Los ingenieros mecánicos de la Universidad de Duke han ideado un método para hacer girar gotitas individuales de líquido para concentrar y separar nanopartículas con fines biomédicos. La técnica es mucho más eficiente que los enfoques centrífugos tradicionales, haciendo su magia en menos de un minuto en lugar de tomar horas o días, y requiere solo una pequeña fracción del tamaño de muestra típico. La invención podría subrayar nuevos enfoques para aplicaciones que van desde bioensayos de precisión hasta diagnóstico de cáncer.

Los resultados aparecen en línea el 18 de diciembre en la revista. Avances de la ciencia .

"Esta idea se originó a partir de un descubrimiento reciente muy interesante de que se pueden utilizar ondas acústicas de superficie para hacer girar una gota de líquido, "dijo Tony Jun Huang, el Profesor Distinguido William Bevan de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en Duke. "Decidimos investigar si podríamos usar este método para crear un sistema de punto de atención que pueda separar y enriquecer nanopartículas de manera rápida y eficiente".

Huang y su estudiante de doctorado Yuyang Gu comenzaron su investigación construyendo un dispositivo capaz de hacer girar gotas individuales de líquido. En el centro de una superficie piezoeléctrica se encuentra un anillo de polidimetilsiloxano, un tipo de silicio comúnmente utilizado en tecnologías de microfluidos, que limita los límites de la gota y la mantiene en su lugar. Luego, los investigadores colocaron un generador de ondas de sonido llamado transductor interdigitado (IDT) en cada lado y los inclinaron para que las ondas de sonido con diferentes frecuencias viajen a través de la superficie piezoeléctrica para ingresar a la gota.

Cuando se enciende, los IDT crean ondas acústicas superficiales que empujan los lados de las gotas como si el pato Donald fuera volado por un par gigantesco de altavoces. En configuraciones de baja potencia, la parte superior de la gota comienza a tambalearse alrededor del anillo como la tapa de un muffin hecha de gelatina. Pero cuando la potencia sube a 11, el equilibrio entre la tensión superficial de la gota y su fuerza centrífuga hace que tome la forma de una pastilla y comience a girar en su lugar.

Luego, los investigadores investigaron cómo se comportaban las nanopartículas fluorescentes de diferentes tamaños dentro de las gotas giratorias. Porque la gota está girando, las propias nanopartículas también fueron arrastradas en un patrón helicoidal. Dependiendo de su tamaño y la frecuencia del sonido, también fueron empujados hacia el centro de la gota debido a la fuerza entrante de las ondas sonoras y la hidrodinámica.

Los investigadores encontraron que al usar diferentes frecuencias, podrían concentrar específicamente partículas tan pequeñas como decenas de nanómetros. Estos tamaños se correlacionan con moléculas biológicamente importantes como el ADN y los exosomas, nanopartículas biológicas liberadas por cada tipo de célula del cuerpo que se cree que juegan un papel importante en la comunicación de célula a célula y la transmisión de enfermedades.

Pero todavía se enfrentaban a otro problema. Mientras que las nanopartículas de un tamaño se agruparon en el centro de la gota, nanopartículas de otros tamaños todavía volaban al azar, lo que dificulta el acceso a la recompensa concentrada.

¿Su solución? Una segunda gota giratoria.

"Colocamos dos gotas de diferentes tamaños una al lado de la otra para que giraran a diferentes velocidades, "dijo Gu." Al conectarlos con un pequeño canal, cualquier nanopartícula que no se concentre en la primera termina girando y quedando atrapada en la segunda ".

Para mostrar aún más cuán útil podría ser su sistema centrífugo de gota doble, los investigadores demostraron que podía separar con éxito subpoblaciones de exosomas de una muestra. Y a diferencia de los métodos de centrifugación habituales que requieren una gran cantidad de muestras y pueden tardar en funcionar durante la noche, su solución solo necesitaba un volumen de muestra mucho menor, como cinco microlitros, y menos de un minuto.

"Prevemos que este trabajo simplifica y acelera el procesamiento de muestras, detección y reacciones de reactivos en diversas aplicaciones, como diagnósticos en el punto de atención, bioensayos y biopsias líquidas, "dijo Gu.

"La capacidad de separar y enriquecer subpoblaciones de exosomas y otras nanopartículas biológicas es extremadamente importante". añadió Huang. "Por ejemplo, mientras que el reciente descubrimiento de subpoblaciones de exosomas ha emocionado a biólogos e investigadores debido a su potencial para revolucionar el campo de los diagnósticos no invasivos, Las subpoblaciones de exosomas aún no se han utilizado en entornos clínicos. Esto se debe en gran parte a las dificultades asociadas con la separación de subpoblaciones de exosomas debido a su pequeño tamaño. Nuestro enfoque ofrece una enfoque automatizado para separar subpoblaciones de exosomas de una manera rápida y biocompatible. Como resultado, creemos que es fundamental desbloquear la utilidad clínica de las subpoblaciones de exosomas ".