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Os engenheiros biomédicos da Duke University desenvolveram uma abordagem totalmente nova para a construção de dispositivos de diagnóstico no local de atendimento que usam apenas a gravidade para transportar, misturar e manipular as gotículas de líquido envolvidas. A demonstração requer apenas materiais disponíveis comercialmente e muito pouco poder para ler os resultados, tornando-a uma opção potencialmente atraente para aplicações em configurações de poucos recursos.
“A elegância dessa abordagem está em sua simplicidade – você pode usar quaisquer ferramentas que tiver para fazê-la funcionar”, disse Hamed Vahabi, ex-pesquisador de pós-doutorado da Duke, que agora é engenheiro-chefe de análise da GE Hitachi. “Teoricamente, você poderia usar apenas um serrote e cortar os canais necessários para o teste em um pedaço de madeira.”
O estudo conduzido no laboratório de Ashutosh Chilkoti, o Ilustre Professor Alan L. Kaganov de Engenharia Biomédica da Duke, aparece online em 11 de julho na revista Dispositivo.
Não faltam dispositivos de ponto de atendimento simples e fáceis de usar. Muitas demonstrações e dispositivos comerciais buscam fazer diagnósticos ou medir biomarcadores importantes usando apenas algumas gotas de líquido com o mínimo de poder e experiência necessários. Seu objetivo é melhorar os cuidados de saúde para bilhões de pessoas que vivem em ambientes de poucos recursos, longe de hospitais tradicionais e médicos treinados.
Todos esses testes têm os mesmos requisitos básicos; eles devem mover, misturar e medir pequenas gotas contendo amostras biológicas e os ingredientes ativos que possibilitam a medição de biomarcadores específicos. Exemplos mais caros usam pequenas bombas elétricas para conduzir essas reações. Outros usam a física de líquidos dentro de microcanais (microfluídicos) que criam uma espécie de efeito de sucção.
Esta é a primeira demonstração que usa apenas a gravidade. Cada abordagem oferece habilidades exclusivamente úteis, bem como desvantagens.
“A maioria dos dispositivos microfluídicos precisa de mais do que apenas forças capilares para operar”, disse Chilkoti. “Essa abordagem é muito mais simples e também permite que caminhos de fluidos muito complexos sejam projetados e operados, o que não é fácil ou barato de fazer com a microfluídica”.
A nova abordagem baseada na gravidade conta com um conjunto de nove revestimentos de superfície disponíveis comercialmente que podem ajustar a molhabilidade e o escorregadio em qualquer ponto do dispositivo. Ou seja, eles podem ajustar o quanto as gotas se achatam em panquecas ou permanecem esféricas, tornando mais fácil ou mais difícil para elas deslizar em uma inclinação.
Usados juntos em combinações inteligentes, esses revestimentos de superfície podem criar todos os elementos microfluídicos necessários em um teste de ponto de atendimento. Por exemplo, se um determinado local for extremamente escorregadio e uma gota for colocada em uma interseção onde um lado puxa o líquido e o outro o empurra em uma bola, ele agirá como uma bomba e acelerará a gota em direção ao primeiro.
“Criamos muitos elementos diferentes para controlar o movimento, a interação, o tempo e a sequência de várias gotículas no dispositivo”, disse Vahabi. “Todos esses fenômenos são bem conhecidos no campo, mas ninguém pensou em usá-los para controlar o movimento de gotículas de maneira sistemática antes”.
Combinando esses elementos, os pesquisadores criaram um protótipo de teste para medir os níveis de lactato desidrogenase (LDH) em uma amostra de soro humano. Eles esculpiram canais dentro da plataforma de teste para criar caminhos específicos para as gotas viajarem, cada um revestido com uma substância que impede que as gotas grudem ao longo de sua jornada. Eles também prepararam locais específicos com reagentes secos necessários para o teste, que são absorvidos por gotículas de solução tampão simples à medida que passam.
Todo o teste semelhante a um labirinto é então tampado com uma tampa contendo alguns orifícios onde a amostra e a solução tampão são pingadas. Uma vez carregado, o teste é colocado dentro de um dispositivo semelhante a uma caixa com uma alça que gira o teste 90 graus para permitir que a gravidade faça seu trabalho. Este dispositivo também é equipado com um LED simples e um detector de luz que pode detectar rápida e facilmente a quantidade de azul, vermelho ou verde nos resultados do teste. Isso significa que os pesquisadores podem marcar três biomarcadores diferentes com cores diferentes para vários testes medirem.
No caso deste teste de LDH protótipo, o biomarcador é marcado com uma molécula azul. Um microcontrolador simples mede a profundidade da tonalidade azul dos resultados do teste e a rapidez com que muda de cor – o que indica a quantidade e a concentração de LDH na amostra – para gerar resultados.
“Poderíamos eventualmente também usar um smartphone para medir os resultados, mas isso não é algo que exploramos neste artigo específico”, disse Jason Liu, candidato a doutorado no laboratório de Chilkoti.
A demonstração fornece uma nova abordagem a ser considerada ao projetar dispositivos de diagnóstico de ponto de atendimento baratos e de baixa potência. Embora o grupo planeje continuar desenvolvendo sua ideia, eles também esperam que outros percebam e trabalhem em testes semelhantes.
“Embora um sistema microfluídico bem projetado possa ser totalmente automatizado e fácil de usar por meios passivos, o tempo de etapas discretas geralmente é programado no design do próprio dispositivo, dificultando as modificações no protocolo”, acrescentou David Kinnamon, um doutorando no grupo Chilkoti. “Neste trabalho, o usuário retém mais controle do tempo das etapas enquanto sacrifica apenas modestamente a facilidade de operação. Novamente, esta é uma vantagem para protocolos mais complexos.”
Este trabalho foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01AI159992).
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