединенных с блоком управления, на которой размещена матрица, состоящая из параллельно-перпендикулярно расположенных аморфных микропроводов в биосовместимой стеклянной оболочке, образующих решетку с возможностью локального формирования высокоградиентного магнитного поля в ее узлах.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана геометрия расположения микропроводов друг относительно друга, фиг. 2 - общий вид расположения подмагничивающих микрокатушек, на фиг. 3 - схема соединения матричной системы микрокатушек; на фиг. 4 - результат моделирования потенциальной энергии систем микропроводов.
Полезная модель включает: аморфные микропровода 1, исследуемый объект 2 (клетка), подложка 3, матричная микрокатушка 4, держатель 5 подложки (корпус). Работа устройства осуществляется следующим образом.
Аморфные ферромагнитные микропровода 1 в стеклянной биосовместимой оболочке, образуют решетку из параллельно и перпендикулярно уложенных микропроводов 1, градиенты магнитных полей которых можно изменять в процессе проведения исследования. Коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью микропроводов 1 легко управлять извне с помощью микрокатушек 4.
Система микропроводов 1 разработана для бесконтактного управления движением клеток и управления распределением магнитных наночастиц в биообъектах и позволяет осуществлять сортировку клеток, реализовывать диамагнитный и парамагнитный захват, управлять распределением магнитных наночастиц.
Управление распределением магнитных наночастиц в биообъектах происходит следующим образом. Емкость с исследуемой клеточной суспензией или суспензией парамагнитных наночастиц имеет произвольное диффузионное распределение частиц, она помещается на поверхность устройства, наночастицы или парамагнитные частицы в результате вынужденной диффузии под действием магнитного поля перераспределяются и фокусируются локально в точках максимума градиентного поля, сформированных в узлах решетки микропроводов. Перераспределение магнитных наночастиц осуществляется изменением градиента магнитного поля путем перемагничивания микропроводов 1 системой микрокатушек 4, расположенных на подложке 3. По окончании исследования суспензия удаляется с поверхности устройства.
4
Бесконтактное управление движением клеток происходит следующим образом. Для построения магнитной матрицы используются аморфные микропровода 1 на основе кобальта в стеклянной оболочке, полученные методом Улитовского-Тейлора, с диаметрами от 15 до 50 мкм. При параллельно-перпендикулярном расположении микропроводов 1 в узлах решетки формируются сильные градиенты магнитного поля. Формируется система микропроводов 1 на подложке 3, на которую помещают клеточную суспензию с гадолиниевым контрастом. Клетки перераспределяются - захватываются магнитными ловушками. Клетка, захваченная этими градиентами, может удерживаться в узлах решетки или может быть перемещена в другой узел путем перемагничивания определенного микропровода 1 соответствующей ей матричной катушкой 4. Подложка 3, содержит интегрированную матрицу катушек 4, каждая катушка при протекании через нее тока 500 мА способна создать градиент магнитного поля 10 Тл/м.
-5
-4
Предложенные матрицы аморфных микропроводов 1 с продольной намагниченностью создают уникальный профиль распределения магнитного поля с седловидным минимумом, что позволяет реализовать левитацию диамагнитных клеток с относительной восприимчивостью порядка 10. Создаваемые градиентные магнитные поля могут представлять интерес для осуществления магнитного транспорта парамагнитных частиц. В результате проведенного моделирования было продемонстрировано, что для парамагнитной восприимчивости порядка 10 и характерных параметров диффузии в жидкости концентрация частиц около провода увеличивается почти в 2.5 раза через характерное время порядка 30 с, что соответствует стационарному распределению.
Так как системы микропроводов 1 используются при работе с живыми клетками необходимо гарантировать, что микропровода 1, а также создаваемые ими сильные поля не вызывают преждевременно смертности клеток. Для определения нетоксичности поверхности микропроводов 1, а также безопасности высокоградиентных полей, произведены экспериментальные исследования, подтверждающие биосовместимость микропроводов.
m
m
Полученное в результате моделирования пространственное распределение поля показывает, что клетка может попадать в диамагнитную ловушку и стабильно удерживаться там. Потенциальная энергия в магнитном поле частицы объема V определяется - магнитным моментом P и индукцией магнитного поля, для неферромагнитных частиц величина P линейна по отношению к полю и определяется ее восприимчивостью χ:
m
P= χNVH (1),
m
∧
где P - магнитный момент, А*м2;
∧
V - объем частицы, м3;
∧
χ - магнитная восприимчивость, кг-1;
Н - напряженность магнитного поля, А/м;
N - размагничивающий фактор (~1/3 для сферической частицы).
-5
Типичная магнитная клетка имеет диамагнитную (отрицательную) восприимчивость порядка -10. Для частицы в гравитационном и магнитном полях полная энергия (на единицу объема) записывается в виде:
∧
g - ускорение свободного падения, м/с2;
U - потенциальная энергия, Дж;
0
μ - магнитная постоянная, Н;
g
F - гравитационная сила, Н/кг;
∧
χ - магнитная восприимчивость, кг-1;
В - магнитная индукция, Тл;
N - размагничивающий фактор (~1/3 для сферической частицы);
∧
ρ - плотность частицы, кг/м3;
N - размагничивающий фактор (~1/3 для сферической частицы);
а - радиус провода, м.
Пространственное распределение полной энергии - распределение эквипотенциальных кривых относительно координат в плоскости для периодической системы микропроводов - отчетливо демонстрирует существование потенциальных ям (магнитных ловушек). Высота левитации увеличивается при увеличении абсолютной величины магнитной восприимчивости, что может достигаться посредством введения парамагнитного контраста. Используя приближенное выражение для распределения магнитного поля, можно получить аналитическое соотношение для минимального значения магнитной восприимчивости, при которой возможно осуществить магнитный захват над системой микропроводов:
∧
где g - ускорение свободного падения, м/с2;
∧
ρ - плотность частицы, кг/м3;
а - радиус провода, м;
М - намагниченность, А/м;
0
μ - магнитная постоянная, Н.
5
-5
Для характерных параметров микропроводов (М - 5×10А/м), и плотности клетки ρ порядка плотности воды минимальное значение восприимчивости оказывается порядка 10 можно получить, что тепловая энергия (U) оказывается на несколько порядков ниже. Следовательно, предложенная система микромагнитов, состоящая из решетки микропроводов 1, имеет потенциал применения для фиксации клеточных объектов и сортировки клеточных объектов.
5
Результаты моделирования показаны на фиг. 4. На фиг. 4 показано распределение магнитного поля от четырех микропроводов расположенных под углом в 90 градусов. Длина провода 2L=100а, где а - радиус провода а=20 мкм, М - намагниченность М=5⋅10, расстояние от центра координат до провода равно d=2,5а.
В предложенном устройстве бесконтактного управления движением клеток и управления распределением магнитных наночастиц в биообъектах достигается:
непосредственное управление градиентами магнитных полей;
миниатюрность (диаметр микропровода от 12 до 50 мкм);
биологическая совместимость (подтверждена экспериментально).
Пример.
В зависимости от задач эксперимента выбираются провода с ферромагнитным центром на основе Со или Fe, в состав которых входят аморфизаторы B и Si. Для полезной модели были выбраны микропровода состава -  общий диаметр которых составляет 12-19 мкм, а диаметр ферромагнитной жилы - 10-15 мкм. И микропровода состава  21-37.5 мкм, обладающие доменной структурой. Формируются решетки микропроводов (50-100 микропроводов на подложке), так, чтобы сформировались диамагнитные ловушки (расстояние между микропроводами порядка 4 радиусов). После того, как матрица микропроводов переведена в исходное состояние и биоматериал (среда-носитель с клетками) размещен на подложке, клетки сразу занимают позиции минимумов энергии, это позиции магнитных ловушек. Для перемещения клетки в соседний узел решетки необходимый микропровод размагничивается матричной катушкой, одна из стенок ловушки пропадает и клетка начинает перемещение, по завершению которого микропровод вновь намагничивается и клетка фиксируется в другом узле ячейки.
Разработанная полезная модель обладает следующими преимуществами.
Широкий спектр манипуляций парамагнитными и диамагнитными объектами.
Возможность управления величиной градиента магнитных полей в процессе проведения исследования.
Легкость управления коэрцитивной силой и остаточной намагниченностью извне.
Микронные размеры проводов позволяют собрать миниатюрный манипулятор.