Микроэлектроника для чайников: Микроэлектроника для школьников от самого истока / Хабр

Микроэлектроника для школьников от самого истока / Хабр

Несколько лет назад довелось мне попробовать свои силы в заманивании пытливых отроков в разработку микроэлектроники. А дальше было, как в известной пословице: «Коготок увяз — птичке пропасть!» Остановиться уже не смог. Хочу поделиться с общественностью этим опытом, возможно, другие инженеры-электронщики тоже захотят устроить что-то подобное. Грамотнее народ – лучше жизнь.

Началось все с того, что мы почти случайно договорились с Межрегиональной компьютерной школой в подмосковной Дубне о проведении для их слушателей чего-то вроде лекции о проектировании микропроцессоров. Тема эта известна мне не понаслышке, два десятка лет в ней варюсь. Довелось поработать и в отечественных, и в зарубежных фирмах. Ну и почему бы подросткам не рассказать, в чем состоит работа инженеров, выдумывающих внутренности «процов». Это не среди таких же зануд на конференции выступать — перед детьми просто оттарабанить текст не получится. Если им будет совсем не интересно, то плевать им на почетные седины, блистательные лысины и надутые щеки.

Будут зевать, не стесняясь, и ерзать на стульях в надежде сбежать поскорее. Но есть и плюсы — всякие вольности, шутки, неточности и упрощения не вызовут негодования и требований сжечь еретика-докладчика. В общем, судя по количеству вопросов в процессе общения, первый блин вышел не комом, стало интересно двигаться дальше.

А дальше после подобного занятия со школьниками и преподавателями уже в лагере Goto Camp возникла идея дать попробовать детям самим собрать на макетке разнообразные «запчасти» для процессоров и пощупать их вживую. Благо в лагере среди разнообразных программистов было и логово робототехников, у которых можно было разжиться микросхемами, проводами, светодиодами и кнопками. Такой подход в тысячу раз лучше, чем разглядывать схемы и диаграммы на бумаге. Увидеть своими глазами, как нолики и единицы бегают внутри схемы, потыкать в логические вентили пальцем — что может быть надежнее для освоения материала. А то они программируют свои микроконтроллеры, как черные ящики, вообще не представляя, что у тех внутри шуршит. И даже ПЛИСы не решат задачу сделать электронику наглядной. Ну, написал ребенок на Verilog’е логическую функцию, ну, закачал ее через программатор внутрь — результат тот же, вся логика скрыта в недрах микросхемы. Поэтому — только вентили. А еще лучше — транзисторы.

Набор «рассыпухи», доступной в лагере на момент озарения, был небогатым. Но главное — он был. Нужно было на этой базе придумать нечто, что могло призывно мигать лампочками или чем-нибудь жужжать. Ситуация осложнялась тем, что я провел теоретическую беседу о микропроцессорах и уехал к себе домой за 50 км от лагеря. То есть я был тут, а детали — там.

Поэтому с одним из преподавателей пришлось устроить сеансы телеэлектроники. Я придумывал схемы, рисовал их на промокашках и пересылал фотографии ему. А он пытался разобрать эту клинопись, собрать ее на макетке и добиться правильной работы. Описывал мне результат в ответных сообщениях, а я старался определить причину неполадок и глюков, чтобы их устранить. Удивительно, но в итоге все же нам удалось победить две схемы: дешифратор адреса и мультиплексор.

Еще не было ясно, как это понравится детям, но уже было что им показать.

В лагере был устроен опрос, есть ли желающие посетить уже не лекцию, а семинар с лабораторкой на тему работы внутренностей цифровых чипов. Нашлась дюжина отважных пятнадцатилетних, которым не страшно было попробовать понять материал, который, между прочим, на третьем курсе института обычно рассказывают. Сразу было ясно, что из изложения надо к черту исключить ТТЛ, ЭСЛ и прочие замшелые типы логики, которыми профессура конопатит мозг студням. Только КМОП, только мейнстрим! На свой страх и риск включил туда объяснения принципов работы МОП-транзисторов в цифровых схемах. Но без физики полупроводников и прочих ужасов.

Здесь лирическое отступление в адрес тех, кто ругает современную молодежь за лень и глупость. Пусть они не бухтят, вот что. Нормальная у нас молодежь, не слушайте старых ворчунов, парни и девчонки. Лирическое отступление окончено.

Дети так ловко схватывали материал, после объяснений и примеров смело выходили к доске, установленной прямо на лужайке под открытым небом, и рисовали по таблицам истинности вентили на транзисторном уровне — это было прекрасно. Потом вместе на этих вентилях мы «изобрели» сумматор, дешифратор и мультиплексор. А после этого — тадам! — преподаватель и добрый волшебник Алексей вынес макетки с результатами наших с ним телемучений. Это вызвало некоторый ажиотаж среди слушателей — можно потрогать руками то, что только что рисовалось на доске фломастерами, и понажимать кнопки, наблюдая за переключением светодиодов на выходах. Лучшая реплика при этом была: «Ааааа, теперь я понял, куда подевались почти все провода из лаборатории!»

После этого дети задали много вопросов по электронике. На них мне, к счастью, хватило квалификации ответить. Кроме одного: «А где почитать про то, что вы рассказывали?» А ведь и негде. Старые советские книжки, по которым мы паяли свои цветомузыки и радиоприемники, устарели с точки зрения «цифры». Институтские буквари своими формулами отобьют всякое желание изучать электронику. Есть прекрасная книжка Харрисов, но там нет экспериментов на макетке. Есть отличные наборы компонентов с макетками, но там обычно нет подробных объяснений, как все эти устройства работают. Опять пришлось уезжать с чувством, как будто что-то не доделал.

Как известно, если тебя не устраивает то, что есть, не ной, а сделай сам, как считаешь нужным. Пришлось засесть за написание и издание учебно-практического курса для толковых школьников. Для этого, конечно, потребовалось купить детали, макетку, провода и начать играть в работу дома. Внезапно это оказалось страшно увлекательно.

Вот, например, игра «кто быстрее» на двух МОП-транзисторах:

Мы эту игру потом собрали на печатной плате с младшеклассником, и она вызвала живой интерес у его школьных товарищей, которые целую неделю на переменах азартно жали кнопки, отложив смартфоны в сторону. Кто там говорит, что детей от телефонов за уши не оттащишь? Ну а герой паяльника и канифоли потребовал придумать что-нибудь еще, чтобы можно было поразить товарищей.

А вот это — вентиль XOR (исключающее ИЛИ) на дюжине транзисторов:

А вот это D-триггер, срабатывающий по уровню (триггер-защелка). На нем прекрасно отрабатываются идеи запоминания и хранения данных:

Разобравшись с работой всех видов логических вентилей на транзисторном уровне, можно перейти уже к микросхемам малой степени интеграции серии CD4000.

Никаких чудес и магии в их работе уже не будет после возни с транзисторами на макетке. Вот, например, полный сумматор:

А вот, не поверите, макет оперативной памяти. Он, конечно, убогий — четыре регистра по два бита. Но это честная память с дешифраторами адреса, битовыми шинами, запоминающими ячейками и прочими узлами и проводами, в каждую точку которых можно ткнуть щупом логического пробника и по загорающимся и гаснущим светодиодам увидеть беготню нулей и единиц по схеме, разобрать в деталях процессы чтения и записи данных.

Всего в новом варианте курса для летней школы насчитывается три десятка схем, развлекательных и образовательных, которые последовательно от одного транзистора до десятка микросхем помогают детям узнать цифровую электронику, даже не умея программировать.

В общем, нынешним старшеклассникам точно по зубам освоение премудростей проектирования компьютерного железа с самого низкого уровня. Нет там ничего такого, что недоступно пытливому уму при современных компонентах и возможностях. Есть надежда, что удастся расширить и углубить пропаганду микроэлектронных ценностей среди населения.

Жанр: Электроника, микроэлектроника, схемотехника (67 книг)

Показывать:	НазванияАннотацииОбложки
Сортировать по:	алфавитуавторамдате поступленияскачиваниямоценкамгоду изданияразмеру

Зарегистрируйтесь / залогиньтесь для возможности сортировки книг.

• 1
• 2
• следующая ›
• последняя »

21.05.2023

–  Учитесь читать радиоэлектронные схемы. Выпуск 2  [Издание второе, переработанное] 11.5 Мб, 32с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Александр Леонтьевич Бартновский

–  Конструируем роботов. Дроны. Руководство для начинающих  (пер. Ф. Г. Хохолов) (и.с. Робофишки) 108.19 Мб, 226с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Джон Бейктал

–  Электроника. Сборник рецептов: готовые решения на базе Arduino и Raspberry Pi  (пер. И. В. Василенко) [на русском (ru) и английском (en)] (и.с. Бестселлеры o’reilly) 68.07 Мб, 482с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Саймон Монк

–  Практический курс микропроцессорной техники на базе процессорных ядер ARM-Cortex-M3/M4/M4F  11.71 Мб, 543с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Владимир Филиппович Козаченко – Алексей Сергеевич Анучин – Дмитрий Иванович Алямкин – Александр Александрович Жарков – Максим Михайлович Лашкевич

15.05.2023

–  Электроника в самоделках  [2-е издание, переработанное и дополненное] 4.28 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Борис Сергеевич Иванов

–  Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающи  (пер. Сергей Таранушенко) (и.с. Электроника) 105.06 Мб, 466с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Чарльз Платт

10.05.2023

–  Справочник по цифровой схемотехнике  16. 82 Мб, 449с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Виталий Петрович Сигорский – Виктор Иванович Зубчук – Анатолий Николаевич Шкуро

06.04.2023

–  Радиоэлектроника для “чайников”  (пер. М. В. Бойко) (и.с. Для «чайников») 89.07 Мб, 401с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Гордон Мак-Комб

–  Радиоэлектроника для “чайников”  (и.с. Для «чайников») 10.05 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Гордон Мак-Комб

05.04.2023

–  Экскурсия по электронике  30.11 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. Н. Гололобов

–  25 крутых проектов с Arduino  (пер. Михаил Анатольевич Райтман) (и.с. Электроника для начинающих) 15.72 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Марк Геддес

02.04.2023

–  500 схем для радиолюбителей. Часть 4. Источники питания  2.46 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Александр Прокопьевич Николаев – Майя Валерьевна Малкина

–  500 схем для радиолюбителей. Часть 3. Усилители НЧ и усилительно-комутационные устройства. Приставки к усилителям  2.73 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Александр Прокопьевич Николаев – Майя Валерьевна Малкина

–  500 схем для радиолюбителей. Часть 2. Радиоприёмники  2.17 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Александр Прокопьевич Николаев – Майя Валерьевна Малкина

–  500 схем для радиолюбителей. Часть 1. Радиопередатчики  505 Кб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Александр Прокопьевич Николаев

–  Электротехника, электроника и схемотехника : учебник и практикум для СПО  (и.с. Профессиональное образование) 39.06 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Светлана Александровна Миленина

–  Электроника. Математические основы обработки сигналов  [учебник и практикум для вузов] (и.с. Высшее образование) 145.04 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Олег Самигулович Вадутов

–  Электроника и микроэлектроника: импульсная и цифровая электроника  [учебное пособие для среднего профессионального образования, 2-е издание, исправленное и дополненное] (и. с. Профессиональное образование) 34.42 Мб, 244с. скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Валерий Шалвович Берикашвили

30.03.2023

–  Простая электроника для детей. Девять простых проектов с подсветкой, звуками и многое другое  (пер. Ф. Г. Хохлов) 1.75 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Эйвинд Нидал Даль

–  Устройство и программирование автономных роботов  [Проекты на Python и Raspberry Pi] (пер. Е. В. Шевчук) 59.17 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Дэнни Стейпл

21.03.2023

–  Проекты домашней автоматики на ESP8266  48.62 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Каталин Батрину

08.03.2023

–  Схемотехника. От азов до создания практических устройств  24.88 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – С. А. Гаврилов – А. И. Бартош

24.02.2023

–  Радиоэлектроника. От азов до создания практических устройств  106. 99 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. Н. Гололобов

13.02.2023

–  Шпионские и антишпионские штучки  24.35 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. А. Яковлев

29.01.2023

–  Электричество. Шаг за шагом  97.68 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Рудольф Анатольевич Сворень

26.01.2023

–  Микропроцессоры и микропроцессорные системы (аналитический обзор)  4.5 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – И. В. Антошина – Ю. Т. Котов

–  Технология многослойных печатных плат  4.35 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Антонина Арсентьевна Федулова – Юрий Александрович Устинов – Евгений Павлович Котов – Владимир Петрович Шустов – Эмиль Рафаелович Явич

28.12.2022

–  Светодиодные проекты на Arduino   11.84 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Самарт Шах – Утсав Шах

–  Проекты домашней автоматики на Arduino  17. 14 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Марко Шварц

27.12.2022

–  Arduino для секретных агентов  10.17 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Марко Шварц

02.08.2022

–  Электронные проекты на основе ESP8266 и ESP32: создание приложений и устройств с поддержкой Wi-Fi  (пер. Юрий Всеволодович Ревич) 14.81 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Нил Кэмерон

01.08.2022

–  Искусство схемотехники. Теория и практика  168.81 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Пол Хоровиц – Томас К. Хейс

13.07.2022

–  Электроника на железнодорожном транспорте: Учебное пособие для вузов ж.-д. трансп.  8.83 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Фаина Яновна Либерман

12.07.2022

–  Электроника в вопросах и ответах  4.58 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – И. Хабловски – В. Скулимовски

11.07.2022

–  Основы электроники для “чайников”  [3-е издание] (пер. О. Л. Пелявский) (и.с. Для «чайников») 64.89 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Кэтлин Шамие

10.07.2022

–  Полевой датчик Холла — новый тип преобразователя магнитного поля  326 Кб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. Н. Мордкович – М. Л. Бараночников – А. В. Леонов – А. Д. Мокрушин – Н. М. Омельяновская

14.06.2022

–  Язык радиосхем  (и.с. Массовая радиобиблиотека-859) 1.57 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Владимир Васильевич Фролов

06.06.2022

–  Твой первый квадрокоптер: теория и практика  (и.с. Электроника) 35 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. С. Яценков

08.05.2022

–  Сварочный инвертор – это просто, 2!  1.2 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. Ю. Негуляев

07.05.2022

–  Сварочный инвертор – это просто!  829 Кб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. Ю. Негуляев

06.05.2022

–  Электроника  9.78 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – А. А. Щука

30.03.2022

–  Электротехнические чертежи и схемы  7.34 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Константин Константинович Александров – Елена Геннадьевна Кузьмина

23.03.2022

–  Актуальные проблемы наноэлектроники  1.08 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – П. Н. Дробот

22.03.2022

–  Аппаратные средства микро- и нанотехнологий: электрон. научно-образоват. модуль в системе дистанц. обучения MOODLE  1.37 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Алексей Васильевич Волков

–  Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: метод. указания по самостоятельной работе  (а. с. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники -5) 1.16 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. А. Юзова

–  Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: лаб. практикум  (а.с. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники -3) 3.47 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. А. Юзова – Г. Н. Шелованова

–  Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: пособие по курсовой работе  (а.с. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники -4) 4.67 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. А. Юзова – Г. Н. Шелованова

–  Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: курс лекций  (а.с. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники -2) 5.01 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Г. Н. Шелованова

–  Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: учеб. программа дисциплины  (а.с. Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники -1) 1.2 Мб скачать: (pdf) – (pdf+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – В. А. Юзова – Г. Н. Шелованова

–  Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе  4.06 Мб скачать: (djvu) – (djvu+fbd)  читать: (полностью) – (постранично) – Николай Иванович Татаренко – Виктор Филиппович Кравченко

Зарегистрируйтесь / залогиньтесь для выкачки нескольких книг одним файлом.

• 1
• 2
• следующая ›
• последняя »

Исследователи предполагают, что акустические волны могут охлаждать микроэлектронику

(PhysOrg.com) — “Горячие звуки” имеют одно значение для меломанов и другое для физиков. В число последних входит группа исследователей из Университета Райса, которые обнаружили, что акустические волны, распространяющиеся по лентам графена, могут быть как раз средством для отвода тепла от очень крошечных электронных устройств.

Теоретическая модель, разработанная физиком Райса Борисом Якобсоном и его учениками, показала, что графен — однослойная сотовая структура из атомов углерода, являющаяся предметом многих исследований в области материаловедения и электроники — может передавать тепловую энергию волнами. Учитывая упругие свойства графена, кажется, что длинные волны акустического типа работают лучше всего. Поскольку рассеивающие свойства графена низки, такие волны могут распространяться быстро и далеко, не встречая препятствий ни друг другу, ни несовершенствам материала.

Вы никогда ничего не услышите, как бы близко вы ни прикладывали ухо к наноразмерной ленте, сказал Якобсон. Но для исследователей последствия очевидны.

«В этом масштабе графен является многообещающим по фундаментальным причинам», — сказал Якобсон, профессор Райса в области машиностроения, материаловедения и химии, участвовавший в программе, недавно названной № 1 в мире по качеству материалов. исследовать. «Скорость звука — это скорость, с которой может уноситься энергия, потому что тепло переносится, по существу, посредством вибраций».

Якобсон и его соавторы, бывший научный сотрудник Энрике Муньос, ныне доцент кафедры математики и физики в Университете Плайя-Анча в Чили, и Цзяньсинь Лу, аспирант Райса, опубликовали свои результаты на прошлой неделе в интернет-издание журнала Nano Letters.

Муньос, главный автор статьи, сказал, что «почти баллистическое поведение» фононов, квантовых частиц, считающихся звуком, эквивалентным фотонам света, делает графеновый материал в 10 раз лучше, чем медь или золото, в проводящем тепло.

Хитрость в том, чтобы сделать такие тепловые трубки на основе графена эффективными, будет заключаться в том, чтобы выяснить, куда уходит тепло, когда оно достигает конца ленты, вопрос, который Лу продолжает изучать как для нанолент, так и для нанотрубок. Без эффективного интерфейса распространяющиеся волны фононов просто отскакивали бы назад.

«Вам нужен другой носитель», — сказал Якобсон. «Вот почему я говорю, что это скорее тепловая трубка, чем радиатор, потому что на дальнем конце графена вам нужен контакт с жидкостью в газовой или жидкой фазе, чтобы эта волновая энергия могла рассеиваться».

Плотность мощности современной микроэлектроники в макромасштабе достаточна, чтобы нагреть чайник до кипения за считанные секунды. Поэтому становится все более важным отводить тепло от чувствительных инструментов и быстро выпускать его в воздух.

«Мы имеем дело с очень высокой плотностью тепла — может быть, киловатт на квадратный сантиметр», — сказал Якобсон. «Когда вы хотите приготовить барбекю, такое тепло очень полезно. Но в этом случае вы фактически поджарите свое устройство».

Поиск способа борьбы с отводом тепла от устройств все меньшего размера имеет решающее значение для соблюдения закона Мура, который точно предсказал (пока что), что количество транзисторов, которые можно поместить в интегральную схему, будет удваиваться примерно каждые два года.

«Другое интересное применение этих лент — создание фононных волноводов», — добавил Муньос. «Графеновые ленты могут быть частью наносхемы, в которой фононы вместо электронов служат носителями информации в другой компьютерной архитектуре».

Дополнительная информация: Прочитайте аннотацию здесь: pubs.acs.org/doi/abs/10. 1021/nl

6d

Предоставлено Университет Райса

Цитата : Звук может спасти схемы: исследователи предполагают, что акустические волны могут охлаждать микроэлектронику (28 апреля 2010 г.) получено 4 июня 2023 г. с https://phys.org/news/2010-04-circuits-theorize-acoustic-cool-microelectronics.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

От эффекта чайника до самосмачивания при касании: самодвижущееся трехмерное сито для фильтрации цельной крови

. 2023 21 марта; 9:30.
doi: 10.1038/s41378-023-00490-7. Электронная коллекция 2023.

Юан Ли ^{1 2} , Сюэ Ли ³ , Лина Чжан ⁴ , Сяофэн Луань ^{1 2} , Цзяхун Цзян ¹ , Линцянь Чжан ¹ , Минсяо Ли ¹ , Цзинхуэй Ван ⁴ , Цзянган Дуань ³ , Хайпин Чжао ³ , Ян Чжао ¹ , Чэнцзюнь Хуан ^{1 2}

Принадлежности

• ¹ Институт микроэлектроники Китайской академии наук, Пекин, 100029 Китай.
• ² Университет Китайской академии наук, Пекин, 100049 Китай.
• ³ Институт исследований цереброваскулярных заболеваний, больница Сюаньву Столичного медицинского университета, Пекин, 100053 Китай.
• ⁴ Отделение клеточной и молекулярной биологии, Пекинская торакальная больница, Столичный медицинский университет / Пекинский научно-исследовательский институт туберкулеза и опухолей грудной клетки, Пекин, 101149 Китай.
• PMID: 36960347
• PMCID: PMC10027851
• DOI: 10. 1038/с41378-023-00490-7
Бесплатная статья ЧВК

Юанг Ли и др. Микросист Наноенг. 2023 .

Бесплатная статья ЧВК
. 2023 21 марта; 9:30.
doi: 10.1038/s41378-023-00490-7. Электронная коллекция 2023.

Авторы

Юанг Ли ^{1 2} , Сюэ Ли ³ , Лина Чжан ⁴ , Сяофэн Луан ^{1 2} , Цзяхун Цзян ¹ , Линцянь Чжан ¹ , Минсяо Ли ¹ , Цзинхуэй Ван ⁴ , Цзянган Дуань ³ , Хайпин Чжао ³ , Ян Чжао ¹ , Чэнцзюнь Хуан ^{1 2}

Принадлежности

• ¹ Институт микроэлектроники Академии наук Китая, Пекин, 100029Китай.
• ² Университет Китайской академии наук, Пекин, 100049 Китай.
• ³ Институт исследований цереброваскулярных заболеваний, больница Сюаньу Столичного медицинского университета, Пекин, 100053 Китай.
• ⁴ Отделение клеточной и молекулярной биологии, Пекинская торакальная больница, Столичный медицинский университет / Пекинский научно-исследовательский институт туберкулеза и опухолей грудной клетки, Пекин, 101149Китай.
• PMID: 36960347
• PMCID: PMC10027851
• DOI: 10. 1038/с41378-023-00490-7

Абстрактный

Достижение пассивной фильтрации микрочастиц с помощью микропористых мембран является сложной задачей из-за эффекта капиллярного закрепления мембран. Вдохновленные эффектом чайника, который возникает, когда жидкость (чай) выливается из носика чайника, мы предложили стратегию самосмачивания, запускаемую краном, и использовали метод с трехмерным ситом для фильтрации редких клеток. Во-первых, была реализована полимерная микроструктура триггера, напечатанная на 3D-принтере. В результате порог открытия мембраны с микропорами размером 3 мкм (давление, необходимое для открытия микропор) был снижен с 3000 до 80 Па за счет микроструктуры триггера касания, которая облегчала утечку жидкости и ее распространение для самосмачивания большей площади мембраны за один раз. петля положительной обратной связи. Затем мы реализовали 3D-конусное клеточное сито с микроструктурами, вызывающими отвод. Под действием силы тяжести сито работало с высокой пропускной способностью более 20 мл/мин (DPBS), в то время как размер микропор и пористость составляли 3 мкм и 14,1% соответственно. Мы дополнительно отфильтровали лейкоциты из образцов цельной крови с помощью предложенного нового сита 3D, и метод сравнили с традиционным методом выделения лейкоцитов путем химического удаления эритроцитов. Устройство показало сравнимую чистоту лейкоцитов, но более высокую скорость удаления тромбоцитов и более низкий уровень имитации лейкоцитов, что облегчило последующий анализ отдельных клеток. Основные результаты показали, что стратегия самосмачивания, запускаемая нажатием, может значительно улучшить эффективность пассивной фильтрации микрочастиц.

Ключевые слова: Химия; Инженерия; Материаловедение.

© Автор(ы) 2023.

Заявление о конфликте интересов

w3.org/1999/xlink” xmlns:mml=”http://www.w3.org/1998/Math/MathML” xmlns:p1=”http://pubmed.gov/pub-one”> Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Цифры

Рис. 1. Эффект чайника вдохновил…

Рис. 1. Эффект чайника вдохновил на создание метода трехмерного просеивания клеток, основанного на стратегии самосмачивания.

и…

Рис. 1. Эффект чайника вдохновил на создание метода трехмерного просеивания клеток, основанного на стратегии самосмачивания.

a Эффект чайника и его физическая модель. b Трехмерный просеивающий метод, основанный на стратегии самосмачивания при касании. c Микроструктура пускового механизма отвода жидкости с нижней стороны наклонной мембраны. d Пропущенная жидкость текла вдоль мембраны, чтобы смачивать большую часть площади мембраны, втягивая больший поток жидкости через микропоры в петле положительной обратной связи

Рис. 2. Описание и результаты разведки…

Рис. 2. Описание и результаты исследования триггерной области на наклонных микропористых мембранах для…

Рис. 2. Описание и результаты исследования триггерной области на наклонных микропористых мембранах для самосмачивания.

a Описание различных состояний жидкости под микропористой мембраной в пяти областях (R1–R5). b – d Наблюдали различные движения капель красных чернил в трех областях: b R2, капли втягивались в мембрану, c R3, капли оставались неподвижными, и d R4, по каплям было вытянуто больше жидкости, чтобы течь вдоль мембраны

Рис. 3. Тесты порога стробирования…

Рис. 3. Испытания порога срабатывания горизонтальных плоских микропористых мембран и наклонных мембран…

Рис. 3. Испытания порога стробирования горизонтальных плоских микропористых мембран и наклонных мембран с микроструктурами, работающими от касания.

a СЭМ-изображения четырех типов мембран с микропорами (i) 1 мкм, (ii) 3 мкм, (iii) 5 мкм и (iv) 8 мкм. b Колонки с жидкостью, в которых жидкости не могут прорваться через четыре типа простых горизонтальных микропористых мембран, установленных на нижнем конце длинной полой трубки. c Испытания порога срабатывания четырех типов мембран, наклоненных и контактирующих с микроструктурами, вызывающими отвод. d Микрофотографии процесса самосмачивания после срабатывания триггера: сначала структура способствует проникновению жидкости (i), а затем вытягивает большее количество жидкости для самосмачивания большей площади мембраны (ii). e Сравнительный анализ порога срабатывания между горизонтальными плоскими мембранами и наклонными мембранами с срабатыванием крана с четырьмя размерами микропор. Черные стрелки указывают на то, что фактические пороги срабатывания плоских мембран превышают измеренные значения в непроходимых состояниях

.

Рис. 4. Высокопроизводительные характеристики ответвителя…

Рис. 4. Высокопроизводительное устройство для трехмерного просеивания клеток, основанное на стратегии самосмачивания с пусковым механизмом.

а …

Рис. 4. Высокопроизводительное устройство для трехмерного просеивания клеток, основанное на стратегии самосмачивания с пусковым механизмом.

a Фото сита 3D в собранном виде. b Фотография напечатанной на 3D-принтере конструкции конического канала. c СЭМ-изображение микропористых мембран с размером микропор 3 мкм. d Распечатанный на 3D-принтере держатель e с микроструктурой тап-триггера. f Объемы дренирования и г кратковременные пропускные способности 20 мл DPBS, вытекающие из трехмерного сита с микропорами размером 3 и 5 мкм, соответственно, и ч средние пропускные способности 3 повторных тестов, отмеченные как средние ± SEM

Рис. 5. Результаты показателей лейкоцитарной…

Рис. 5. Результаты эффективности методов подготовки лейкоцитов.

a – c Микрофотографии клеток…

Рис. 5. Результаты эффективности методов подготовки лейкоцитов.

a – c Микрофотографии образцов клеток до обработки (i) и извлеченных после лизиса эритроцитов, операций фильтрации на основе мембран с микропорами 3 и 5 мкм (ii, iii). d Доля выживших клеток в лейкоцитах после подготовки образца клеток. e Остаточная скорость эритроцитов и f Остаточная скорость PLT в образцах клеток после подготовки. г Доля лейкоцитов после подготовки образца клеток. Данные представлены в виде средних значений ± SEM и сравнены с помощью непарного критерия Стьюдента или однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). * P  < 0,05, ** P  < 0,01; NS: не имеет значения

Рис. 6. Качество клеток лейкоцитов…

Рис. 6. Качество клеток образцов лейкоцитов.

a Схема рабочего процесса…

Рис. 6. Качество клеток образцов лейкоцитов.

a Схема работы эксперимента. Региональные графики и статистические графики экспрессии CD63 в лейкоцитах b, c и Гранулоциты d, e . Региональные графики и статистические графики экспрессии CD62L в лейкоцитах f, g и гранулоцитах h, i . Статистические данные представлены в виде средних значений ± SEM и сравнены с помощью непарного критерия Стьюдента. * P  < 0,05, ** P  < 0,01

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Триггерный клапан на основе мультимикропористой мембраны с трехмерным капиллярным приводом для многоступенчатой ​​биохимической реакции.

  Zhang Y, Li Y, Luan X, Li X, Jiang J, Fan Y, Li M, Huang C, Zhang L, Zhao Y. Чжан И и др. Биосенсоры (Базель). 2022 26 декабря; 13 (1): 26. дои: 10.3390/биос13010026. Биосенсоры (Базель). 2022. PMID: 36671861 Бесплатная статья ЧВК.

• 2,5-мерный массив микропор Parylene C с большой площадью и высокой пористостью для высокопроизводительного разделения частиц и клеток.

  Лю Ю, Сюй Х, Дай В, Ли Х, Ван В. Лю Ю и др. Микросист Наноенг. 2018 18 июня; 4:13. doi: 10.1038/s41378-018-0011-8. Электронная коллекция 2018. Микросист Наноенг. 2018. PMID: 31057901 Бесплатная статья ЧВК.

• Селективный, удобный, высокопористый, эффективный и быстрый (SUPER) фильтр для выделения и анализа редких опухолевых клеток.

  Чжао К., Лю И, Ван Х, Сун Ю, Чен С, Хуан С, Ню Ц, Цао Дж, Чен С, Ван В, У Л, Ян С. Чжао К. и др. Лабораторный чип. 2022 18 января; 22 (2): 367-376. дои: 10.1039/d1lc00886b. Лабораторный чип. 2022. PMID: 34918732

• Лейкодеплеционные фильтры крови: конструкция фильтров и механизмы удаления лейкоцитов.

  Дзик С. Дзик С. Transfus Med Rev. 1993 Apr;7(2):65-77. doi: 10.1016/s0887-7963(93)70125-x. Transfus Med Rev. 1993. PMID: 8481601 Обзор.

• Микротехнологическая жидкостная биопсия на основе фильтрации: проблемы и практические соображения.

  Лю Ю, Сюй Х, Ли Т, Ван В. Лю Ю и др. Лабораторный чип. 2021 21 марта; 21 (6): 994-1015. DOI: 10.1039/d0lc01101k. Epub 2021 12 марта. Лабораторный чип. 2021. PMID: 33710188 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Рекомендации

1. 1. Ли Кью и др. Оценка появления наночастиц полистирола в водах окружающей среды путем агломерации с алкилированным оксидом железа с последующим сбором микропористой мембранной фильтрации и анализом Py-GC/MS. Окружающая среда. науч. Технол. 2022;56:8255–8265. – пабмед
2. 1. Конг М. и др. Темплатный синтез перламутровых высокодисперсных углеродных наносеток для слоистых мембран с высокопоточной фильтрацией и сенсорными свойствами. Приложение ACS Матер. Интерфейсы. 2018;10:2850–2858. – пабмед
3. 1. Liu Y, Xu H, Dai W, Li H, Wang W. 2,5-мерный массив микропор Parylene C с большой площадью и высокой пористостью для высокопроизводительного разделения частиц и клеток. микросистема Наноенг. 2018;4:13. – ЧВК – пабмед
4. 1. Yu S, Li S, Liu Y, Cui S, Shen X.