[ad_1]
(Foco Nanowerk) Las pinzas ópticas son una tecnología fundamental para la manipulación de objetos microscópicos en diversos campos, incluida la biotecnología y la ciencia de materiales. Sin embargo, tienen limitaciones como: B. la necesidad de una alta potencia del láser y condiciones ambientales específicas que pueden provocar daños térmicos y fotónicos en muestras biológicas sensibles.
Las pinzas ópticas tradicionales capturan los objetos objetivo mediante un láser, cuya eficacia depende de factores como el índice de refracción del objeto y el medio circundante. A menudo se requiere una alta potencia del láser, especialmente si el objeto tiene un bajo índice de refracción que contrasta con el entorno. Esto puede resultar problemático para las muestras biológicas, ya que la alta potencia puede causar daño térmico y reducir la viabilidad celular. Para resolver estos problemas, se han desarrollado diversas adaptaciones de pinzas ópticas, pero a menudo requieren configuraciones complejas o su aplicabilidad es limitada.
Investigadores de la Universidad de Texas en Austin han desarrollado una nueva técnica basada en láser llamada pinzas optotermoforéticas hipotérmicas (HOTT), que se basa en la termoforesis (el movimiento de partículas a lo largo de un gradiente de temperatura) y permite la manipulación precisa de células y nanopartículas. y otros microobjetos con una potencia láser excepcionalmente baja.
La nueva tecnología se describe en un artículo publicado en comunicación de la naturaleza (“Pinzas optotermoforéticas hipotérmicas”) podrían abrir puertas a avances en biotecnología, microrrobótica y administración de fármacos.
«Los HOTT ofrecen un enfoque más versátil y suave al combinar el calentamiento láser localizado con el enfriamiento ambiental», afirma el autor principal, el Dr. dijo a Nanowerk Pavana Siddhartha Kollipara, investigadora asociada del Grupo de Investigación Zheng en UT Austin. “Este método de doble acción permite la captura de una amplia gama de partículas y células biológicas con un bajo consumo de energía y al mismo tiempo minimiza el riesgo de daño térmico. La estrategia de enfriamiento también aumenta el poder de captura termoforética, lo que permite la captura de partículas en una gama más amplia de condiciones.
El principio de funcionamiento de los HOTT implica un sustrato termoplasmónico que crea un gradiente de temperatura bajo calentamiento láser local. Al calentar nanopartículas y células con un láser enfocado, los investigadores pueden crear gradientes de temperatura en el fluido circundante que atraen los objetos hacia el área más caliente cerca del foco del láser. Debido a que no depende de fuerzas de dispersión y refracción, la captura optotermoforética requiere de dos a tres órdenes de magnitud menos de potencia láser que las pinzas ópticas.
Sin embargo, las pinzas optotermoforéticas tienen sus propias desventajas. El calentamiento láser necesario para generar fuerzas termoforéticas aún puede causar daños térmicos. Y para las células biológicas, que tienden a resistir el calor, el desplumado requiere la adición de tensioactivos o sales para hacer que las células sean termófilas.
Los HOTT llevan la captura optotermoforética al siguiente nivel con enfriamiento adicional. «Combinamos refrigeración ambiental con calentamiento láser local para lograr la captura termoforética de objetivos con bajo consumo de energía y al mismo tiempo evitar daños ópticos y térmicos», explica Kollipara.
Los investigadores construyeron una plataforma de muestra con temperatura controlada con un enfriador Peltier que enfría la muestra líquida hasta 4°C. La temperatura más baja hace que las partículas y las células, que de otro modo serían termofóbicas, sean termófilas, lo que hace que se muevan hacia el punto de acceso del láser. El enfriamiento multiplica por diez esta fuerza termoforética al tiempo que suprime el daño por calentamiento láser.
«La naturaleza termófila mejorada de las partículas aumenta la magnitud de la fuerza de captura», dice Kollipara. «Y la temperatura de sobreenfriamiento también facilita la captura de objetos frágiles, como células, de forma no invasiva».
Kollipara y sus colegas demostraron los HOTT manipulando varias micropartículas sintéticas y demostraron que las pinzas pueden capturar de manera estable perlas de diferentes materiales, tamaños y concentraciones.
Una de las aplicaciones más atractivas de los HOTT se encuentra en el campo de la biotecnología, particularmente para capturar células biológicas como los eritrocitos (glóbulos rojos). Los métodos tradicionales se limitaban a atrapar estas células en soluciones isotónicas y, a menudo, provocaban daños térmicos. Sin embargo, los HOTT pudieron capturar eritrocitos en diferentes tonicidades (hipertónicas, isotónicas e hipotónicas) sin causar rotura térmica, lo que abrió nuevas posibilidades para el diagnóstico de enfermedades y los estudios celulares. Esta capacidad podría permitir nuevos estudios sobre la mecánica y las interacciones de los glóbulos rojos para obtener información sobre enfermedades como la anemia falciforme y la malaria.
Finalmente, los investigadores utilizaron HOTT para agarrar y manipular vehículos de administración de fármacos a nanoescala llamados vesículas plasmónicas. Utilizaron dos rayos láser para posicionar las vesículas en 3D y luego hicieron que liberaran su carga útil de fármaco cuando fuera necesario.
«Gracias a su versatilidad y aplicabilidad general, los HOTT tendrán muchas aplicaciones potenciales en el diagnóstico de enfermedades, terapia de calor, administración de fármacos y cirugía microrrobótica», dijo el autor principal Yuebing Zheng, profesor de ingeniería en UT Austin.
Los investigadores dicen que debido a que los HOTT se basan en propiedades intrínsecas de las partículas, pueden manipular y estudiar una amplia gama de microobjetos sintéticos y biológicos sin aditivos químicos ni modificaciones del sustrato.
“Podemos ampliar esta técnica para incluir varios sistemas de materia blanda, como polímeros, proteínas, etc. ajustando las condiciones ambientales”, concluye Kollipara. «Los HOTT se pueden extender aún más a objetivos no plasmónicos utilizando una partícula plasmónica o que absorba luz como medio de transporte».
La importancia de este trabajo radica no sólo en sus aplicaciones inmediatas, sino también en su potencial para impulsar una mayor innovación en ciencia de materiales y biotecnología. Al proporcionar un método no invasivo, versátil y eficiente para capturar partículas microscópicas y células biológicas, los HOTT podrían convertirse en una herramienta invaluable para investigadores y profesionales de diversas disciplinas científicas.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Spotlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de autores invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o le gustaría compartir otros desarrollos interesantes con la comunidad de nanotecnología? Cómo publicar en nanowerk.com.
[ad_2]