Le sfide di lunga data della ricerca biomedica, come il monitoraggio della chimica del cervello e il monitoraggio della diffusione dei farmaci attraverso il corpo, richiedono sensori molto più piccoli e precisi. Un nuovo sensore su scala nanometrica in grado di monitorare aree 1.000 volte più piccole rispetto alla tecnologia attuale e di tracciare sottili cambiamenti nel contenuto chimico del tessuto biologico con una risoluzione inferiore al secondo, superando di gran lunga le tecnologie standard.
Il dispositivo, sviluppato dai ricercatori dell'Università Urbana-Champaign dell'Illinois, è a base di silicio e sfrutta tecniche sviluppate per la produzione microelettronica. Le dimensioni ridotte del dispositivo consentono di raccogliere il contenuto chimico con un'efficienza prossima al 100% da regioni di tessuto altamente localizzate in una frazione di secondo. Le capacità di questo nuovo dispositivo per nanodialisi sono riportate nella rivista ACS Nano .
"Con il nostro dispositivo di nanodialisi, prendiamo una tecnica consolidata e la spingiamo a un nuovo estremo, rendendo i problemi della ricerca biomedica che prima erano impossibili, ora del tutto fattibili", ha affermato Yurii Vlasov, professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università di I. e co -responsabile dello studio. "Inoltre, poiché i nostri dispositivi sono realizzati in silicio utilizzando tecniche di fabbricazione microelettronica, possono essere prodotti e distribuiti su larga scala."
La nanodialisi si basa su una tecnica chiamata microdialisi in cui una sonda dotata di una membrana sottile viene inserita nel tessuto biologico. Le sostanze chimiche passano attraverso la membrana in un fluido che viene pompato via per l'analisi. La capacità di prelevare campioni direttamente dai tessuti ha avuto un impatto notevole in campi come le neuroscienze, la farmacologia e la dermatologia.
La microdialisi tradizionale presenta però dei limiti. Le sonde campionano da pochi millimetri quadrati, quindi possono misurare solo la composizione media su regioni relativamente grandi del tessuto. Le grandi dimensioni provocano anche un certo grado di danno ai tessuti quando viene inserita la sonda, distorcendo potenzialmente i risultati dell'analisi. Infine, il fluido pompato attraverso la sonda scorre a una velocità relativamente elevata, incidendo sull'efficienza e sulla precisione con cui è possibile leggere le concentrazioni chimiche.
"Molti problemi con la microdialisi tradizionale possono essere risolti utilizzando un dispositivo molto più piccolo", ha affermato Vlasov. "Diminuire le dimensioni con la nanodialisi significa maggiore precisione, meno danni derivanti dal posizionamento del tessuto, mappatura chimica del tessuto con una risoluzione spaziale più elevata e tempi di lettura molto più rapidi che consentono un quadro più dettagliato dei cambiamenti nella chimica dei tessuti."
La caratteristica più importante della nanodialisi è la portata ultra lenta del fluido pompato attraverso la sonda. Rendendo la portata 1.000 volte più lenta rispetto alla microdialisi tradizionale, il dispositivo cattura la composizione chimica del tessuto raccolto da un'area 1.000 volte più piccola rispetto alle tecniche tradizionali mantenendo un'efficienza del 100%.
"Diminuendo drasticamente la portata, si consente alle sostanze chimiche che si diffondono nella sonda di corrispondere alle concentrazioni esterne nel tessuto", ha spiegato Vlasov. "Immagina di aggiungere colorante a un tubo con acqua corrente. Se il flusso è troppo veloce, il colorante viene diluito a concentrazioni difficili da rilevare. Per evitare la diluizione, è necessario abbassare l'acqua quasi completamente."
I dispositivi di microdialisi standard sono costruiti utilizzando sonde di vetro e membrane polimeriche, il che li rende una sfida da miniaturizzare. Per costruire dispositivi adatti alla nanodialisi, i ricercatori hanno utilizzato tecniche sviluppate per la produzione di chip elettronici per creare un dispositivo basato sul silicio.
"Oltre a consentirci di diventare più piccoli, la tecnologia del silicio rende i dispositivi più economici", ha affermato Vlasov. "Dedicando tempo e impegno allo sviluppo di un processo di fabbricazione per costruire i nostri nanodispositivi su silicio, ora è molto semplice produrli su scala industriale a un costo incredibilmente basso."
Rashid Bashir, professore di bioingegneria all'Università di I. e preside del Grainger College of Engineering, ha co-guidato il progetto.
Ulteriori informazioni: Insu Park et al, Campionamento chimico altamente localizzato con risoluzione temporale inferiore al secondo abilitato con una piattaforma di nanodialisi al silicio con flussi di nanolitri al minuto, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c09776
Fornito dall'Università dell'Illinois Grainger College of Engineering
