Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han descubierto una posible fuente de error al usar ondas acústicas para medir las propiedades de fluidos como la sangre. Su descubrimiento plantea la posibilidad de pruebas de diagnóstico más precisas para ciertos tipos de cáncer de la sangre y una clasificación más precisa de las células sanguíneas.

Todas las ondas acústicas, incluido el ultrasonido, crean regiones de presión alta y baja alternantes en un medio como el aire, el agua y otros fluidos como la sangre. Los investigadores los usan con frecuencia para estudiar las propiedades de pequeños volúmenes de "microfluidos", aquellos confinados en recipientes no más anchos que el grosor de una tarjeta de crédito.

Para medir las propiedades de una muestra de sangre microfluida, los investigadores utilizan ondas de ultrasonido de una frecuencia y energía conocidas, generadas justo debajo de la pared inferior del vaso por un cristal piezoeléctrico, un material que puede convertir el flujo de electricidad en ondas acústicas. Las ondas que penetran en el fluido viajan principalmente a lo largo de la superficie del fondo, entre el líquido y la pared. Después de que las ondas salen del fluido, los científicos detectan cualquier pérdida de energía o cambio en la frecuencia de las ondas. Estas mediciones pueden revelar propiedades que son cruciales para medir el flujo de sangre, que puede ser peligrosamente lento en algunos pacientes con cáncer de la sangre. Las ondas acústicas también pueden clasificar las células de la sangre total.

Los investigadores biomédicos y los oncólogos tienen un interés particular en medir la viscosidad de un microfluido. A veces denominada espesor de un fluido, la viscosidad se define con mayor precisión como una medida de la resistencia de un fluido al corte. Por ejemplo, la melaza resiste el cizallamiento mucho más que el agua y es unas 5000 veces más viscosa, lo que explica su comportamiento de vertido lento.

Las personas con ciertos tipos de cánceres de la sangre, incluidos el mieloma múltiple, la leucemia y la macroglobulinemia de Waldenström, pueden tener un plasma sanguíneo tan viscoso que puede interferir con la circulación de la sangre por todo el cuerpo. Para evaluar esta afección, conocida como síndrome de hiperviscosidad, los médicos se basan en una variedad de mediciones, como la sangre total y la viscosidad del suero sanguíneo.

Para las mediciones acústicas de estas propiedades, el equipo de investigación del NIST descubrió que se debe tener en cuenta una propiedad a menudo ignorada conocida como deslizamiento para garantizar su precisión. El deslizamiento se refiere al movimiento del microfluido cuando se desliza contra las paredes sólidas de su contenedor. El deslizamiento en un microfluido, encontraron los investigadores, es similar al observado en un truco familiar de fiesta, cuando alguien tira de un mantel, dejando atrás los platos y los cubiertos. (Sin deslizamiento, la vajilla se derrumbaría con el mantel).

Un microfluido experimenta deslizamiento simplemente debido al flujo de fluido contra la pared de su contenedor. Pero cuando las ondas acústicas ingresan al microfluido, introducen un segundo tipo de deslizamiento. El movimiento periódico de las ondas acústicas, su ciclo de crestas y valles, hace que la superficie del microfluido más cercana a la fuente de la onda se mueva ligeramente hacia adelante y hacia atrás contra la pared del contenedor. Este movimiento lateral es realmente pequeño:el movimiento no supera las 15 moléculas de longitud.

En una serie de experimentos, Aurore Quelennec (ahora en Teledyne Technologies en Canadá), junto con los científicos del NIST Jason Gorman y Darwin Reyes, descubrieron que la presencia de este deslizamiento acústico evita que los microfluidos absorban tanta energía de las ondas acústicas como lo harían de otra manera. El estudio del equipo descartó varios otros factores, como la tensión superficial y la rugosidad de las paredes del contenedor, que también podrían haber disminuido la cantidad de energía acústica absorbida por el microfluido, anotó Reyes.

"El deslizamiento debido solo al flujo de fluidos se entiende bien", dijo Gorman. "Sin embargo, a medida que surgen muchas clases nuevas de dispositivos acústico-fluídicos en aplicaciones de biociencia, como la clasificación de células, la lisis (descomposición de la membrana celular) y la medición de las propiedades de los fluidos, el deslizamiento acústico es cada vez más importante de caracterizar", dijo Gorman. dijo.

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que el deslizamiento acústico entre el fluido y la pared del recipiente se asemeja al roce de un sólido contra otro, que se rige por las leyes de fricción de Amontons-Coulomb. El parecido es importante porque permitirá a los investigadores modelar el deslizamiento acústico basándose en un fenómeno más familiar y mejor estudiado.

Si se ignora el deslizamiento acústico en la interfaz líquido-sólido, el cambio en la absorción de las ondas acústicas se atribuiría por completo a las propiedades físicas del microfluido a través del cual viajaron. Aunque los investigadores no han examinado cómo se podría desarrollar su hallazgo en estudios acústicos de sangre u otro material biológico, el deslizamiento acústico puede llevar a una medida menos precisa de la viscosidad.

El deslizamiento de fluidos también puede afectar la capacidad de las ondas acústicas para clasificar las células dentro de una pequeña muestra de sangre completa. En esta técnica, las ondas se emplean para empujar las células dentro de la sangre. Para una energía e intensidad dadas de las ondas acústicas, diferentes tipos de células sanguíneas serán empujadas en diferentes cantidades de acuerdo a su tamaño y otras propiedades físicas y mecánicas, resultando en una separación. Pero debido a que el deslizamiento reduce la transferencia de energía y presión, la calidad del proceso de clasificación disminuirá.

"Si se reconoce y se tiene en cuenta el verdadero papel del deslizamiento, permitirá que las mediciones acústicas en microfluidos alcancen la mayor precisión posible y avancen en futuras mediciones en biología y medicina", dijo Reyes.

Los investigadores informaron sus hallazgos en línea en la edición del 22 de marzo de Nature Communications . + Explora más

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Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.