Кашель, глубокий вдох или смена позы могут нарушить подачу лекарства через тонкий микрокатетер: скачок давления способен затянуть внутрь кровь, клетки и частицы ткани, закупорить просвет и сбить дозировку. Инженеры из Шанхайского университета Цзяотун и Пекинского технологического института предложили необычное решение: напечатали прямо на внутренней стенке наконечника трехмерный клапан Теслы, который тормозит обратный поток без створок, датчиков и источника питания.
Авторы встроили микроклапан в капилляр с внутренним диаметром 100 микрометров и внешним диаметром 125 микрометров. Для сравнения, толщина человеческого волоса обычно измеряется десятками микрометров. Микроскопическую конструкцию сформировали непосредственно внутри изогнутого наконечника с помощью фемтосекундного лазера.
Принцип работы появился больше века назад. Никола Тесла запатентовал канал без подвижных деталей в 1920 году. В одном направлении жидкость проходит относительно свободно, а при попытке двигаться назад попадает в боковые ответвления, меняет направление и сталкивается с основным потоком. Геометрия рассеивает энергию и повышает сопротивление обратному движению, поэтому конструкцию часто называют жидкостным диодом.
Перенести принцип Теслы в медицинский микрокатетер оказалось непросто. В каналах шириной около 100 микрометров вязкость жидкости играет намного большую роль, а движение становится плавным и предсказуемым. Классические варианты клапана при низких числах Рейнольдса теряют часть эффективности, поскольку выраженные вихри и инерционные эффекты возникают значительно слабее.
Инженеры изменили трехмерную геометрию клапана и добавили ответвления под углом 45 градусов. При обратном движении поток разделяется, проходит по изогнутым участкам и образует локальные вихри. В испытаниях гидравлическое сопротивление в обратном направлении поднималось до 2,2 раза по сравнению с прямым потоком. При запуске подачи жидкости конструкция уменьшала обратный скачок давления на 73,5%, а при остановке подачи — на 82%.
Отдельной проблемой стала сама лазерная печать внутри гибкого капилляра. Тонкая трубка изгибается даже при небольшом механическом воздействии, поэтому лазер легко промахивается относительно внутренней поверхности. Команда разработала оптический алгоритм, который анализирует концентрические дифракционные кольца на торце катетера, вычисляет наклон трубки и корректирует траекторию лазера. Средняя ошибка выравнивания составила 0,8 градуса, а доля успешно изготовленных образцов достигла 90%.
Микроклапан проверили не только на воде. В течение пяти дней исследователи выращивали рядом с капиллярами клетки HepG2, чтобы оценить биосовместимость и способность конструкции противостоять закупорке. В контрольных капиллярах клетки проникали в открытый канал, тогда как вокруг клапана сохранялась четкая граница без заметного прорастания внутрь просвета. Дополнительный тест с обратным всасыванием жидкости, содержащей клеточный материал, также показал более высокую устойчивость защищенного канала к засорению.
Разработка пока остается лабораторным прототипом. Авторам предстоит проверить долговечность полимерной структуры при длительных перепадах давления, химическую устойчивость в биологических жидкостях и накопление осадка от лекарственных препаратов. Для нейромедицинских применений потребуются эксперименты с нейронами и глиальными клетками, а затем испытания на животных.
При успешной доработке пассивные микроклапаны могут пригодиться в системах длительной локальной доставки лекарств, где особенно важны стабильная дозировка и защита тонкого канала от загрязнения. Среди потенциальных областей исследователи называют введение препаратов в мозг, сетчатку и внутреннее ухо, а также другие имплантируемые микрофлюидные устройства.
