Gli ingegneri meccanici della Duke University hanno ideato un metodo per far girare singole goccioline di liquido per concentrare e separare le nanoparticelle per scopi biomedici. La tecnica è molto più efficiente rispetto ai tradizionali approcci a centrifuga, facendo funzionare la sua magia in meno di un minuto invece di impiegare ore o giorni, e richiede solo una piccola frazione della dimensione tipica del campione. L'invenzione potrebbe evidenziare nuovi approcci alle applicazioni che vanno dai biotest di precisione alla diagnosi del cancro.

I risultati appaiono online il 18 dicembre sulla rivista Progressi scientifici .

"Questa idea è nata da una recente scoperta molto eccitante secondo cui è possibile utilizzare le onde acustiche di superficie per far girare una goccia di liquido, " ha detto Tony Jun Huang, il William Bevan Distinguished Professor di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Duke. "Abbiamo deciso di indagare sulla possibilità di utilizzare questo metodo per creare un sistema point-of-care in grado di separare e arricchire le nanoparticelle in modo rapido ed efficiente".

Huang e il suo studente di dottorato Yuyang Gu hanno iniziato la loro indagine costruendo un dispositivo in grado di far girare singole goccioline di liquido. Al centro di una superficie piezoelettrica si trova un anello di polidimetilsilossano, un tipo di silicio comunemente usato nelle tecnologie microfluidica, che delimita i confini della goccia e la mantiene in posizione. I ricercatori hanno quindi posizionato un generatore di onde sonore chiamato trasduttore interdigitato (IDT) su ciascun lato e li hanno inclinati in modo che le onde sonore con frequenze diverse viaggino attraverso la superficie piezoelettrica per entrare nella gocciolina.

Quando acceso, gli IDT creano onde acustiche di superficie che spingono sui lati delle goccioline come Donald Duck che viene travolto da una gigantesca coppia di altoparlanti. Con impostazioni di bassa potenza, la parte superiore della goccia inizia a oscillare attorno all'anello come un muffin fatto di Jell-O. Ma quando la potenza viene alzata a 11, l'equilibrio tra la tensione superficiale della gocciolina e la sua forza centrifuga fa sì che assuma la forma di una pillola e inizi a ruotare sul posto.

I ricercatori hanno quindi studiato il comportamento delle nanoparticelle fluorescenti di diverse dimensioni all'interno delle goccioline rotanti. Perché la goccia sta girando, anche le nanoparticelle stesse sono state trascinate in uno schema elicoidale. A seconda delle loro dimensioni e della frequenza del suono, sono stati anche spinti verso il centro della goccia a causa della forza in arrivo delle onde sonore e dell'idrodinamica.

I ricercatori hanno scoperto che utilizzando frequenze diverse, potrebbero concentrare specificamente particelle piccole come decine di nanometri. Queste dimensioni sono correlate a molecole biologicamente importanti come il DNA e gli esosomi, nanoparticelle biologiche rilasciate da ogni tipo di cellula del corpo che si ritiene svolgano un ruolo importante nella comunicazione da cellula a cellula e nella trasmissione delle malattie.

Ma dovevano ancora affrontare un altro problema. Mentre le nanoparticelle di una dimensione si affollavano al centro della gocciolina, nanoparticelle di altre dimensioni stavano ancora volando a caso, rendendo difficile l'accesso alla taglia concentrata.

La loro soluzione? Una seconda goccia rotante.

"Abbiamo posizionato due goccioline di dimensioni diverse l'una accanto all'altra in modo che ruotino a velocità diverse, " ha detto Gu. "Collegandoli con un piccolo canale, tutte le nanoparticelle che non si concentrano nel primo finiscono per ruotare e rimanere intrappolate nel secondo."

Per mostrare ulteriormente quanto possa essere utile il loro sistema centrifugo a doppia goccia, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbe separare con successo sottopopolazioni di esosomi da un campione. E a differenza dei comuni metodi di centrifugazione che richiedono grandi quantità di campioni e possono impiegare una notte per funzionare, la loro soluzione richiedeva solo un volume di campione molto più piccolo, ad esempio cinque microlitri, e meno di un minuto.

"Prevediamo che questo lavoro semplifichi e acceleri l'elaborazione dei campioni, rilevamento e reazioni dei reagenti in varie applicazioni come la diagnostica point-of-care, saggi biologici e biopsie liquide, " disse Gu.

"La capacità di separare e arricchire le sottopopolazioni di esosomi e altre nanoparticelle biologiche è estremamente importante". ha aggiunto Huang. "Per esempio, mentre la recente scoperta di sottopopolazioni di esosomi ha entusiasmato biologi e ricercatori per il loro potenziale di rivoluzionare il campo della diagnostica non invasiva, le sottopopolazioni di esosomi devono ancora essere utilizzate in contesti clinici. Ciò è in gran parte dovuto alle difficoltà associate alla separazione delle sottopopolazioni di esosomi a causa delle loro piccole dimensioni. Il nostro approccio offre un semplice, approccio automatizzato per separare le sottopopolazioni di esosomi in modo rapido e biocompatibile. Di conseguenza, riteniamo che sia fondamentale per sbloccare l'utilità clinica delle sottopopolazioni di esosomi".