GEMS ultrapequenos e que mudam de forma oferecem uma maneira mais fácil e barata de melhorar as imagens de ressonância magnética
Um molde mestre de silicone rígido é usado para criar um molde de polímero flexível, que é virado e preenchido com hidrogel. O hidrogel é então curado com luz UV, produzindo micropartículas cilíndricas. Crédito:S. Kelley/NIST Sondas magnéticas microscópicas que mudam de forma em resposta ao ambiente podem melhorar muito a imagem por ressonância magnética (MRI). No entanto, a produção das sondas, que ainda são experimentais e ainda não foram utilizadas em humanos, exigiu acesso a uma sala limpa e conhecimentos especializados em nanofabricação, limitando a sua utilização generalizada.
Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) levaram essas sondas que mudam de forma, conhecidas como sensores magnéticos codificados geometricamente, ou GEMS, um passo adiante ao revelar um novo método de fabricação que não só é mais rápido e barato, mas também elimina a necessidade de instrumentos especializados.
Os cientistas relataram seu trabalho online em 19 de dezembro na revista ACS Sensors .
Em vez de construir as minúsculas sondas camada por camada em uma instalação de nanofabricação, a equipe as construiu usando um molde mestre de precisão. Essa técnica permite que os pesquisadores produzam GEMS em seus próprios laboratórios, utilizando materiais baratos e equipamentos prontamente disponíveis.
Os cientistas do NIST Gary Zabow e Samuel Oberdick e seus colegas concentraram seus esforços na construção de GEMS em forma de pequenos cilindros ocos porque essa forma pode ser facilmente fabricada com um molde. Para o seu molde mestre, os cientistas construíram uma série de cilindros ocos feitos de silício duro, cada um com apenas cerca de 100 micrómetros de diâmetro – cerca de dez vezes maior que um glóbulo vermelho. As micropartículas são embebidas em banho de sais de ferro, permeando o hidrogel com sais de ferro. Eles são então transferidos para uma solução de pH alto, que transforma os sais de ferro do hidrogel em partículas magnéticas de óxido de ferro. Crédito:S. Kelley/NIST A equipe então demonstrou como os pesquisadores com esse molde mestre poderiam concluir o processo de fabricação em várias etapas. Primeiro, os cientistas fizeram um “negativo” de molde macio do mestre, derramando um polímero líquido em cima do molde de silício duro, permitindo que ele solidificasse e depois removendo-o. Isso criou um molde flexível com uma série de cavidades cilíndricas ocas.
Na etapa seguinte, os cientistas preencheram cada cavidade com um precursor líquido de um hidrogel – uma rede de polímeros reticulados que podem absorver grandes quantidades de água. O hidrogel, que foi projetado para encolher ou inchar em resposta a mudanças na acidez ou outras propriedades em seu microambiente, é um componente chave do GEMS. Os hidrogéis projetados são baratos e fáceis de fazer.
Depois de endurecer os hidrogéis, expondo-os à luz ultravioleta, a equipe do NIST os retirou do molde macio, semelhante a tirar cubos de gelo de uma bandeja de silicone. Os hidrogéis cilíndricos foram então imersos em um banho de sais de ferro e transferidos para uma solução básica, que converteu os sais de ferro absorvidos pelos hidrogéis em partículas de óxido magnético.
A força do campo magnético de cada hidrogel tem uma influência direta na ressonância magnética, que manipula os minúsculos campos magnéticos dos prótons para obter imagens de estruturas internas do corpo humano. Os prótons se comportam como piões magnetizados giratórios, cada um apontando inicialmente em uma direção aleatória. Quando colocadas num forte campo magnético externo (rotulado como M), as partículas de óxido de ferro ficam magnetizadas, fazendo com que as micropartículas desenvolvam o seu próprio campo magnético local. As micropartículas encolhem e incham com as mudanças na acidez, o que fortalece ou enfraquece este campo local e, portanto, o quanto o campo influencia a frequência de ressonância dos prótons durante uma ressonância magnética. Crédito:S. Kelley/NIST Uma máquina de ressonância magnética alinha o campo magnético dos prótons com seu próprio campo magnético forte e então interrompe esse alinhamento fazendo cócegas nos prótons com um pulso de ondas de rádio em uma frequência de ressonância que faz com que os prótons "relaxem" alternadamente em seus estados originais e então ficar alinhado novamente. À medida que os prótons circulam entre os dois estados, eles emitem ondas de rádio, que são traduzidas em imagens de ressonância magnética.
Entretanto, os hidrogéis mudam a sua forma em resposta às mudanças nas condições locais e, como resultado, o seu campo magnético fortalece ou enfraquece.
A mudança do campo magnético do GEMS altera a frequência de ressonância dos prótons que ficam dentro ou perto das sondas. Ao medir a mudança, a ressonância magnética pode detectar como os GEMS alteraram a sua forma em resposta a uma propriedade específica no seu ambiente local.
GEMS construídas com o processo de moldagem suave podem ser adaptadas para mudar sua forma de acordo com uma série de propriedades ambientais, permitindo que os pesquisadores usem as sondas para explorar uma série de condições biomédicas, disse Oberdick.
Mais informações: Samuel D. Oberdick et al, Micropartículas de Magnetogel em Forma para Contraste e Detecção de Ressonância Magnética Multiespectral, Sensores ACS (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01373 Informações do diário: Sensores ACS
Fornecido pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia
Esta história foi republicada como cortesia do NIST. Leia a história original aqui.
