Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno sviluppato un dispositivo in miniatura abbastanza sensibile da sentire le forze generate dai batteri che nuotano e sentire il battito delle cellule del muscolo cardiaco.

Il dispositivo è una fibra ottica di dimensioni nanometriche che è circa 100 volte più sottile di un capello umano. Può rilevare forze fino a 160 femtonewton, circa dieci trilioni di volte più piccole di un newton, se posto in una soluzione contenente batteri vivi di Helicobacter pylori, che sono i batteri che nuotano nell'intestino. In colture di cellule del muscolo cardiaco pulsante di topi, la nanofibra è in grado di rilevare suoni fino a -30 decibel, un livello mille volte inferiore al limite dell'orecchio umano.

"Questo lavoro potrebbe aprire nuove porte per tenere traccia di piccole interazioni e cambiamenti che non potevano essere monitorati prima, ", ha affermato il professore di nanoingegneria Donald Sirbuly presso la Jacobs School of Engineering della UC San Diego, che ha condotto lo studio.

Alcune applicazioni, lui immagina, includere il rilevamento della presenza e dell'attività di un singolo batterio; monitorare la formazione e la rottura dei legami; percepire i cambiamenti nel comportamento meccanico di una cellula che potrebbero segnalare che sta diventando cancerosa o viene attaccata da un virus; o un mini stetoscopio per monitorare l'acustica cellulare in vivo.

L'opera è pubblicata in Fotonica della natura il 15 maggio.

La fibra ottica sviluppata da Sirbuly e colleghi è almeno 10 volte più sensibile del microscopio a forza atomica (AFM), uno strumento in grado di misurare forze infinitamente piccole generate da molecole interagenti. E mentre gli AFM sono dispositivi ingombranti, questa fibra ottica ha un diametro di poche centinaia di nanometri. "È un mini AFM con la sensibilità di una pinzetta ottica, "disse Sirbuly.

Il dispositivo è costituito da una fibra estremamente sottile di biossido di stagno, rivestito con un sottile strato di un polimero, chiamato glicole polietilenico, e tempestato di nanoparticelle d'oro. Per utilizzare il dispositivo, i ricercatori immergono la nano fibra ottica in una soluzione di cellule, inviare un raggio di luce lungo la fibra e analizzare i segnali luminosi che invia. Questi segnali, in base alla loro intensità, indicare quanta forza o suono la fibra sta raccogliendo dalle cellule circostanti.

"Non siamo solo in grado di captare queste piccole forze e suoni, possiamo quantificarli utilizzando questo dispositivo. Questo è un nuovo strumento per il sondaggio nanomeccanico ad alta risoluzione, "disse Sirbuly.

Ecco come funziona il dispositivo:mentre la luce viaggia lungo la fibra ottica, interagisce fortemente con le nanoparticelle d'oro, che poi diffondono la luce come segnali che possono essere visti con un microscopio convenzionale. Questi segnali luminosi si manifestano con una particolare intensità. Ma quell'intensità cambia quando la fibra viene posta in una soluzione contenente cellule vive. Le forze e le onde sonore delle cellule colpiscono le nanoparticelle d'oro, spingendoli nello strato polimerico che li separa dalla superficie della fibra. Spingere le nanoparticelle più vicino alla fibra consente loro di interagire più fortemente con la luce che scende lungo la fibra, aumentando così l'intensità dei segnali luminosi. I ricercatori hanno calibrato il dispositivo in modo da poter abbinare le intensità del segnale a diversi livelli di forza o suono.

La chiave per far funzionare questo lavoro è lo strato polimerico della fibra. Si comporta come un materasso a molle abbastanza sensibile da essere compresso a diversi spessori dalle forze deboli e dalle onde sonore prodotte dalle cellule. E Sirbuly afferma che lo strato polimerico può essere sintonizzato:se i ricercatori vogliono misurare forze maggiori, possono utilizzare un rivestimento polimerico più rigido; per una maggiore sensibilità, possono usare un polimero più morbido come un idrogel.

Andando avanti, i ricercatori intendono utilizzare le nano fibre per misurare la bioattività e il comportamento meccanico delle singole cellule. I lavori futuri includono anche il miglioramento delle capacità di "ascolto" delle fibre per creare stetoscopi biologici ultrasensibili, e sintonizzare la loro risposta acustica per sviluppare nuove tecniche di imaging.