El nebulizador patentado 'Respite' utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para administrar medicamentos con precisión a los pulmones. Crédito:Universidad RMIT
Los investigadores han revelado cómo se pueden utilizar ondas sonoras de alta frecuencia para construir nuevos materiales, fabrican nanopartículas inteligentes e incluso administran medicamentos a los pulmones sin dolor, Vacunas sin aguja.
Si bien las ondas sonoras han sido parte de la ciencia y la medicina durante décadas (el ultrasonido se utilizó por primera vez para la obtención de imágenes clínicas en 1942 y para impulsar reacciones químicas en la década de 1980), las tecnologías siempre se han basado en las bajas frecuencias.
Ahora, investigadores de la RMIT University en Melbourne, Australia, han demostrado cómo las ondas sonoras de alta frecuencia podrían revolucionar el campo de la química impulsada por ultrasonidos.
Una nueva revisión publicada en Ciencia avanzada revela los extraños efectos de estas ondas sonoras en materiales y células, como moléculas que parecen ordenarse espontáneamente después de ser golpeadas con el equivalente sónico de un semirremolque.
Los investigadores también detallan varias aplicaciones interesantes de su trabajo pionero, incluso:
El investigador principal, el profesor distinguido Leslie Yeo, y su equipo han pasado más de una década investigando la interacción de las ondas sonoras a frecuencias superiores a 10 MHz con diferentes materiales.
Pero Yeo dice que recién ahora están comenzando a comprender la gama de fenómenos extraños que a menudo observan en el laboratorio.
"Cuando acoplamos ondas sonoras de alta frecuencia en fluidos, materiales y células, los efectos son extraordinarios, " él dice.
"Hemos aprovechado el poder de estas ondas sonoras para desarrollar tecnologías biomédicas innovadoras y sintetizar materiales avanzados.
“Pero nuestros descubrimientos también han cambiado nuestra comprensión fundamental de la química impulsada por ultrasonidos y han revelado lo poco que sabemos realmente.
"Tratar de explicar la ciencia de lo que vemos y luego aplicarlo para resolver problemas prácticos es un desafío grande y emocionante".
Ondas sónicas:cómo potenciar la química con sonido
El equipo de investigación de RMIT, que incluye al Dr. Amgad Rezk, Dr. Heba Ahmed y Dr. Shwathy Ramesan, genera ondas sonoras de alta frecuencia en un microchip para manipular con precisión fluidos o materiales.
Un MOF creado acústicamente, con el microchip que produce las ondas sonoras de alta frecuencia utilizadas en el proceso. Crédito:Universidad RMIT
El ultrasonido se ha utilizado durante mucho tiempo a bajas frecuencias, alrededor de 10 kHz a 3 MHz, para impulsar reacciones químicas, un campo conocido como "sonoquímica".
A estas bajas frecuencias, Las reacciones sonoquímicas son impulsadas por la violenta implosión de burbujas de aire.
Este proceso, conocido como cavitación, da como resultado presiones enormes y temperaturas ultra altas, como una olla a presión diminuta y extremadamente localizada.
Pero resulta que si subes la frecuencia, estas reacciones cambian por completo.
Cuando las ondas sonoras de alta frecuencia se transmitieron a varios materiales y células, los investigadores vieron un comportamiento que nunca se había observado con ultrasonido de baja frecuencia.
"Hemos visto moléculas autoordenadas que parecen orientarse en el cristal a lo largo de la dirección de las ondas sonoras, "Dice Yeo.
"Las longitudes de onda de sonido involucradas pueden ser superiores a 100, 000 veces más grande que una molécula individual, por lo que es increíblemente desconcertante cómo algo tan pequeño puede manipularse con precisión con algo tan grande.
"Es como conducir un camión a través de una dispersión aleatoria de ladrillos Lego, luego, encontrar esas piezas bien apiladas una encima de la otra, ¡no debería suceder! "
Avances biomédicos
Si bien la cavitación de baja frecuencia a menudo puede destruir moléculas y células, permanecen casi intactos bajo las ondas sonoras de alta frecuencia.
Esto los hace lo suficientemente suaves como para usarlos en dispositivos biomédicos para manipular biomoléculas y células sin afectar su integridad, la base de las diversas tecnologías de administración de medicamentos patentadas por el equipo de investigación de RMIT.
Uno de estos dispositivos patentados es un nebulizador avanzado ligero y portátil que puede administrar con precisión moléculas grandes como ADN y anticuerpos, a diferencia de los nebulizadores existentes.
Esto abre el potencial para indoloro, Vacunas y tratamientos sin aguja.
El nebulizador utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para excitar la superficie del fluido o fármaco. generando una fina niebla que puede entregar moléculas biológicas más grandes directamente a los pulmones.
Distinguida profesora Leslie Yeo, Jefe del Laboratorio de Investigación de Micro / Nanofísica de la Universidad RMIT. Crédito:Universidad RMIT
La tecnología de nebulizador también se puede utilizar para encapsular un fármaco en nanopartículas de polímero protector, en un proceso de un solo paso que combina la nanofabricación y la administración de fármacos.
Además, Los investigadores han demostrado que irradiar células con ondas sonoras de alta frecuencia permite insertar moléculas terapéuticas en las células sin dañarlas. una técnica que se puede utilizar en terapias emergentes basadas en células.
Materiales inteligentes
El equipo ha utilizado las ondas sonoras para impulsar la cristalización para la producción sostenible de estructuras metalorgánicas, o MOF.
Previsto para ser el material definitorio del siglo XXI, Los MOF son ideales para detectar y atrapar sustancias en concentraciones mínimas, para purificar el agua o el aire, y también puede contener grandes cantidades de energía, para fabricar mejores baterías y dispositivos de almacenamiento de energía.
Si bien el proceso convencional para hacer un MOF puede llevar horas o días y requiere el uso de solventes agresivos o procesos energéticos intensivos, el equipo de RMIT ha desarrollado una Técnica impulsada por ondas de sonido que puede producir un MOF personalizado en minutos y puede ampliarse fácilmente para una producción en masa eficiente.
Las ondas de sonido también se pueden utilizar para la nano-fabricación de materiales 2-D, que se utilizan en innumerables aplicaciones, desde circuitos eléctricos flexibles hasta células solares.
Ampliando y superando los límites
Los próximos pasos del equipo de RMIT se centran en ampliar la tecnología.
A un bajo costo de solo 0,70 USD por dispositivo, Los microchips generadores de ondas sonoras se pueden producir utilizando los procesos estándar para la fabricación en masa de chips de silicio para computadoras.
"Esto abre la posibilidad de producir cantidades industriales de materiales con estas ondas sonoras a través de una paralelización masiva, utilizando miles de nuestros chips simultáneamente, "Dijo Yeo.
El equipo del Laboratorio de Investigación de Micro / Nanofísica, en la Escuela de Ingeniería de RMIT, es uno de los pocos grupos de investigación del mundo que reúne ondas sonoras de alta frecuencia, microfluidos y materiales.
Yeo dice que la investigación desafía las teorías de la física de larga data, abriendo un nuevo campo de "excitación de alta frecuencia" en paralelo a la sonoquímica.
"Las teorías clásicas establecidas desde mediados del siglo XIX no siempre explican el comportamiento extraño y, a veces, contradictorio que vemos; estamos superando los límites de nuestra comprensión".
