Una estructura cilíndrica y estampada formada por nanotubos de carbono.
Los ingenieros del MIT han ideado una nueva técnica para atrapar moléculas difíciles de detectar, utilizando bosques de nanotubos de carbono.
El equipo modificó un canal de microfluidos simple con una serie de nanotubos de carbono alineados verticalmente, rejillas enrolladas de átomos de carbono que se asemejan a pequeños tubos de alambre de gallinero. Los investigadores habían ideado previamente un método para colocar nanotubos de carbono en sus extremos, como árboles en un bosque. Con este método, crearon una matriz tridimensional de nanotubos de carbono permeables dentro de un dispositivo de microfluidos, a través del cual puede fluir el fluido.
Ahora, en un estudio publicado esta semana en el Revista de Microingeniería y Nanotecnología , los investigadores han dado a la matriz de nanotubos la capacidad de atrapar ciertas partículas. Para hacer esto, el equipo cubrió la matriz, capa por capa, con polímeros de carga eléctrica alterna.
"Se puede pensar que cada nanotubo del bosque está recubierto concéntricamente con diferentes capas de polímero, "dice Brian Wardle, profesor de aeronáutica y astronáutica en el MIT. "Si lo dibujó en sección transversal, sería como anillos en un árbol ".
Dependiendo del número de capas depositadas, los investigadores pueden crear nanotubos más gruesos o más delgados y, por lo tanto, adaptar la porosidad del bosque para capturar partículas de interés más grandes o más pequeñas.
El recubrimiento de polímero de los nanotubos también puede manipularse químicamente para unir biopartículas específicas que fluyen a través del bosque. Para probar esta idea, los investigadores aplicaron una técnica establecida para tratar la superficie de los nanotubos con anticuerpos que se unen al antígeno prostático específico (PSA), un objetivo experimental común. Las matrices recubiertas de polímero capturaron un 40 por ciento más de antígenos, en comparación con las matrices que carecen del recubrimiento de polímero.
Wardle dice que la combinación de nanotubos de carbono y recubrimientos multicapa puede ayudar a ajustar con precisión los dispositivos de microfluidos para capturar partículas extremadamente pequeñas y raras. como ciertos virus y proteínas.
"Hay biopartículas más pequeñas que contienen cantidades muy ricas de información a la que actualmente no tenemos la capacidad de acceder en dispositivos de punto de atención [pruebas médicas] como chips de microfluidos, "dice Wardle, quien es coautor del artículo. "Las matrices de nanotubos de carbono podrían ser una plataforma que podría apuntar a ese tamaño de biopartícula".
Una vista ampliada de nanotubos de carbono, mostrando tubos individuales.
La autora principal del artículo es Allison Yost, un ex estudiante de posgrado que actualmente es ingeniero en Accion Systems. Otros en el periódico incluyen al estudiante de posgrado Setareh Shahsavari; postdoctorado Roberta Polak; El profesor de Innovación Docente de la Escuela de Ingeniería Gareth McKinley; profesor de ciencia e ingeniería de materiales Michael Rubner, y el profesor de ingeniería química Raymond A. y Helen E. St. Laurent, Robert Cohen.
Un bosque poroso
Los nanotubos de carbono han sido objeto de un intenso estudio científico, ya que poseen un sistema eléctrico excepcional, mecánico, y propiedades ópticas. Si bien su uso en microfluidos no se ha explorado bien, Wardle dice que los nanotubos de carbono son una plataforma ideal porque sus propiedades pueden manipularse para atraer ciertas moléculas de tamaño nanométrico. Adicionalmente, los nanotubos de carbono son 99 por ciento porosos, lo que significa que un nanotubo tiene aproximadamente un 1 por ciento de carbono y un 99 por ciento de aire.
"Que es lo que necesitas, Wardle dice:"Es necesario hacer fluir cantidades de fluido a través de este material para eliminar todos los millones de partículas que no desea encontrar y agarrar la que sí desea encontrar".
Y lo que es más, Wardle dice:un bosque tridimensional de nanotubos de carbono proporcionaría mucha más superficie en la que las moléculas objetivo pueden interactuar, en comparación con las superficies bidimensionales de la microfluídica convencional.
"La eficiencia de captura aumentaría con el área de superficie, "Observa Wardle.
Una gama versátil
El equipo integró una matriz tridimensional de nanotubos de carbono en un dispositivo de microfluidos mediante el uso de deposición química de vapor y fotolitografía para hacer crecer y modelar nanotubos de carbono en obleas de silicio. Luego agruparon los nanotubos en un bosque en forma de cilindro, mide aproximadamente 50 micrómetros de alto y 1 milímetro de ancho, y centró la matriz dentro de un ancho de 3 milímetros, Canal microfluídico de 7 milímetros de longitud.
Los investigadores recubrieron los nanotubos en capas sucesivas de soluciones poliméricas cargadas alternativamente para crear distintas, capas de unión alrededor de cada nanotubo. Para hacerlo hicieron fluir cada solución a través del canal y descubrieron que podían crear un revestimiento más uniforme con un espacio entre la parte superior del bosque de nanotubos y el techo del canal. Tal brecha permitió que las soluciones fluyeran, luego hacia el bosque, coating each individual nanotube. In the absence of a gap, solutions simply flowed around the forest, coating only the outer nanotubes.
After coating the nanotube array in layers of polymer solution, the researchers demonstrated that the array could be primed to detect a given molecule, by treating it with antibodies that typically bind to prostate specific antigen (PSA). They pumped in a solution containing small amounts of PSA and found that the array captured the antigen effectively, throughout the forest, rather than just on the outer surface of a typical microfluidic element.
Wardle says that the nanotube array is extremely versatile, as the carbon nanotubes may be manipulated mechanically, electrically, and optically, while the polymer coatings may be chemically altered to capture a wide range of particles. He says an immediate target may be biomarkers called exosomes, which are less than 100 nanometers wide and can be important signals of a disease's progression.
"Science is really picking up on how much information these particles contain, and they're sort of everywhere, but really hard to find, even with large-scale equipment, " Wardle says. "This type of device actually has all the characteristics and functionality that would allow you to go after bioparticles like exosomes and things that really truly are nanometer scale."
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
