Las gotas de líquido han ganado recientemente una atención renovada como un modelo simplificado para una variedad de fenómenos físicos fascinantes en la escala del núcleo celular a los agujeros negros estelares. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Yuyang Gu y un equipo de científicos en los EE. UU. Presentaron una técnica de centrifugación acústico-fluídica que utiliza el entrelazamiento de la activación de ondas acústicas y el giro de una gota fluídica para lograr el enriquecimiento y la separación de nanopartículas. Combinaron métodos de exploración acústica y rotación de gotas para lograr concentraciones rápidas de nanopartículas y una separación basada en el tamaño con una resolución suficiente para identificar y aislar subpoblaciones de exosomas.

Los exosomas son vesículas extracelulares a nanoescala que pueden transportar carga molecular de una célula a otra y, por lo tanto, son un vector / vehículo poderoso en la investigación biomédica para la administración de fármacos y aplicaciones de descubrimiento biomolecular. El equipo caracterizó los mecanismos subyacentes al proceso tanto numérica como experimentalmente, junto con la capacidad de procesar muestras biológicas dentro de los dispositivos. El método de centrifugación acústico-fluídica superó los límites existentes de manipulación de biopartículas a nanoescala en campos multidisciplinarios de la biología. química, Ingenieria, ciencia de materiales y medicina.

El sistema de centrífuga acústico-fluídica

Los científicos de materiales tienen como objetivo manipular nanopartículas para una variedad de aplicaciones biomédicas y bioquímicas, incluida la administración de genes o fármacos, bioensayos, diagnósticos y reacciones catalíticas. Por lo tanto, es necesario realizar los pasos de concentración o separación de nanopartículas para aplicaciones de nanoestructuras en campos multidisciplinarios. Acustofluidics tiene como objetivo combinar acústica y microfluídica para un diseño de dispositivo simplista. En este trabajo, Gu y col. presentó un sistema de centrífuga acústico-fluídica para manipular acústicamente partículas con tamaños de unos pocos nanómetros. El método permitió varias funciones, incluida la concentración de nanopartículas, separación y transporte.

El sistema básico contenía un par de transductores interdigitales inclinados (IDT) y un anillo circular de polidimetilsiloxano (PDMS) para encapsular una parte de la gota y definir su forma. El equipo generó ondas acústicas de superficie (SAW) para iniciar el movimiento giratorio de las gotas. El proceso permitió que Stokes se desplazara a lo largo de una trayectoria circular cerrada para transferir el impulso del fluido para aumentar notablemente la velocidad de flujo interno y la tasa de cizallamiento dentro de la gota en muchos pliegues. Según simulaciones numéricas, las ondas acústicas podrían hacer girar una gota de líquido con un volumen de muestra variable para influir en las nanopartículas de varios tamaños que residen dentro de la gota. El equipo espera traducir el trabajo a micro / nanoescala para simplificar el proceso de transfección para automatizar la carga de vesículas y acelerar las biopsias líquidas.

Gu y col. colocó una gota en un anillo PDMS para confinar el límite del fluido y lo ubicó entre dos transductores interdigitales inclinados (IDT). Luego aplicaron una señal eléctrica a los IDT inclinados para generar dos ondas acústicas de superficie viajera que se propagarán a lo largo del sustrato desde dos direcciones opuestas para ingresar a la gota. El proceso deformó la interfaz líquido-aire como resultado de la presión de la radiación acústica y las gotas comenzaron a girar. Las partículas dentro de la gota siguieron trayectorias helicoidales debido a la influencia de la corriente de vórtice inducida y los movimientos de rotación de las gotas. Los científicos obtuvieron una secuencia de imágenes para mostrar la vista lateral de una gota giratoria de 30 µL. Calcularon la velocidad de rotación de la gota giratoria utilizando una transformada de Fourier de la forma de onda y extrajeron la velocidad de la gota de la forma de onda y compararon la velocidad de giro con la dinámica clásica de oscilación de las gotas.

La cinética de las gotas y nanopartículas dentro del dispositivo.

Luego, el equipo estudió el giro de las gotas y el movimiento de las partículas en el dispositivo de centrífuga acústico-fluídica utilizando una secuencia de imágenes. Las partículas mostraron modos de rotación dual:trazaron una trayectoria helicoidal cuando se acercaron al centro de la gota mientras también giraban alrededor de sus ejes locales. Utilizaron un rango de frecuencias para excitar el giro de las gotas. A medida que aumentaba la potencia aplicada, la gota mantuvo su forma de equilibrio y luego comenzó a experimentar pequeñas oscilaciones hasta que la potencia acústica alcanzó un valor umbral, en cuyo punto la gota entró en un giro estable. Estudios anteriores mostraron cómo las SAW (ondas acústicas de superficie) inducían vórtices de transmisión acústica dentro de una gota, por lo tanto, el equipo analizó el movimiento de las partículas dentro de la gota giratoria. Durante los experimentos, las nanopartículas se movieron a lo largo de trayectorias helicoidales correspondientes a un efecto de deriva de Stokes. Monitorearon el movimiento de partículas de 1 µm con una cámara rápida y analizaron los videos usando velocimetría de seguimiento de partículas para observar las trayectorias en forma de hélice que seguían las partículas. Con cada rotación de la gota, las partículas hicieron una rotación local mientras se acercaban simultáneamente al centro global de la gota a lo largo de su trayectoria helicoidal. De este modo, el proceso empujó las partículas hacia adentro para concentrar las nanopartículas en el centro de las gotas.

Enriquecimiento rápido de nanopartículas

Usando investigaciones numéricas y experimentales, El equipo mostró cómo las nanopartículas se pueden concentrar rápidamente dentro de la gota giratoria con tamaños de partículas tan pequeños como 28 nm de diámetro. La concentración rápida de nanopartículas también podría facilitar la detección de muestras biológicas marcadas con fluorescencia, como moléculas de ADN, que Gu et al. demostrado en este trabajo. El equipo usó un tinte fluorescente para detectar muestras de ADN dentro de la gota, y generó una señal acústica para el giro de las gotas. Lograron la amplificación de la señal y la detección mejorada de la señal en función de la concentración de ADN en la muestra. Aparte del rápido enriquecimiento de nanopartículas, el sistema también concentra nanopartículas de diferentes tamaños de forma diferencial. Por ejemplo, la interacción de los parámetros acústicos, incluida la frecuencia y la amplitud, y las dimensiones de las gotas generaron diferentes trayectorias de partículas dentro de la misma gota. Sin embargo, la escala de tiempo y la velocidad de migración para alcanzar una posición específica variaban para las partículas dentro de la misma gota. Por ejemplo, cuando las nanopartículas de dos tamaños diferentes estaban contenidas dentro de una gota giratoria, las partículas más grandes experimentaron fuerzas de radiación acústica más altas y efectos más pequeños del movimiento browniano.

Un dispositivo de gota única también podría afectar negativamente la pureza de subconjuntos de nanopartículas contenidas en ellos durante los procesos de concentración diferencial y recuperación; por lo tanto, Gu y col. desarrolló una centrífuga acústico-fluídica de doble gota para una práctica separación de nanopartículas. Usando el dispositivo, excitaron dos pares de ondas acústicas de superficie (SAW) para que se propaguen asimétricamente a través de los flancos de las dos gotitas y provoquen giros simultáneos para generar dos haces acústicos a través de un solo transductor interdigital. El equipo utilizó un cambio de frecuencia para cambiar entre dos frecuencias de excitación y ubicaciones de excitación diferentes, con aplicaciones prácticas para la separación de subpoblaciones de exosomas. El método permitió fraccionar rápidamente las muestras de exosomas en diferentes subpoblaciones para realizar mediciones mediante análisis de seguimiento de nanopartículas.

De este modo, Yuyang Gu y sus colegas desarrollaron y demostraron una plataforma de centrífuga acústico-fluídica para enriquecer o separar biopartículas a nanoescala de manera eficiente y rápida. Esta plataforma puede simplificar sustancialmente la velocidad del procesamiento de muestras, detección y reacciones de reactivos en diversas aplicaciones, incluidos diagnósticos en el punto de atención, bioensayos y biomedicina.

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