Notícia

Nanobolhas ajudam a melhorar o desempenho de dispositivos microfluídicos para diagnóstico

Fonte

Universidade de Sydney

Data

sábado, 22 janeiro 2022 17:00

Áreas

Biomedicina. Diagnóstico. Nanotecnologia.

Pesquisadores da Escola de Química e do Instituto Nano da Universidade de Sydney, na Austrália, revelaram que pequenas bolhas de gás – nanobolhas com apenas 100 milionésimos de milímetro de diâmetro – se formam em superfícies em situações inesperadas, fornecendo uma nova maneira de reduzir o arrasto em microdispositivos.

O arrasto de líquidos no interior de microdispositivos pode levar à bioincrustação interna (acúmulo de materiais biológicos indesejados) ou danificar amostras biológicas, como células, devido à alta pressão. Assim, a descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de melhores ferramentas de diagnóstico médico, como dispositivos lab-on-a-chip que realizam análises de DNA ou que sejam usados para detecção biomédica de patógenos de doenças – incluindo testes de PCR.

A equipe, liderada pela professora Dra. Chiara Neto, desenvolveu revestimentos de nanoengenharia que reduzem o arrasto em até 38% em comparação com superfícies sólidas nominalmente ‘lisas’. Esses revestimentos escorregadios, uma vez infundidos com um lubrificante, também são altamente resistentes à bioincrustação.

Usando microscopia de força atômica – um microscópio de varredura de altíssima resolução – a equipe descobriu que os fluidos que passam por canais microestruturados com essas superfícies são capazes de deslizar com menor atrito devido à formação espontânea de nanobolhas, um fenômeno nunca antes descrito.

Os resultados foram publicados na revista científica Nature Communications.

Potencial aplicação médica

Muitas ferramentas de diagnóstico médico dependem da análise em pequena escala de pequenas quantidades de materiais biológicos em forma líquida. Esses ‘dispositivos microfluídicos’ usam microcanais e microrreatores nos quais as reações geralmente feitas em larga escala em um laboratório de química ou patologia são conduzidas em escala reduzidíssima.

A análise de volumes muito menores de material permite diagnósticos mais rápidos e eficientes. No entanto, o problema com dispositivos microfluídicos é que o fluxo de fluido é drasticamente desacelerado pelo atrito do líquido com as paredes sólidas dos canais, criando um grande arrasto hidrodinâmico. Para superar isso, os dispositivos aplicam altas pressões para impulsionar o fluxo.

Por sua vez, a alta pressão dentro desses dispositivos não é apenas ineficiente, mas também pode danificar amostras delicadas no dispositivo, como células e outros materiais macios. Além disso, as paredes sólidas são facilmente contaminadas por moléculas biológicas ou bactérias, levando à rápida degradação por meio de bioincrustação.

Uma solução para ambos os problemas é usar superfícies nas quais os poros em nanoescala retêm pequenas quantidades de um lubrificante, formando uma interface líquida escorregadia, que reduz o arrasto hidrodinâmico e evita a incrustação da superfície.

Com efeito, as superfícies infundidas com líquido substituem a parede sólida por uma parede líquida, permitindo o escoamento de um segundo líquido com menor atrito, exigindo menor pressão. No entanto, o mecanismo pelo qual essas superfícies com infusão de líquido funcionam não foi compreendido, pois a redução do atrito que essas superfícies oferecem foi relatada como 50 vezes maior do que seria esperado com base na teoria.

A professora Chiara Neto e sua equipe descreveram como formaram paredes com infusão de líquido em seus dispositivos microfluídicos, desenvolvendo revestimentos de nanoengenharia que reduzem o arrasto em até 38% em comparação com paredes sólidas. Conduzindo medições microfluídicas, a equipe revelou que as novas superfícies ‘escorregadias’ reduziram o arrasto em relação às superfícies sólidas em um grau que seria esperado apenas se a superfície fosse infundida com ar em vez de um lubrificante viscoso. Não satisfeita com a redução bem-sucedida do arrasto, a equipe trabalhou para demonstrar o mecanismo pelo qual as superfícies induziam o deslizamento.

Os pesquisadores fizeram isso digitalizando as superfícies debaixo d’água usando microscopia de força atômica, permitindo-lhes visualizar a formação espontânea de nanobolhas, a apenas 100 nanômetros de altura na superfície. Essa presença de nanobolhas explica quantitativamente o significativo deslizamento observado no fluxo microfluídico.

Acesse o artigo científico completo (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Sydney (em inglês).

Fonte: Loren Smith, Universidade de Sydney. Imagem: Divulgação, Universidade de Sydney.

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