Patente pode ser um método barato para melhorar a criação de nanoporos de estado sólido

A SMU e a Universidade de Rhode Island patentearam um método barato e fácil de usar para criar nanoporos de estado sólido (SSNs), ao mesmo tempo em que torna possível a autolimpeza de nanoporos bloqueados.

A técnica chamada quebra dielétrica controlada quimicamente ajustada (CT-CDB) aborda dois problemas principais que impediram que os nanoporos de estado sólido — que são muito pequenos para serem vistos pelo olho humano — fossem usados ​​com mais frequência para construir biossensores que podem medir reações biológicas e químicas de uma determinada amostra.

Os biossensores têm amplas aplicações médicas, permitindo diagnóstico e monitoramento rápidos, precoces e eficazes de doenças.

“Produzimos nanoporos que superaram amplamente as desvantagens associadas aos nanoporos de estado sólido (SSNs) usando essa técnica”, disse um dos detentores da patente, MinJun Kim, que é o titular da cadeira Robert C. Womack na Escola de Engenharia Lyle da SMU e pesquisador principal do Laboratório BAST.

SSNs são ideais para biossensores, porque são menos custosos de criar em comparação com a tecnologia existente e permitem análise em tempo real de uma pequena amostra. Além disso, SSNs feitos artificialmente são mais resistentes do que nanoporos naturais em nossos corpos, tornando-os mais fáceis de usar em nanodispositivos.

Os dispositivos SSN consistem em um pequeno orifício, ou nanoporo, no que é conhecido como membrana, uma fina camada de material que forma uma barreira entre dois reservatórios cheios de soluções iônicas.

Quando a voltagem elétrica é aplicada através da membrana, uma corrente iônica flui através do nanoporo.

Para aprender mais sobre uma substância em particular, os pesquisadores passam uma pequena amostra através do poro para um dos reservatórios; cada biomolécula então registra seu próprio sinal conforme passa pelo nanoporo devido a uma mudança no campo elétrico. Esses sinais de corrente elétrica tornam possível dizer as propriedades biológicas e químicas daquela substância.

“Uma abordagem rápida e simples para fabricar um único nanoporo é usar a quebra dielétrica controlada, ou CDB, na nanoescala”, disse Kim.

A ruptura dielétrica ocorre quando — após ser submetido a alta voltagem — um material eletricamente isolante (um dielétrico) repentinamente se torna um condutor, permitindo que a corrente flua através dele. O CDB depende da aplicação de uma voltagem através de uma membrana isolante para gerar um alto campo elétrico, enquanto monitora a corrente de fuga induzida.

A corrente de vazamento induzida é atribuída ao tunelamento de elétrons através de armadilhas, ou defeitos inerentes presentes nas membranas. Após um certo tempo, as armadilhas carregadas se acumulam e, eventualmente, ocorre a quebra dielétrica da membrana, resultando em um único nanoporo.

Mas há dois problemas consistentes com poros fabricados a partir dessa abordagem: desvios na corrente de poros abertos e aderência irreversível do analito.

Desvios na corrente de poro aberto são mudanças ou flutuações graduais na corrente de base que flui através de um nanoporo quando ele não está obstruído. Esses desvios podem afetar a precisão e a confiabilidade das medições feitas usando nanoporos de estado sólido.

A adesão irreversível do analito ocorre quando a substância que está sendo medida ou analisada — o analito — fica permanentemente ligada ao nanoporo, em vez de passar por ele.

Ambos os problemas podem interferir na capacidade dos pesquisadores de obter medições consistentes e de longo prazo dos nanoporos.

Para superar esses obstáculos, pesquisadores da SMU e da Universidade de Rhode Island desenvolveram um método para modificar o CDB com um aditivo químico conhecido como hipoclorito de sódio, ou NaOCl, ao desenvolver SSNs com membranas finas de nitreto de silício.

Adicionar hipoclorito de sódio produziu nanoporos que eram significativamente menos propensos a entupimento do que nanoporos fabricados convencionalmente e também resultaram em poros desprovidos de desvios em correntes de poros abertos, descobriram os pesquisadores. Esses benefícios reduziram o tempo de inatividade entre os experimentos.

“Isso resultou em uma química de superfície dos nanoporos drasticamente diferente, o que melhorou significativamente seu desempenho”, disse Kim.

Kim é conhecido internacionalmente por suas contribuições ao desenvolvimento de nano e microbióticos e suas amplas aplicações para nanomedicina. Por exemplo, ele desenvolveu dispositivos que podem um dia administrar medicamentos a tumores, limpar artérias obstruídas e ajudar médicos a ver o que está acontecendo dentro dos espaços mais difíceis de alcançar do corpo.

Os coinventores do CT-CDB são Nuwan Bandara e Buddini Karawdeniya, professores assistentes no Departamento de Química e Bioquímica da Universidade Estadual de Ohio; Jugal Saharia, professor assistente de Engenharia Mecânica no Departamento de Engenharia da Universidade de Houston-Clear Lake; e Jason Dwyer, professor de química na Universidade de Rhode Island.

Bandara e Karawdeniya são ex-pesquisadores de pós-doutorado da SMU que trabalham no Laboratório BAST, enquanto Saharia é ex-aluno de doutorado de Kim.