Mecanismo de trabajo de rotación fuera del plano impulsada por la luz de rotores de micro/nanoescala. (A) Un esquema simplificado que ilustra la configuración y operación experimental para OTER de micro/nanopartículas. (B) Mecanismo de trabajo de OTER:(i) En el campo de temperatura no uniforme, los iones Na+ y Cl- y las moléculas de PEG se difunden a la región fría. Las flechas amarillas indican fuerzas de agotamiento discretas (FDi) que actúan sobre el rotor, lo que conduce a una fuerza de agotamiento total (FD) en (iv). (ii) Un campo TE es creado por la separación de iones Na+ y Cl− debido a sus diferentes coeficientes de termodifusión. Las flechas grises indican la dirección del campo TE. (iii) El campo de temperatura también afecta la disociación de los grupos de funciones carboxílicos, por lo tanto, las cargas superficiales en el sustrato. (iv) Fuerzas optotérmicas y par en el rotor:en estado estacionario, la distribución de gradiente de las moléculas de PEG genera una fuerza de agotamiento atractiva (FD) en la partícula. Una fuerza repulsiva (FTE) se genera a partir del campo TE. Una fuerza termoelectrocinética (FEK) proviene del sustrato plasmónico recubierto de ácido 11-mercaptoundecanoico con una carga superficial termosensible no uniforme (de −65 a −58 mV). La carga superficial de la mayoría de las partículas también varía con la temperatura debido a sus grupos ácidos ionizados en la superficie. Por ejemplo, la carga superficial local de una partícula de poliestireno (PS) funcionalizado con carboxílico varía de -55 a -49 mV. Los símbolos "-" indican las distribuciones dependientes de la temperatura de las cargas negativas en la superficie de la partícula y el sustrato. Los regímenes irradiados con luz con la temperatura más alta presentan la densidad de carga más baja. Se puede generar un par neto, MEK, sobre la partícula en la posición determinada donde se alcanza un equilibrio entre FD, FTE y FEK. La potencia óptica es de 78,4 μW. El punto rojo marca el centroide de la partícula. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
La rotación fundamental de micro y nanoobjetos es crucial para la funcionalidad de la micro y nanorobótica, así como para la creación de imágenes tridimensionales y los sistemas de laboratorio en un chip. Estos métodos de rotación óptica pueden funcionar sin combustible y de forma remota y, por lo tanto, son más adecuados para experimentos, mientras que los métodos actuales requieren rayos láser con perfiles de intensidad diseñados u objetos con formas sofisticadas. Estos requisitos son un desafío para configuraciones ópticas más simples con rotación impulsada por la luz de una variedad de objetos, incluidas las células biológicas.
En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Hongru Ding y un equipo de investigación en ingeniería y ciencia de los materiales de la Universidad de Texas en Austin, EE. UU., desarrollaron un enfoque universal para la rotación fuera del plano de varios objetos basado en un rayo láser arbitrario de baja potencia. Los científicos colocaron la fuente de láser lejos de los objetos para reducir el daño óptico de la iluminación directa y combinaron el mecanismo de rotación a través del acoplamiento optotérmico con experimentos rigurosos, acoplados a simulaciones multiescala. La aplicabilidad general y la biocompatibilidad de la plataforma de rotación universal impulsada por luz es fundamental para una variedad de aplicaciones científicas y de ingeniería.
Rotación opto-termoeléctrica
Al regular la rotación de objetos a micro y nanoescala, los investigadores han demostrado funcionalidades efectivas en nanocirugía precisa, fricción de vacío y control de flujo microfluídico. Los micro y nanorotores impulsados por luz son una opción prometedora sin combustible, aunque la construcción de estos dispositivos sigue siendo un desafío porque necesitan una óptica más simple y de baja potencia para lograr la rotación impulsada por la luz. Ding et al propusieron la rotación opto-termoeléctrica (OTER) en este nuevo trabajo, para generar fuerza electrocinética, fuerza de agotamiento y fuerza eléctrica basadas en ópticas simples y de baja potencia.
El equipo de investigación logró la rotación de micro y nanopartículas esféricamente simétricas y homogéneas a través de un solo rayo láser gaussiano colocado lejos de los rotores, para reducir el daño causado por la iluminación de luz directa. Al combinar los experimentos con simulaciones multiescala, revelaron la rotación optotérmica a través de interacciones electrocinéticas entre micro y nanopartículas, y el sustrato con carga superficial termosensible. Como prueba de concepto, el equipo mostró cómo la estrategia OTER podía rotar objetos de diferentes tamaños, materiales y formas para regular la luz incidente y la química de la superficie.
Caracterización óptica in situ de la rotación fuera del plano impulsada por la luz de una micropartícula esférica. (A) (i) Ilustración esquemática de la rotación fuera del plano de una partícula PS esférica (es decir, rotor) alrededor de un eje paralelo al sustrato. El rayo láser, que se propaga perpendicularmente al sustrato, calienta la región del sustrato cerca de la partícula. La partícula se suspende en una solución de PEG al 5 %/PBS al 5 % que cubre el sustrato. Las dos perlas rojas son nanopartículas fluorescentes para la visualización del cambio de orientación del rotor bajo un microscopio de epifluorescencia. El plano focal del microscopio óptico está alrededor de 1 μm por encima del sustrato. (ii a vi) Imágenes de fluorescencia sucesivas de una partícula PS giratoria de 2,8 μm. Los recuadros son ilustraciones esquemáticas de las orientaciones del rotor con dos nanopartículas fluorescentes como marcadores. Experimentalmente, dos nanopartículas de PS fluorescentes de 40 nm (de diámetro) se unieron al rotor mediante la unión de estreptavidina-biotina. El punto rojo en el lado derecho del rotor marca la posición del rayo láser de conducción. Barra de escala, 2 μm. (B) Intensidad de fluorescencia dependiente del tiempo medida desde el rotor y sus alrededores como se indica en (iii) de (A). La rotación fuera del plano del rotor conduce a la fluctuación periódica de la intensidad de fluorescencia. Los picos de intensidad aparecen cuando la rotación da lugar a ambas nanopartículas fluorescentes en el plano focal del microscopio óptico. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Los investigadores ilustraron la configuración experimental y el mecanismo de trabajo de OTER, donde un rayo láser generó fuerzas optotérmicas en las partículas. Ding et al adaptaron la fuerza neta y el par a través de la potencia del láser y la distancia de las partículas del láser para la rotación fuera del plano de los micro y nanoobjetos. Luego dirigieron el rayo láser a un sustrato absorbente de luz, como una película de oro poroso, para establecer un campo de temperatura adaptable en microsegundos.
Para generar optotérmicamente las fuerzas y el par requeridos para la rotación estable del rotor, Ding et al agregaron moléculas de polietilenglicol (PEG) y solución salina tamponada con fosfato en agua y funcionalizaron el sustrato con monocapas de alcanotiol terminadas en ácido carboxílico. Tras la iluminación láser, el equipo logró un aumento de la temperatura para crear un campo termoeléctrico en presencia de iones para impulsar la termoelectroforesis del rotor cargado. Exploraron el gradiente de carga superficial en el sustrato para luego proporcionar una fuerza electrocinética sintonizable optotérmicamente conocida como fuerza termoeléctrica.
Análisis cuantitativo y modelado de OTER de rotores esféricos simples. (A) Magnitudes simuladas de la fuerza de agotamiento y la fuerza TE a lo largo del eje x en una partícula PS de 2,8 μm en función de la distancia PL en una solución de PEG al 5 %/PBS al 5 %. Como marca la línea discontinua, se alcanza un equilibrio entre la fuerza de agotamiento y la fuerza TE (es decir, fuerza neta cero) a una distancia PL crítica de 2,1 μm. Recuadro:ilustración esquemática del análisis de fuerza para el rotor impulsado por luz en el plano xz. Los círculos rojo y blanco representan el punto láser y el rotor, respectivamente. (B) Par simulado (MEK) que actúa sobre el rotor en función de la distancia PL. El par a la distancia PL crítica (2,1 μm) es de alrededor de 1,6 pN·nm. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Caracterización y modelado de rotación opto-termoeléctrica
Ding et al estudiaron el comportamiento de rotación de los rotores impulsados por luz mediante el uso de microscopía óptica. Obtuvieron un mejor examen del comportamiento de rotación al etiquetar una micropartícula de poliestireno con dos nanoesferas fluorescentes con unión de estreptavidina-biotina para la rotación fuera del plano de la partícula impulsada por un láser. La rotación fuera del eje observada protegió los delicados rotores, incluidas las células vivas, del daño causado por la iluminación óptica de alta potencia. El equipo incorporó además análisis de elementos finitos, dinámica molecular y simulaciones de dominio de tiempo de diferencia finita para analizar las fuerzas de trabajo de los rotores opto-termoeléctricos. Los científicos calcularon las fuerzas y los pares optotérmicos que actúan sobre el rotor en función de la distancia entre las partículas y el láser y realizaron una serie de experimentos y simulaciones para comprender el impacto de la fuerza electrocinética, la fuerza de agotamiento y la fuerza termoeléctrica ajustando la carga superficial del sustrato y componentes de la solución.
Aplicabilidad general de OTER a una variedad de rotores con diversas formas, tamaños y materiales. (A) Imágenes de fluorescencia sucesivas de una partícula de PS rotatoria de 1 μm marcada con nanopartículas fluorescentes para la visualización de la rotación. (B) Imágenes ópticas sucesivas de una partícula PS/Au Janus giratoria de 500 nm. (C) Imágenes ópticas de campo oscuro sucesivas de una partícula PS/Au Janus giratoria de 300 nm. (D) Intensidad RGB en tiempo real de las imágenes ópticas de campo oscuro de la partícula Janus. El rectángulo de rayas blancas en (C) marca el área seleccionada desde la que se registra la intensidad RGB. (E) Imágenes ópticas sucesivas de una célula de levadura giratoria. (F) Imágenes ópticas sucesivas de un B. subtilis giratorio. (G) Imágenes ópticas sucesivas de un dímero giratorio compuesto por dos partículas de sílice de 2 μm. "ON" y "OFF" indican que el rayo láser está encendido y apagado, respectivamente. (H) Imágenes ópticas sucesivas de un trímero giratorio compuesto por tres partículas PS de 1 μm. Las líneas discontinuas y las flechas negras representan los ejes y direcciones de rotación, respectivamente. Barras de escala, 1 μm (A, B, E, F y H), 500 nm (C) y 2 μm (G). Soluciones, 15% PEG/5% PBS (A a C, G y H) y 5% PEG/5% PBS (E y F). Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn8498
Aplicaciones de OTER
Ding et al demostraron el impacto de OTER en células biológicas y partículas sintéticas de diversos materiales, tamaños y formas. Mostraron la rotación de rotores a nanoescala, como las partículas de Janus de poliestireno y oro, mediante el uso de microscopía óptica de campo oscuro. El método OTER también es aplicable a células vivas, incluidas cepas vivas de hongos, bacterias e incluso células humanas en medios de cultivo celular que contienen iones. Además, el método es adecuado para rotores con arquitecturas complejas, incluida la rotación fuera del plano de dímeros, trímeros y hexámeros de partículas. Usando el método, Ding et al prevén una regulación precisa del rotor y el rayo láser para lograr perfiles 3D de células biológicas y partículas sintéticas de alta resolución.
Perspectiva
De esta manera, Hongru Ding y sus colegas aprovecharon la termodifusión de iones y moléculas en soluciones para desarrollar una carga termosensible en las interfaces sólido-líquido. La estrategia opto-termoeléctrica permitió la rotación de objetos a micro y nanoescala en un ambiente líquido con óptica simple y de bajo consumo. El método es superior a las técnicas convencionales existentes con aplicabilidad universal para detección de imágenes y aplicaciones biomédicas. El equipo espera que el enfoque optotérmico desempeñe un papel importante en los estudios biológicos in vitro para rotar células y partículas sintéticas en biofluidos nativos con iones y biomoléculas.
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