p Gotículas líquidas recentemente ganharam atenção renovada como um modelo simplificado para uma variedade de fenômenos físicos fascinantes na escala do núcleo da célula aos buracos negros estelares. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Yuyang Gu e uma equipe de cientistas nos Estados Unidos apresentaram uma técnica de centrifugação acustofluídica que usava o emaranhamento da ativação de onda acústica e o spin de uma gota fluídica para realizar o enriquecimento e separação de nanopartículas. Eles combinaram os métodos de varredura acústica e de giro de gotículas para atingir concentrações rápidas de nanopartículas e separação baseada em tamanho com uma resolução suficiente para identificar e isolar subpopulações de exossomos. p Os exossomos são vesículas extracelulares em nanoescala que podem transportar carga molecular de uma célula para outra e, portanto, são um vetor / veículo poderoso em pesquisas biomédicas para aplicação de entrega de drogas e descoberta biomolecular. A equipe caracterizou os mecanismos subjacentes ao processo tanto numericamente quanto experimentalmente, ao lado da capacidade de processar amostras biológicas dentro dos dispositivos. O método de centrifugação acústica superou os limites existentes de manipulação de biopartículas em nanoescala em campos multidisciplinares da biologia, química, Engenharia, ciência dos materiais e medicina.

p O sistema acústico de centrifugação

p Os cientistas de materiais pretendem manipular nanopartículas para uma variedade de aplicações biomédicas e bioquímicas, incluindo entrega de genes ou drogas, bioensaios, diagnósticos e reações catalíticas. Portanto, é necessário realizar as etapas de concentração ou separação de nanopartículas para aplicações de nanoestruturas em campos multidisciplinares. A acústica tem como objetivo combinar acústica e microfluídica para um design de dispositivo simplista. Nesse trabalho, Gu et al. apresentou um sistema de centrifugação acústica para manipular acusticamente partículas com tamanhos de poucos nanômetros. O método permitiu várias funções, incluindo concentração de nanopartículas, separação e transporte.

p O sistema básico continha um par de transdutores interdigitais inclinados (IDTs) e um anel de polidimetilsiloxano (PDMS) circular para encapsular uma porção da gota e definir sua forma. A equipe gerou ondas acústicas de superfície (SAWs) para iniciar o movimento giratório das gotas. O processo permitiu que Stokes deriva ao longo de um caminho circular fechado para transferir o momento do fluido para aumentar notavelmente a velocidade de fluxo interno e a taxa de cisalhamento dentro da gota em muitas dobras. De acordo com simulações numéricas, as ondas acústicas podem girar uma gota de líquido com um volume de amostra variável para influenciar nanopartículas de vários tamanhos que residem dentro da gota. A equipe espera traduzir o trabalho em micro / nanoescala para simplificar o processo de transfecção para automatizar o carregamento de vesículas e acelerar as biópsias líquidas.

p O princípio de funcionamento do dispositivo

p Gu et al. colocou uma gota em um anel PDMS para confinar o limite do fluido e localizou-o entre dois transdutores interdigitais inclinados (IDTs). Eles então aplicaram um sinal elétrico aos IDTs inclinados para gerar duas ondas acústicas de superfície móvel para se propagar ao longo do substrato de duas direções opostas para entrar na gota. O processo deformou a interface líquido-ar como resultado da pressão da radiação acústica e as gotas começaram a girar. As partículas dentro da gota seguiram trajetórias helicoidais devido à influência do fluxo de vórtice induzido e movimentos de rotação da gota. Os cientistas obtiveram uma sequência de imagens para mostrar a visão lateral de uma gota giratória de 30 µL. Eles calcularam a velocidade de rotação da gota giratória usando uma transformada de Fourier da forma de onda e extraíram a velocidade da gota da forma de onda e compararam a taxa de rotação com a dinâmica clássica de oscilação da gota.

p A cinética das gotículas e nanopartículas dentro do dispositivo

p A equipe então estudou a rotação da gota e o movimento das partículas no dispositivo de centrífuga acustofluídica usando uma sequência de imagens. As partículas mostraram modos de rotação duplos - traçando um caminho helicoidal ao se aproximar do centro da gota e ao mesmo tempo girar em torno de seus eixos locais. Eles usaram uma gama de frequências para excitar o giro das gotículas. Conforme a potência aplicada aumentou, a gota manteve sua forma de equilíbrio e então começou a experimentar pequenas oscilações até que a potência acústica atingiu um valor limite, nesse ponto, a gota entrou em rotação estável. Estudos anteriores mostraram como SAWs (ondas acústicas de superfície) induziram vórtices de streaming acústico dentro de uma gota, Portanto, a equipe analisou o movimento das partículas dentro da gota giratória. Durante os experimentos, as nanopartículas moveram-se ao longo de trajetórias helicoidais correspondendo a um efeito de deriva de Stokes. Eles monitoraram o movimento de partículas de 1 µm com uma câmera rápida e analisaram os vídeos usando velocimetria de rastreamento de partículas para observar as trajetórias helicoidais que as partículas seguiram. Com cada rotação da gota, as partículas faziam uma rotação local enquanto se moviam simultaneamente para mais perto do centro global da gota ao longo de seu caminho helicoidal. Desta maneira, o processo empurrou as partículas para dentro para concentrar as nanopartículas no centro da gota.

p Enriquecimento rápido de nanopartículas

p Usando investigações numéricas e experimentais, a equipe mostrou como as nanopartículas podem ser rapidamente concentradas dentro da gota giratória com tamanhos de partícula tão pequenos quanto 28 nm de diâmetro. A concentração rápida de nanopartículas também pode facilitar a detecção de biospecimen marcados com fluorescência, como moléculas de DNA, qual Gu et al. demonstrado neste trabalho. A equipe usou um corante fluorescente para detectar amostras de DNA dentro da gota, e gerou um sinal acústico para rotação de gota. Eles alcançaram amplificação de sinal e detecção de sinal aprimorada com base na concentração de DNA na amostra. Além do rápido enriquecimento de nanopartículas, o sistema também concentrava nanopartículas de tamanhos variados. Por exemplo, a interação de parâmetros acústicos, incluindo frequência e amplitude, e as dimensões da gota geraram trajetórias de partículas diferentes dentro da mesma gota. Contudo, a escala de tempo e a velocidade de migração para atingir uma posição específica variaram para partículas dentro da mesma gota. Por exemplo, quando nanopartículas de dois tamanhos diferentes estavam contidas em uma gota giratória, as partículas maiores experimentaram forças de radiação acústica mais altas e efeitos menores do movimento browniano.

p Centrífuga acústica de gota dupla

p Um dispositivo de gota única também pode afetar adversamente a pureza de subconjuntos de nanopartículas contidas nelas durante os processos de concentração diferencial e recuperação; Portanto, Gu et al. desenvolveu uma centrífuga acustofluídica com base em gotas duplas para a separação prática de nanopartículas. Usando o dispositivo, eles excitaram dois pares de ondas acústicas de superfície (SAWs) para se propagar assimetricamente através dos flancos das duas gotículas para causar giros simultâneos para gerar dois feixes acústicos por meio de um único transdutor interdigital. A equipe usou um chaveamento de mudança de frequência para alternar entre duas frequências de excitação diferentes e locais de excitação, com aplicações práticas para separação de subpopulações de exossomos. O método permitiu o fracionamento rápido de amostras de exossomos em diferentes subpopulações para medições via análise de rastreamento de nanopartículas.

p Desta maneira, Yuyang Gu e colegas desenvolveram e demonstraram uma plataforma de centrífuga acustofluídica para enriquecer ou separar biopartículas em nanoescala de maneira eficiente e rápida. Esta plataforma pode simplificar substancialmente a velocidade de processamento da amostra, detecção e reações de reagentes em várias aplicações, incluindo diagnósticos de ponto de atendimento, bioensaios e biomedicina. p © 2021 Science X Network