p Se você já parou para ver a chuva caindo na vidraça, você viu o que acontece quando duas gotas de água se tocam e se fundem em uma só. A física em ação nesse fenômeno pode fornecer uma solução para o desenvolvimento de dispositivos miniaturizados de análise biológica pessoal. Uma equipe internacional de cientistas da IBM Research-Zurich e do Microfluidics for Oncology Laboratory da Polytechnique Montreal relatou esta descoberta em Natureza . p Instalando um laboratório em um chip:um desafio de longa data

p Nas últimas duas décadas, pesquisas realizadas em todo o mundo nos chamados dispositivos lab-on-a-chip mostraram-se promissores para ferramentas portáteis que requerem apenas uma pequena amostra de fluido corporal (por exemplo, sangue, saliva, urina) para rastrear doenças ou medir dados biológicos. Esses tipos de sistemas em miniatura já existem para medições simples feitas com poucos reagentes:medidores de glicose e testes de gravidez são dois exemplos. Mas análises mais complexas, que requerem a mistura de uma única amostra com uma série de reagentes em quantidades precisas em uma ordem específica, provaram ser mais difíceis de desenvolver.

p Uma das abordagens mais promissoras para integrar vários reagentes em um dispositivo de teste é depositar gotículas do tamanho de um picolitro (alguns bilionésimos de um mililitro) em um microssistema usando uma técnica análoga à impressão a jato de tinta, e, em seguida, selar o dispositivo. Em contato com o ar, as pequenas quantidades de líquido evaporam instantaneamente, deixando uma sequência muito precisa de reagentes secos, que pode ser reidratado quando a amostra de fluido é adicionada no momento do teste. Uma grande dificuldade persistiu, no entanto:Quando o fluido se move pelos reagentes secos, isso os dispersa, "embaralhando o sinal, "e impedindo a execução de etapas delicadas de diagnóstico que envolvem medições bioquímicas precisas.

p Para atacar o problema de dispersão, Onur Gökçe, Yuksel Temiz e Emmanuel Delamarche, da IBM Research-Zurich, tiveram a ideia de esticar uma gota de água em um formato semelhante a uma fita em um microcanal da largura de um cabelo humano, e forçando o líquido a se dobrar sobre si mesmo. Ao fazer isso, a amostra de água fecha de maneira semelhante a um zíper sendo fechado.

p "Este processo muito intrigante nos permite reduzir, ao mínimo, a taxa de fluxo do líquido localmente, onde os reagentes secos estão, de modo que quando os reagentes são reidratados, eles não se dispersam mais, "explica Emmanuel Delamarche, gerente do grupo Precision Diagnostics da IBM Research-Zurich.

p Embora os resultados observados tenham sido conclusivos, a equipe estudou o fenômeno da dinâmica dos fluidos em funcionamento para que pudesse ser explorado como parte de um processo confiável. Professor Thomas Gervais, chefe do Laboratório de Microfluídica para Oncologia da Polytechnique, abordou essa parte do projeto.

p Da experimentação à modelagem

p Ao estudar mais o comportamento da gota d'água, os pesquisadores concluíram que estava relacionado ao fenômeno da coalescência, um exemplo disso é visto na fusão espontânea de duas gotas de um líquido que entram em contato uma com a outra. Em termos de física, a coalescência se origina da forte afinidade entre as moléculas de água, cujo efeito é reduzir ao mínimo a superfície da água exposta ao ar. É por isso que pequenas gotas de água são esféricas:de todas as formas geométricas, a esfera tem a menor área de superfície para um determinado volume.

p "Nesse caso, Contudo, tivemos que estudar o que acontece quando uma gota de água distorcida em um microcanal se aglutina com outra parte de si mesma, "O professor Gervais explica." Nosso objetivo era entender o fenômeno e controlá-lo, para que pudéssemos forçar o líquido a estagnar no local preciso onde encontra um reagente dentro do dispositivo. "

p modelagem do fenômeno, que a equipe apelidou de "auto-coalescência, "foi baseado em uma abordagem matemática desenvolvida na década de 1950 para estudar fluxos viscosos bidimensionais ilimitados. O trabalho foi realizado usando técnicas de cálculo desenvolvidas por Samuel Castonguay, que está concluindo seu doutorado. em engenharia física na Polytechnique sob a direção do professor Gervais. Para harmonizar os resultados da modelagem com os resultados experimentais, O Sr. Castonguay foi para Zurique, trabalhando por alguns meses com os pesquisadores da IBM.

p "Nossos modelos não apenas nos permitiram dominar esse novo tipo de fluxo, mas também podemos programar com muita precisão configurações espaciais e temporais de sinais químicos usando uma combinação de reagentes, com dispersão mínima, e sem necessidade de intervenção do usuário, "Observa o professor Gervais." A parceria entre nossas duas equipes deu, portanto, à luz um romance, arquitetura de teste bioquímico particularmente flexível e precisa, que preserva a sequência de uso de dezenas de reagentes simultaneamente durante um teste. "

p Rumo a ferramentas de diagnóstico móvel direcionadas

p A equipe da IBM também demonstrou que este tipo de arquitetura pode ser usado para medir reações enzimáticas, com o objetivo de detectar várias doenças (doenças genéticas, por exemplo). Ele também mostrou uma prova de conceito para um método de amplificação de DNA, uma reação usada para produzir cópias de um segmento específico de DNA de uma amostra, à temperatura ambiente. O método elimina a necessidade de um técnico realizar ciclos repetidos de aquecimento e resfriamento na amostra. Uma única gota de amostra é inserida no dispositivo, e a análise é realizada automaticamente. Este experimento mostra potencial para uso futuro do processo para realizar o sequenciamento de DNA de genes associados a patologias como o câncer, e para detectar certos vírus.

p "Nossa esperança é que nosso processo permita que os fabricantes de laboratório em um chip atinjam um desempenho de diagnóstico sem precedentes, com produtos que são tão simples de usar quanto os medidores de glicose de hoje, "Dr. Delamarche diz.

p Por último, visto que os sinais bioquímicos registrados por esse tipo de teste provavelmente poderiam ser lidos por um smartphone e transmitidos a um banco de dados centralizado, os testes também podem desempenhar um papel importante no futuro no monitoramento da propagação de epidemias em regiões remotas, longe de centros médicos, e no rastreio a nível nacional e internacional para várias doenças.