Desafios de longa data na pesquisa biomédica, como o monitoramento da química cerebral e o rastreamento da propagação de medicamentos pelo corpo, exigem sensores muito menores e mais precisos. Um novo sensor em nanoescala que pode monitorar áreas 1.000 vezes menores do que a tecnologia atual e pode rastrear mudanças sutis no conteúdo químico do tecido biológico com resolução inferior a um segundo, superando em muito o desempenho das tecnologias padrão.



O dispositivo, desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, é à base de silício e aproveita técnicas desenvolvidas para fabricação de microeletrônica. O pequeno tamanho do dispositivo permite coletar conteúdo químico com quase 100% de eficiência de regiões altamente localizadas do tecido em uma fração de segundo. As capacidades deste novo dispositivo de nanodiálise são relatadas na revista ACS Nano .

"Com nosso dispositivo de nanodiálise, pegamos uma técnica estabelecida e a levamos a um novo extremo, tornando problemas de pesquisa biomédica que eram impossíveis antes bastante viáveis ​​agora", disse Yurii Vlasov, professor de engenharia elétrica e de computação da U. of I. e co-professor de engenharia elétrica e de computação da U. of I. -líder do estudo. "Além disso, como nossos dispositivos são feitos de silício usando técnicas de fabricação microeletrônica, eles podem ser fabricados e implantados em larga escala."

Da micro à nanodiálise

A nanodiálise é baseada em uma técnica chamada microdiálise, na qual uma sonda com uma membrana fina é inserida no tecido biológico. Os produtos químicos passam através da membrana em um fluido que é bombeado para análise. A capacidade de coletar amostras diretamente de tecidos teve um grande impacto em áreas como neurociência, farmacologia e dermatologia.

No entanto, a microdiálise tradicional tem limitações. As sondas coletam amostras de alguns milímetros quadrados, de modo que só podem medir a composição média em regiões relativamente grandes do tecido. O tamanho grande também resulta em algum grau de dano tecidual quando a sonda é inserida, distorcendo potencialmente os resultados da análise. Finalmente, o fluido bombeado através da sonda flui a uma taxa comparativamente alta, impactando a eficiência e a precisão com que as concentrações químicas podem ser lidas.

“Muitos problemas com a microdiálise tradicional podem ser resolvidos usando um dispositivo muito menor”, ​​disse Vlasov. "Diminuir o tamanho com a nanodiálise significa mais precisão, menos danos causados ​​pela colocação do tecido, mapeamento químico do tecido com maior resolução espacial e um tempo de leitura muito mais rápido, permitindo uma imagem mais detalhada das mudanças na química do tecido."

Lento e constante

A característica mais importante da nanodiálise é a taxa de fluxo ultralenta do fluido bombeado através da sonda. Ao tornar a taxa de fluxo 1.000 vezes mais lenta que a microdiálise tradicional, o dispositivo captura a composição química do tecido coletado de uma área 1.000 vezes menor que as técnicas tradicionais, mantendo 100% de eficiência.

“Ao diminuir drasticamente a taxa de fluxo, permite que os produtos químicos que se difundem na sonda correspondam às concentrações externas ao tecido”, explicou Vlasov. “Imagine que você está adicionando corante a um cano com água corrente. Se o fluxo for muito rápido, o corante se dilui em concentrações difíceis de detectar.

Fabricação e produção de silício

Dispositivos de microdiálise padrão são construídos usando sondas de vidro e membranas de polímero, tornando-os um desafio para miniaturizar. Para construir dispositivos adequados para nanodiálise, os pesquisadores usaram técnicas desenvolvidas para fabricação de chips eletrônicos para criar um dispositivo baseado em silício.

“Além de nos permitir diminuir o tamanho, a tecnologia do silício torna os dispositivos mais baratos”, disse Vlasov. "Ao investir tempo e esforço no desenvolvimento de um processo de fabricação para construir nossos nanodispositivos em silício, agora é muito simples fabricá-los em escala industrial a um custo incrivelmente baixo."

Rashid Bashir, professor de bioengenharia da U. of I. e reitor da Grainger College of Engineering, co-liderou o projeto.

Mais informações: Insu Park et al, Amostragem química altamente localizada em resolução temporal de subsegundos habilitada com uma plataforma de nanodiálise de silício em fluxos de nanolitros por minuto, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09776
Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois