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As ondas acústicas podem ser capazes de controlar como as partículas se classificam. Embora os pesquisadores tenham sido capazes de separar partículas com base em sua forma – por exemplo, bactérias de outras células – por anos, a capacidade de controlar seu movimento permaneceu um problema em grande parte sem solução, até agora. Usando tecnologia de ultrassom e um bico, os pesquisadores da Penn State separaram, controlaram e ejetaram diferentes partículas com base em sua forma e várias propriedades.
Eles publicaram seus resultados na revista Pequeno.
“Nós projetamos um bocal de microcanal e aplicamos energia de ultrassom ao sistema”, disse o autor correspondente Igor Aronson, Dorothy Foehr Huck da Penn State e professor de cadeira J. Lloyd Huck de engenharia biomédica e professor de química e matemática. “O bocal desempenha duas funções. Ele concentra o fluxo de fluido, algo que outros pesquisadores já fizeram. Mas, além disso, as paredes do bocal refletem as ondas acústicas da energia do ultrassom.”
Aronson e seus colaboradores trabalharam com materiais minúsculos chamados nanorods, que são algumas das partículas autopropelidas sintéticas mais estudadas, de acordo com Aronson. Por serem de tamanho semelhante e terem uma velocidade de natação semelhante à das bactérias, disse Aronson, muitas das conclusões tiradas da observação de nanobastões podem ser aplicadas ao movimento das bactérias. Por esse motivo, eles são frequentemente usados como prova de conceito para futuras tarefas de separação.
Neste caso, os nanorods eram metade platina e metade ouro. Os pesquisadores colocaram os nanorods em um bocal, em forma de seringa em miniatura, e depois adicionaram peróxido de hidrogênio. O peróxido de hidrogênio é decomposto – ou queimado – na metade de platina de cada nanorod, forçando-os a nadar em uma imitação de como as bactérias se comportam.
Os pesquisadores aplicaram ultrassom no bocal, produzindo ondas acústicas que, junto com o fluxo do fluido, foram capazes de separar as partículas do nanorod, agregá-las ou expulsá-las do bocal.
“O conceito de separação depende do fato de que nanorods e partículas esféricas têm respostas diferentes à radiação acústica e ao fluxo de fluido gerado”, disse Aronson. “Ao controlar o formato do bocal e a frequência e amplitude da radiação acústica, podemos forçar partículas de diferentes formatos e propriedades de materiais a se comportarem de maneira diferente. Isso se aplica especialmente a partículas ativas, como nanobastões: eles podem nadar de forma autônoma e seus o controle é especialmente desafiador.”
Esse nível de controle na separação de partículas não havia sido demonstrado anteriormente, de acordo com os pesquisadores.
Aronson disse que esta demonstração tem implicações para tecnologias futuras, incluindo manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D, e entrega de medicamentos.
“Para a impressão 3D, a ideia é adicionar certos aditivos à tinta – por exemplo, nanorods”, disse ele. “Portanto, agora poderíamos separar nanorods de partículas esféricas para depositar apenas algumas na impressão, como depositar polímeros sem nanorods e assim por diante, tudo para alterar a propriedade da impressão.”
Aronson disse que esse princípio também se aplica à impressão de células vivas, conhecida como bioimpressão.
“Aplicações potenciais de bioimpressão podem incluir o projeto de bicos acústicos para impressoras do tipo bio-jato de tinta”, disse ele. “Ao controlar a radiação acústica no bocal, podemos potencialmente expulsar certos tipos de células – por exemplo, células-tronco – e capturar outros tipos – por exemplo, bactérias. É um controle adicional para bioprints.”
Essa capacidade também pode ser útil para separar bactérias de células na administração de medicamentos direcionados, disse Aronson. Em seguida, os pesquisadores planejam misturar bactérias e células vivas em um ambiente de laboratório e depois separá-las e controlá-las.
Os outros autores do artigo são Leonardo Dominguez Rubio, aluno de pós-graduação do Departamento de Engenharia Biomédica da Penn State; Ayusman Sen, o Verne M. Willaman Professor de Química na Penn State; e Matthew Collins, que era um estudante de graduação em química da Penn State na época deste trabalho.
O Departamento de Energia dos EUA apoiou este trabalho.
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