Os engenheiros mecânicos da Duke University desenvolveram um método para girar gotas individuais de líquido para concentrar e separar nanopartículas para fins biomédicos. A técnica é muito mais eficiente do que as abordagens tradicionais de centrífuga, trabalhando sua magia em menos de um minuto em vez de levar horas ou dias, e requer apenas uma pequena fração do tamanho típico da amostra. A invenção pode enfatizar novas abordagens para aplicações que variam de bioensaios de precisão ao diagnóstico de câncer.

Os resultados aparecem online no dia 18 de dezembro na revista Avanços da Ciência .

"Essa ideia se originou de uma descoberta recente muito empolgante de que você pode usar ondas acústicas de superfície para girar uma gota de líquido, "disse Tony Jun Huang, o professor ilustre William Bevan de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais na Duke. "Decidimos investigar se poderíamos usar esse método para criar um sistema de ponto de atendimento que possa separar e enriquecer nanopartículas de forma rápida e eficiente."

Huang e seu aluno de doutorado Yuyang Gu começaram sua investigação construindo um dispositivo capaz de girar gotículas individuais de líquido. No centro de uma superfície piezoelétrica fica um anel de polidimetilsiloxano, um tipo de silício comumente usado em tecnologias microfluídicas, que confina os limites da gota e a mantém no lugar. Os pesquisadores então colocaram um gerador de ondas sonoras chamado transdutor interdigitado (IDT) em cada lado e os inclinaram para que as ondas sonoras com frequências diferentes viajassem através da superfície piezoelétrica para entrar na gota.

Quando ligado, os IDTs criam ondas acústicas de superfície que empurram as laterais das gotas como o Pato Donald sendo derrubado por um par gigantesco de alto-falantes. Em configurações de baixa energia, a parte superior da gota começa a oscilar em torno do anel como um muffin feito de gelatina. Mas quando a energia aumenta para 11, o equilíbrio entre a tensão superficial da gota e sua força centrífuga faz com que ela tome a forma de uma pílula e comece a girar no lugar.

Os pesquisadores então investigaram como nanopartículas fluorescentes de diferentes tamanhos se comportavam dentro das gotas giratórias. Porque a gota está girando, as próprias nanopartículas também foram arrastadas em um padrão helicoidal. Dependendo do tamanho e da frequência do som, eles também foram empurrados em direção ao centro da gota devido à força de entrada das ondas sonoras e da hidrodinâmica.

Os pesquisadores descobriram que, ao usar frequências diferentes, eles poderiam especificamente concentrar partículas tão pequenas quanto dezenas de nanômetros. Esses tamanhos se correlacionam com moléculas biologicamente importantes, como DNA e exossomos - nanopartículas biológicas liberadas de todos os tipos de células do corpo que desempenham um papel importante na comunicação célula a célula e na transmissão de doenças.

Mas eles ainda enfrentavam outro problema. Enquanto as nanopartículas de um tamanho aglomeraram-se no centro da gota, nanopartículas de outros tamanhos ainda voavam aleatoriamente, tornando difícil acessar a recompensa concentrada.

Sua solução? Uma segunda gota giratória.

"Colocamos duas gotas de tamanhos diferentes lado a lado para que girassem em velocidades diferentes, "disse Gu." Ao conectá-los com um pequeno canal, quaisquer nanopartículas que não se concentrem na primeira acabam girando e ficando presas na segunda. "

Para mostrar ainda mais como seu sistema centrífugo de gota dupla poderia ser útil, os pesquisadores mostraram que ele poderia separar com sucesso subpopulações de exossomos de uma amostra. E, ao contrário dos métodos de centrifugação comuns, que requerem grande quantidade de amostras e podem demorar durante a noite para funcionar, sua solução precisava apenas de um volume de amostra muito menor - como cinco microlitros - e menos de um minuto.

"Imaginamos que este trabalho simplifique e acelere o processamento de amostras, detecção e reações de reagentes em várias aplicações, como diagnósticos de ponto de atendimento, bioensaios e biópsias líquidas, "disse Gu.

"A capacidade de separar e enriquecer subpopulações de exossomos e outras nanopartículas biológicas é extremamente importante." acrescentou Huang. "Por exemplo, embora a recente descoberta de subpopulações de exossomos tenha entusiasmado biólogos e pesquisadores devido ao seu potencial para revolucionar o campo do diagnóstico não invasivo, as subpopulações de exossomos ainda precisam ser utilizadas em ambientes clínicos. Isso se deve em grande parte às dificuldades associadas à separação de subpopulações de exossomos por causa de seu pequeno tamanho. Nossa abordagem oferece um simples, abordagem automatizada para separar subpopulações de exossomos de maneira rápida e biocompatível. Como resultado, acreditamos que é fundamental para desbloquear a utilidade clínica de subpopulações de exossomos. "