Los desafíos de larga data en la investigación biomédica, como monitorear la química cerebral y rastrear la propagación de drogas a través del cuerpo, requieren sensores mucho más pequeños y precisos. Un nuevo sensor a nanoescala que puede monitorear áreas 1000 veces más pequeñas que la tecnología actual y puede rastrear cambios sutiles en el contenido químico del tejido biológico con una resolución inferior a un segundo, superando ampliamente a las tecnologías estándar.
El dispositivo, desarrollado por investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, está basado en silicio y aprovecha técnicas desarrolladas para la fabricación de microelectrónica. El pequeño tamaño del dispositivo le permite recolectar contenido químico con cerca del 100% de eficiencia de regiones de tejido altamente localizadas en una fracción de segundo. Las capacidades de este nuevo dispositivo de nanodiálisis se recogen en la revista ACS Nano .
"Con nuestro dispositivo de nanodiálisis, tomamos una técnica establecida y la llevamos a un nuevo extremo, haciendo ahora factibles problemas de investigación biomédica que antes eran imposibles", dijo Yurii Vlasov, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la U. de I. y co -líder del estudio. "Además, dado que nuestros dispositivos están fabricados en silicio mediante técnicas de fabricación microelectrónica, pueden fabricarse e implementarse a gran escala".
La nanodiálisis se basa en una técnica llamada microdiálisis en la que se inserta una sonda con una fina membrana en el tejido biológico. Los productos químicos pasan a través de la membrana hacia un fluido que se bombea para su análisis. La capacidad de tomar muestras directamente del tejido ha tenido un gran impacto en campos como la neurociencia, la farmacología y la dermatología.
Sin embargo, la microdiálisis tradicional tiene limitaciones. Las sondas toman muestras de unos pocos milímetros cuadrados, por lo que sólo pueden medir la composición promedio en regiones relativamente grandes del tejido. El gran tamaño también provoca cierto grado de daño tisular cuando se inserta la sonda, lo que podría distorsionar los resultados del análisis. Finalmente, el fluido bombeado a través de la sonda fluye a una velocidad comparativamente alta, lo que afecta la eficiencia y precisión con la que se pueden leer las concentraciones químicas.
"Muchos problemas de la microdiálisis tradicional pueden resolverse utilizando un dispositivo mucho más pequeño", afirmó Vlasov. "Hacerse más pequeño con la nanodiálisis significa más precisión, menos daño por la colocación del tejido, mapeo químico del tejido con mayor resolución espacial y un tiempo de lectura mucho más rápido, lo que permite una imagen más detallada de los cambios en la química del tejido".
La característica más importante de la nanodiálisis es el flujo ultra lento del fluido bombeado a través de la sonda. Al hacer que el flujo sea 1000 veces más lento que la microdiálisis tradicional, el dispositivo captura la composición química del tejido recolectado de un área 1000 veces más pequeña que las técnicas tradicionales y al mismo tiempo mantiene una eficiencia del 100 %.
"Al disminuir drásticamente el caudal, se permite que las sustancias químicas que se difunden en la sonda coincidan con las concentraciones exteriores en el tejido", explicó Vlasov. "Imagínese que está agregando tinte a una tubería por la que fluye agua. Si el flujo es demasiado rápido, el tinte se diluye a concentraciones que son difíciles de detectar. Para evitar la dilución, es necesario bajar el nivel del agua casi por completo".
Los dispositivos de microdiálisis estándar se construyen utilizando sondas de vidrio y membranas de polímero, lo que hace que su miniaturización sea un desafío. Para construir dispositivos adecuados para la nanodiálisis, los investigadores utilizaron técnicas desarrolladas para la fabricación de chips electrónicos para crear un dispositivo basado en silicio.
"Además de permitirnos ser más pequeños, la tecnología del silicio abarata los dispositivos", afirmó Vlasov. "Al dedicar tiempo y esfuerzo a desarrollar un proceso de fabricación para construir nuestros nanodispositivos en silicio, ahora es muy sencillo fabricarlos a escala industrial a un costo increíblemente bajo".
Rashid Bashir, profesor de bioingeniería de la U. of I. y decano de la Facultad de Ingeniería de Grainger, codirigió el proyecto.
Más información: Insu Park et al, muestreo químico altamente localizado con una resolución temporal de subsegundos habilitado con una plataforma de nanodiálisis de silicio con flujos de nanolitros por minuto, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09776
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
