I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno scoperto una potenziale fonte di errore quando si utilizzano le onde acustiche per misurare le proprietà di fluidi come il sangue. La loro scoperta solleva la possibilità di test diagnostici più accurati per alcuni tipi di cancro del sangue e uno smistamento più preciso delle cellule del sangue.

Tutte le onde acustiche, inclusi gli ultrasuoni, creano regioni di alta e bassa pressione alternate in un mezzo come aria, acqua e altri fluidi come il sangue. I ricercatori li usano spesso per studiare le proprietà di piccoli volumi di "microfluidi", quelli confinati in vasi non più larghi dello spessore di una carta di credito.

Per misurare le proprietà di un campione di sangue microfluido, i ricercatori utilizzano onde ultrasoniche di una frequenza ed energia note, generate appena sotto la parete inferiore del vaso da un cristallo piezoelettrico, un materiale in grado di convertire il flusso di elettricità in onde acustiche. Le onde che penetrano nel fluido scorrono principalmente lungo la superficie del fondo, tra il liquido e la parete. Dopo che le onde sono uscite dal fluido, gli scienziati rilevano qualsiasi perdita di energia o variazione della frequenza delle onde. Queste misurazioni possono rivelare proprietà che sono cruciali per misurare il flusso sanguigno, che può essere pericolosamente lento in alcuni malati di cancro del sangue. Le onde acustiche possono anche ordinare le cellule del sangue intero.

Ricercatori biomedici e oncologi hanno un interesse particolare nella misurazione della viscosità di un microfluido. A volte indicata come lo spessore di un fluido, la viscosità è definita più precisamente come una misura della resistenza di un fluido al taglio. Ad esempio, la melassa resiste al taglio molto più dell'acqua ed è circa 5.000 volte più viscosa, il che spiega il suo comportamento a versamento lento.

Le persone con alcuni tipi di tumori del sangue, tra cui il mieloma multiplo, la leucemia e la macroglobulinemia di Waldenström, possono avere plasma sanguigno così viscoso da poter interferire con la circolazione del sangue in tutto il corpo. Per valutare questa condizione, nota come sindrome da iperviscosità, i medici si affidano a una varietà di misurazioni come la viscosità del sangue intero e del siero del sangue.

Per le misurazioni acustiche di queste proprietà, il team di ricerca del NIST ha scoperto che una proprietà spesso ignorata nota come slip dovrebbe essere presa in considerazione per garantirne l'accuratezza. Lo scorrimento si riferisce al movimento del microfluido mentre scivola contro le solide pareti del suo contenitore. La scivolata in un microfluido, hanno scoperto i ricercatori, è simile a quella osservata in un noto trucco da festa, quando qualcuno tira una tovaglia, lasciandosi dietro i piatti e le posate. (Senza scivolare, le stoviglie andrebbero a sbattere contro la tovaglia.)

Un microfluido sperimenta lo scivolamento semplicemente a causa del flusso del fluido contro la parete del suo contenitore. Ma quando le onde acustiche entrano nel microfluido, introducono un secondo tipo di slittamento. Il movimento periodico delle onde acustiche, il suo ciclo di creste e depressioni, fa sì che la superficie del microfluido più vicino alla sorgente dell'onda si muova leggermente avanti e indietro contro la parete del contenitore. Questo movimento laterale è davvero minuscolo:il movimento ammonta a non più di circa 15 molecole di lunghezza.

In una serie di esperimenti, Aurore Quelennec (ora alla Teledyne Technologies in Canada), insieme agli scienziati del NIST Jason Gorman e Darwin Reyes, hanno scoperto che la presenza di questo slittamento acustico impedisce ai microfluidi di assorbire dalle onde acustiche quanta più energia farebbero altrimenti. Lo studio del team ha escluso diversi altri fattori, come la tensione superficiale e la rugosità delle pareti del contenitore, che potrebbero anche aver ridotto la quantità di energia acustica assorbita dal microfluido, ha osservato Reyes.

"Lo slittamento dovuto solo al flusso del fluido è ben compreso", ha affermato Gorman. "Tuttavia, poiché molte nuove classi di dispositivi acusto-fluidici emergono nelle applicazioni delle bioscienze, come lo smistamento cellulare, la lisi (rompendo la membrana cellulare) e la misurazione delle proprietà dei fluidi, lo scorrimento acustico sta diventando sempre più importante da caratterizzare", ha affermato Gorman. detto.

I ricercatori sono rimasti sorpresi di scoprire che lo scorrimento acustico tra il fluido e la parete del contenitore assomiglia a quello di un solido sfregamento contro un altro, che è regolato dalle leggi di attrito di Amontons-Coulomb. La somiglianza è importante perché consentirà ai ricercatori di modellare lo slittamento acustico sulla base di un fenomeno più familiare e meglio studiato.

Se si ignora lo scorrimento acustico all'interfaccia liquido-solido, il cambiamento nell'assorbimento delle onde acustiche sarebbe interamente attribuito alle proprietà fisiche del microfluido attraverso il quale hanno viaggiato. Sebbene i ricercatori non abbiano esaminato il modo in cui la loro scoperta potrebbe svolgersi negli studi acustici sul sangue o altro materiale biologico, lo slittamento acustico potrebbe portare a una misura della viscosità meno accurata.

Lo slittamento dei fluidi può anche influenzare la capacità delle onde acustiche di ordinare le cellule all'interno di un piccolo campione di sangue intero. In questa tecnica, le onde vengono utilizzate per spingere le cellule all'interno del sangue. Per una data energia e intensità delle onde acustiche, diversi tipi di cellule del sangue saranno spinti da quantità diverse in base alle loro dimensioni e ad altre proprietà fisiche e meccaniche, determinando una separazione. Ma poiché lo slittamento riduce il trasferimento di energia e pressione, la qualità del processo di cernita sarà ridotta.

"Se il vero ruolo dello slip è riconosciuto e tenuto in considerazione, consentirà alle misurazioni acustiche nei microfluidi di ottenere la massima precisione possibile e di avanzare misurazioni future in biologia e medicina", ha affermato Reyes.

I ricercatori hanno riportato le loro scoperte online nel numero del 22 marzo di Nature Communications . + Esplora ulteriormente

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Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.