Un piccolo rettangolo di vetro rosa, delle dimensioni di un francobollo, siede sulla scrivania della professoressa Amy Shen. Nonostante il suo aspetto esteriore modesto, questo piccolo vetrino ha il potenziale per rivoluzionare un'ampia gamma di processi, dal monitoraggio della qualità degli alimenti alla diagnosi delle malattie.

Il vetrino è costituito da un materiale nanoplasmonico:la sua superficie è rivestita da milioni di nanostrutture d'oro, ciascuna di appena pochi miliardesimi di metro quadrato. I materiali plasmonici assorbono e diffondono la luce in modi interessanti, conferendo loro proprietà di rilevamento uniche. I materiali nanoplasmonici hanno attirato l'attenzione dei biologi, chimici, fisici e scienziati dei materiali, con possibili utilizzi in una vasta gamma di campi, come il biorilevamento, archivio dati, generazione di luce e celle solari.

In diversi articoli recenti, Il prof. Shen e i colleghi della Micro/Bio/Nanofluidics Unit dell'Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hanno descritto la creazione di un nuovo materiale di biorilevamento che può essere utilizzato per monitorare i processi nelle cellule viventi.

"Uno dei principali obiettivi della nanoplasmonica è cercare modi migliori per monitorare i processi nelle cellule viventi in tempo reale, " dice il Prof. Shen. L'acquisizione di tali informazioni può rivelare indizi sul comportamento delle cellule, ma creare nanomateriali su cui le cellule possano sopravvivere per lunghi periodi di tempo senza interferire con i processi cellulari misurati è una sfida, lei spiega.

Conteggio delle cellule in divisione

Uno dei nuovi biosensori del team è realizzato con un materiale nanoplasmonico in grado di ospitare un gran numero di cellule su un singolo substrato e di monitorare la proliferazione cellulare, un processo fondamentale che coinvolge la crescita e la divisione cellulare, in tempo reale. Vedere questo processo in azione può rivelare importanti intuizioni sulla salute e sulle funzioni di cellule e tessuti.

I ricercatori dell'unità Micro/Bio/Nanofluidics dell'OIST hanno descritto il sensore in uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Biosistemi avanzati .

La caratteristica più interessante del materiale è che consente alle cellule di sopravvivere per lunghi periodi di tempo. "Generalmente, quando metti cellule vive su un nanomateriale, quel materiale è tossico e uccide le cellule, "dice il dottor Nikhil Bhalla, un ricercatore post-dottorato presso l'OIST e primo autore del documento. "Però, utilizzando il nostro materiale, le cellule sono sopravvissute per oltre sette giorni." Il materiale nanoplasmonico è anche altamente sensibile:può rilevare un aumento di cellule fino a 16 su 1000 cellule.

Il materiale sembra proprio come un normale pezzo di vetro. Però, la superficie è rivestita da minuscole strutture nanoplasmoniche simili a funghi, conosciuti come nanofunghi, con steli di biossido di silicio e cappucci d'oro. Insieme, questi formano un biosensore in grado di rilevare interazioni a livello molecolare.

Il biosensore funziona utilizzando i cappucci dei nanofunghi come antenne ottiche. Quando la luce bianca passa attraverso il vetrino nanoplasmonico, i nanofunghi assorbono e diffondono parte della luce, modificandone le proprietà. L'assorbanza e la diffusione della luce sono determinate dalle dimensioni, forma e materiale del nanomateriale e, ma ancora più importante, è anche influenzato da qualsiasi mezzo in prossimità del nanofungo, come le celle che sono state posizionate sul vetrino. Misurando come la luce è cambiata una volta che è uscita dall'altro lato della diapositiva, i ricercatori possono rilevare e monitorare i processi che si verificano sulla superficie del sensore, come la divisione cellulare.

"Normalmente, devi aggiungere etichette, come coloranti o molecole, alle cellule, essere in grado di contare le cellule in divisione, " dice il dottor Bhalla. "Tuttavia, con il nostro metodo, i nanofunghi possono percepirli direttamente."

Ingrandimento

Questo lavoro si basa su un nuovo metodo, sviluppato da scienziati dell'Unità Micro/Bio/Nanofluidica dell'OIST, per la fabbricazione di biosensori a nanofunghi. La tecnica è stata pubblicata sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS nel dicembre 2017.

La produzione di materiali nanoplasmonici su larga scala è impegnativa perché è difficile garantire l'uniformità su tutta la superficie del materiale. Per questa ragione, biosensori per esami clinici di routine, come i test sulle malattie, mancano ancora.

In risposta a questo problema, i ricercatori dell'OIST hanno sviluppato una nuova tecnica di stampa per creare biosensori nanofunghi su larga scala. Con il loro metodo, sono stati in grado di sviluppare un materiale costituito da circa un milione di strutture a forma di fungo su un substrato di biossido di silicio di 2,5 cm per 7,5 cm.

"La nostra tecnica è come prendere un timbro, ricoprendolo di inchiostro composto da molecole biologiche, e stampa su vetrino nanoplasmonico, "dice Shivani Sathish, un dottorato di ricerca studente all'OIST e coautore del paper. Le molecole biologiche aumentano la sensibilità del materiale, il che significa che può rilevare concentrazioni estremamente basse di sostanze, come anticorpi, e quindi potenzialmente rilevare le malattie nelle loro prime fasi.

"Utilizzando il nostro metodo, è possibile realizzare un biosensore altamente sensibile in grado di rilevare anche singole molecole, "dice il dottor Bhalla, primo autore del saggio.

I sensori plasmonici e nanoplasmonici offrono strumenti importanti per molti campi, dall'elettronica alla produzione alimentare alla medicina. Per esempio, a dicembre 2017, La dottoranda del secondo anno Ainash Garifullina dell'Unità ha sviluppato un nuovo materiale plasmonico per il monitoraggio della qualità dei prodotti alimentari durante il processo di produzione. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Metodi analitici .

Il prof. Shen e la sua unità affermano che, nel futuro, i materiali nanoplasmonici possono anche essere integrati con tecnologie emergenti, come i sistemi wireless nei dispositivi microfluidici, consentendo agli utenti di effettuare letture a distanza e riducendo così al minimo il rischio di contaminazione.