Una struttura modellata e cilindrica composta da nanotubi di carbonio.
Gli ingegneri del MIT hanno ideato una nuova tecnica per intrappolare molecole difficili da rilevare, utilizzando foreste di nanotubi di carbonio.
Il team ha modificato un semplice canale microfluidico con una serie di nanotubi di carbonio allineati verticalmente, reticoli arrotolati di atomi di carbonio che assomigliano a minuscoli tubi di rete metallica. I ricercatori avevano precedentemente ideato un metodo per posizionare i nanotubi di carbonio alle loro estremità, come alberi in una foresta. Con questo metodo, hanno creato una matrice tridimensionale di nanotubi di carbonio permeabili all'interno di un dispositivo microfluidico, attraverso il quale può fluire il fluido.
Ora, in uno studio pubblicato questa settimana su Journal of Microengineering and Nanotechnology , i ricercatori hanno dato alla matrice di nanotubi la capacità di intrappolare determinate particelle. Per fare questo, la squadra ha rivestito l'array, strato per strato, con polimeri di carica elettrica alternata.
"Puoi pensare a ogni nanotubo nella foresta come rivestito concentricamente da diversi strati di polimero, "dice Brian Wardle, professore di aeronautica e astronautica al MIT. "Se l'hai disegnato in sezione trasversale, sarebbe come anelli su un albero."
A seconda del numero di strati depositati, i ricercatori possono creare nanotubi più spessi o più sottili e quindi adattare la porosità della foresta per catturare particelle di interesse più grandi o più piccole.
Il rivestimento polimerico dei nanotubi può anche essere manipolato chimicamente per legare bioparticelle specifiche che fluiscono attraverso la foresta. Per testare questa idea, i ricercatori hanno applicato una tecnica consolidata per trattare la superficie dei nanotubi con anticorpi che si legano all'antigene prostatico specifico (PSA), un obiettivo sperimentale comune. Gli array rivestiti di polimero hanno catturato il 40% in più di antigeni, rispetto agli array privi del rivestimento polimerico.
Wardle afferma che la combinazione di nanotubi di carbonio e rivestimenti multistrato può aiutare a mettere a punto i dispositivi microfluidici per catturare particelle estremamente piccole e rare, come alcuni virus e proteine.
"Ci sono bioparticelle più piccole che contengono quantità molto ricche di informazioni a cui attualmente non abbiamo la possibilità di accedere in dispositivi point-of-care [test medici] come chip microfluidici, "dice Wardle, che è coautore del documento. "Gli array di nanotubi di carbonio potrebbero effettivamente essere una piattaforma che potrebbe mirare a quella dimensione di bioparticelle".
Una vista ingrandita di nanotubi di carbonio, mostrando i singoli tubi.
L'autore principale del documento è Allison Yost, un ex studente laureato che attualmente è ingegnere presso Accion Systems. Altri sulla carta includono lo studente laureato Setareh Shahsavari; postdoc Roberta Polak; School of Engineering Professore di Insegnamento dell'Innovazione Gareth McKinley; professore di scienza e ingegneria dei materiali Michael Rubner, e Raymond A. e Helen E. St. Laurent Professore di ingegneria chimica Robert Cohen.
Una foresta porosa
I nanotubi di carbonio sono stati oggetto di intensi studi scientifici, in quanto possiedono eccezionali prestazioni elettriche, meccanico, e proprietà ottiche. Sebbene il loro uso in microfluidica non sia stato ben esplorato, Wardle afferma che i nanotubi di carbonio sono una piattaforma ideale perché le loro proprietà possono essere manipolate per attirare determinate molecole di dimensioni nanometriche. Inoltre, i nanotubi di carbonio sono porosi al 99%, il che significa che un nanotubo è composto per circa l'1 percento di carbonio e per il 99 percento di aria.
"Qual è ciò di cui hai bisogno, "Dice Wardle. "Devi far fluire quantità di fluido attraverso questo materiale per eliminare tutti i milioni di particelle che non vuoi trovare e afferrare quella che vuoi trovare".
Cosa c'è di più, Wardle dice, una foresta tridimensionale di nanotubi di carbonio fornirebbe molta più superficie su cui le molecole bersaglio possono interagire, rispetto alle superfici bidimensionali della microfluidica convenzionale.
"L'efficienza di cattura scalerebbe con la superficie, "Note di Ward.
Una gamma versatile
Il team ha integrato una matrice tridimensionale di nanotubi di carbonio in un dispositivo microfluidico utilizzando la deposizione chimica da vapore e la fotolitografia per far crescere e modellare i nanotubi di carbonio su wafer di silicio. Hanno quindi raggruppato i nanotubi in una foresta a forma di cilindro, misura circa 50 micrometri di altezza e 1 millimetro di larghezza, e centrato l'array entro 3 millimetri di larghezza, Canale microfluidico lungo 7 millimetri.
I ricercatori hanno rivestito i nanotubi in strati successivi di soluzioni polimeriche caricate alternativamente per creare distinti, strati di legame attorno a ciascun nanotubo. Fare così, hanno fatto fluire ogni soluzione attraverso il canale e hanno scoperto di essere in grado di creare un rivestimento più uniforme con uno spazio tra la parte superiore della foresta di nanotubi e il tetto del canale. Un tale divario ha permesso alle soluzioni di fluire, poi giù nella foresta, rivestimento di ogni singolo nanotubo. In assenza di gap, solutions simply flowed around the forest, coating only the outer nanotubes.
After coating the nanotube array in layers of polymer solution, the researchers demonstrated that the array could be primed to detect a given molecule, by treating it with antibodies that typically bind to prostate specific antigen (PSA). They pumped in a solution containing small amounts of PSA and found that the array captured the antigen effectively, throughout the forest, rather than just on the outer surface of a typical microfluidic element.
Wardle says that the nanotube array is extremely versatile, as the carbon nanotubes may be manipulated mechanically, electrically, and optically, while the polymer coatings may be chemically altered to capture a wide range of particles. He says an immediate target may be biomarkers called exosomes, which are less than 100 nanometers wide and can be important signals of a disease's progression.
"Science is really picking up on how much information these particles contain, and they're sort of everywhere, but really hard to find, even with large-scale equipment, " Wardle says. "This type of device actually has all the characteristics and functionality that would allow you to go after bioparticles like exosomes and things that really truly are nanometer scale."
This story is republished courtesy of MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), a popular site that covers news about MIT research, innovazione e didattica.
