Kontrol af væsker kan gøre det lettere at diagnosticere sygdomme

Mennesker i selv de mest øde dele af verden vil kunne diagnosticeres i løbet af et øjeblik og med minimalt udstyr, når de mikroskopiske, mobile laboratorier 'lab-on-a-chip' for alvor bliver udbredt. Det er fuldt funktionsdygtige laboratorier, der ikke fylder mere end et kreditkort.

Det giver nogle enorme fordele. I stedet for at syge folk skal drage til lægestationer, få taget blodprøve og vente på svar, kan sundhedspersonalet komme til de syge, teste en enkelt dråbe blod og stille en diagnose med det samme. I tilfælde, hvor hurtig behandling er afgørende, vil det kunne redde menneskeliv.

»Hvis man for eksempel skal teste for hiv eller malaria, så kan man nøjes med at tage en 'lab-on-achip' med i stedet for et helt nødhospital. Man kan også forestille sig, at det kan bruges af almindelige mennesker til at holde øje med, om man fejler noget,« siger lektor ved Institut for Natur, Systemer og Modeller Jesper Schmidt Hansen.

Teknologien er langt fremme, og forskellige steder i verden bliver den blandt andet brugt til at tage blodprøver af køer på marken. Men der er stadig et enkelt problem. Når først blodet er suget ind i det lille nanorør, som kredsløbet består af, kan det ikke komme ud igen. Derfor kan de små laboratorier kun bruges en gang.

»Hvis der først er taget én blodprøve, så kan man ikke tage flere blodprøver, fordi væsken står helt stille. Hvis der er behov for at tage flere prøver, så bliver man nødt til at få blodet ud igen, men det kan man ikke så nemt, som man skulle tro,« siger Jesper Schmidt Hansen.
 

Væske i nanorør

En 'lab-on-a-chip' udnytter kapillær-kraften, som er et fysisk fænomen, der suger væske op gennem et rør, som er tilstrækkeligt tyndt. På den måde bliver blodet suget op igennem nanorør og ind i det mikroskopiske laboratorium, hvor prøven kan blive analyseret. Jo tyndere røret er, jo stærkere er kapillær-kraften. Faktisk er den så kraftfuld, at den i teorien vil kunne suge væske op i 70 kilometers højde igennem et nanorør, netop fordi røret er så tyndt.

Problemet med metoden er, at når væsken udfylder røret helt, holder kræfterne bag kapillær-kraften væsken fast i røret, så den ikke længere flyder. Det er derfor, hvert 'lab-on-a-chip' kun kan bruges en gang. 

Og det er ikke muligt at tømme nanorøret igen ved at pumpe eller puste, for det er umuligt.

Jesper Schmidt Hansen illustrerer udfordringen med forskellen på at puste i et glas vand gennem et almindeligt sugerør sammenlignet med et rør, der er fem gange smallere. Det bobler langt mindre, når man puster gennem det smallere rør.

»Man skal puste hårdere, fordi den mindre åbning gør modstanden større. Selv om røret kun er fem gange smallere, er modstanden blevet 100 gange større. Et nanorør, som dem der bliver brugt i en 'lab-on-a-chip', er så lille, at modstanden er 10 tusinde kvadrillioner gange større end sugerørets modstand. En kvadrillion er et ettal efterfulgt af 24 nuller. Det kan ikke lade sig gøre at puste gennem det. Det vil være som at forsøge at presse en sækkestol gennem et alt for lille rør,« siger han.

Det problem har Jesper Schmidt Hansen en løsning på, for han har udtænkt en metode, der kan få væsken til at løbe ud igen og dermed modvirke kapillær-kraften og modstanden i det meget lille nanorør. Det vil ikke bare gøre 'lab-on-a-chip'-apparaturer endnu mere effektive, men det er også et brud med den gængse viden inden for væskers bevægelse.

Indtil videre er det lykkedes i teoretiske matematiske ligninger og computersimuleringer, der bekræfter, at ligningerne holder.
 

Brud på fundamental regel

For at få det stillestående vand til at bevæge sig, udnytter Jesper Schmidt Hansen, at oxygenet i et vandmolekyle hiver elektronerne hen imod sig. Det medfører, at hvis man roterer et elektrisk felt rundt uden om røret, kan man få alle vandmolekylerne til at rotere, som hvis en magnet fik nålen i et kompas til at dreje rundt. Denne molekylære rotation får vandet til at bevæge sig.

»Det vil sige, at jeg ved at kontrollere vandet på det allermindste molekylære niveau, kan få væsken til at flyde ud af nanorøret igen. Dermed kan man genbruge 'lab-on-a-chip'-laboratoriet,« siger Jesper Schmidt Hansen.

At roterende molekyler kan danne en bevægelse af vandet er i stærk kontrast til den klassiske teori om væsker.

»Det er virkelig provokerende for mange, for det er et brud med det, der står i lærebøgerne,« siger Jesper Schmidt Hansen.

Det er med andre ord det brud med den gængse viden, som Jesper Schmidt Hansen har opdaget dybt i sine matematiske ligninger, der med tiden måske kan revolutionere sygdomsforebyggelse og diagnosticering i verdens fattigste lande. Hans forskningsgruppe samarbejder med israelske forskere, der vil forsøge at udføre teorien i praksis. Næste skridt er at kunne fabrikere mikroskopiske apparaturer, der danner det elektriske felt, så rotationen af vandmolekylerne kan udføres ude i marken.
 

Fakta: Kapillær-kraften

Kapillær-kraften får væske til at bevæge sig opad (eller langs) faste overflader og er et resultat af vekselvirkningerne mellem væsken og væggen. Effekten er tydeligst i snævre rør og er også grunden til, at vand kan suges ind i papir. Hvis væskemolekylerne og overfladeatomerne har såkaldte favorable vekselvirkninger, hvilket er tilfældet for vand og glas, så vil kapillær-kraften »hive« væsken opad. Omvendt hvis vekselvirkningen er ufavorabel, vil væsken »trykkes nedad«, som tilfældet er med kviksølv og glas.

Kilde: Jesper Schmidt Hansen