Le sonde magnetiche microscopiche che cambiano forma in risposta al loro ambiente possono migliorare notevolmente la risonanza magnetica (MRI). Tuttavia, la produzione delle sonde, che sono ancora sperimentali e non sono state ancora utilizzate sugli esseri umani, ha richiesto l'accesso a una camera bianca e competenze nella nanofabbricazione, limitandone l'uso diffuso.
Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno portato queste sonde mutaforma, note come sensori magnetici codificati geometricamente, o GEMS, un ulteriore passo avanti svelando un nuovo metodo di fabbricazione che non solo è più veloce ed economico ma elimina la necessità di strumenti specializzati.
Gli scienziati hanno riportato il loro lavoro online il 19 dicembre in ACS Sensors .
Invece di costruire le minuscole sonde strato dopo strato in un impianto di nanofabbricazione, il team le ha costruite utilizzando uno stampo principale di precisione. Questa tecnica consente ai ricercatori di realizzare GEMS nei propri laboratori utilizzando materiali poco costosi e attrezzature facilmente disponibili.
Gli scienziati del NIST Gary Zabow e Samuel Oberdick e i loro colleghi hanno concentrato i loro sforzi sulla costruzione di GEMME a forma di minuscoli cilindri cavi perché quella forma può essere facilmente fabbricata con uno stampo. Per il loro stampo principale, gli scienziati hanno costruito una serie di cilindri cavi di silicio duro, ciascuno di soli 100 micrometri di diametro, circa dieci volte più grandi di un globulo rosso.
Il team ha poi dimostrato come i ricercatori con uno stampo principale di questo tipo potrebbero completare il processo di fabbricazione in più fasi. Innanzitutto, gli scienziati hanno realizzato un "negativo" a stampo morbido del master versando un polimero liquido sopra lo stampo in silicone duro, lasciandolo solidificare e quindi staccandolo. Ciò ha creato uno stampo flessibile con una serie di cavità cave cilindriche.
Nella fase successiva, gli scienziati hanno riempito ciascuna cavità con un precursore liquido di un idrogel, una rete di polimeri reticolati in grado di assorbire grandi quantità di acqua. L'idrogel, che è stato progettato per restringersi o gonfiarsi in risposta ai cambiamenti di acidità o di altre proprietà nel suo microambiente, è un componente chiave del GEMS. Gli idrogel ingegnerizzati sono economici e facili da realizzare.
Dopo aver indurito gli idrogel esponendoli alla luce ultravioletta, il team del NIST li ha tolti dal loro stampo morbido, in modo simile a quando si tirano fuori i cubetti di ghiaccio da un vassoio di silicio. Gli idrogel cilindrici sono stati poi immersi in un bagno di sali di ferro e trasferiti in una soluzione basica, che ha convertito i sali di ferro assorbiti dagli idrogel in particelle di ossido magnetico.
La forza del campo magnetico di ciascun idrogel ha un impatto diretto sulla risonanza magnetica, che manipola i minuscoli campi magnetici dei protoni per visualizzare le strutture interne del corpo umano. I protoni si comportano come trottole magnetizzate che ruotano, ciascuna puntando inizialmente in una direzione casuale.
Una macchina per la risonanza magnetica allinea il campo magnetico dei protoni con il proprio forte campo magnetico e quindi interrompe tale allineamento solleticando i protoni con un impulso di onde radio a una frequenza di risonanza che fa sì che i protoni si "rilassino" alternativamente nei loro stati originali e poi allinearsi di nuovo. Mentre i protoni vanno avanti e indietro tra i due stati, emettono onde radio, che vengono tradotte in immagini MRI.
Nel frattempo, gli idrogel cambiano forma in risposta ai cambiamenti delle condizioni locali e, di conseguenza, il loro campo magnetico si rafforza o si indebolisce.
Il campo magnetico variabile dei GEMS sposta la frequenza di risonanza dei protoni che si trovano dentro o vicino alle sonde. Misurando lo spostamento, la risonanza magnetica può rilevare come i GEM hanno alterato la loro forma in risposta a una proprietà specifica nel loro ambiente locale.
I GEM costruiti con il processo soft-mold possono essere personalizzati per cambiare la loro forma in base a una serie di proprietà ambientali, consentendo ai ricercatori di utilizzare le sonde per esplorare una serie di condizioni biomediche, ha affermato Oberdick.
Ulteriori informazioni: Samuel D. Oberdick et al, Microparticelle magnetogel sagomate per il contrasto e il rilevamento della risonanza magnetica multispettrale, Sensori ACS (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01373
Informazioni sul giornale: Sensori ACS
Fornito dal National Institute of Standards and Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.
