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(Foco Nanowerk) La manipulación precisa de nanopartículas individuales atrae desde hace mucho tiempo a investigadores de diversas disciplinas, como la ciencia de materiales, la nanotecnología y la biomedicina. Pero la propia física ha impuesto obstáculos cruciales, a saber, el límite de difracción que limita las trampas ópticas convencionales, así como intensidades de láser insuficientes para inducir una trampa estable. Esto ha hecho que la nanoescala sea un desafío persistente debido a la falta de plataformas generales para capturar la vertiginosa diversidad de nanomateriales que ahora son fundamentales para las aplicaciones de vanguardia. Cada nuevo material particulado requiere soluciones específicas y hechas a medida basadas en estrategias de fabricación y configuraciones a medida que son incompatibles con un alto rendimiento experimental.
Ahora, investigadores de la Universidad de Shenzhen han sorteado tales limitaciones mediante el desarrollo de nanopinzas optotérmicas altamente adaptables (HAONT). Informaron sus resultados en Materiales avanzados (“Nanopinzas optotérmicas altamente adaptables para capturar, clasificar y ensamblar diversas nanopartículas”).
Sin modificaciones de superficie ni diseños de electrodos complicados, esta técnica versátil puede manipular nanopartículas individuales tan pequeñas como de 3,3 a 200 nm en materiales orgánicos, inorgánicos y biológicos con potencias láser notablemente bajas.
Más allá de la nanofabricación y la biodetección, la biocompatibilidad de HAONT, la precisión más allá de la difracción y la amplia compatibilidad de las nanopartículas ayudan a superar los obstáculos de larga data para la manipulación a nanoescala y abren nuevas oportunidades experimentales, desde conocimientos sobre la administración de fármacos hasta estudios de administración de fármacos y comunicación intercelular.
El innovador trabajo de Arthur Ashkin sobre innovadoras pinzas ópticas recibió el Premio Nobel en 2018. Sin embargo, los enfoques predominantes todavía requieren mayores densidades de potencia del láser y soluciones personalizadas para nanopartículas específicas. Además, a diferencia de las pinzas ópticas clásicas, que están limitadas por barreras de difracción, HAONT funciona más allá del límite de difracción y logra una precisión notable hasta escalas de longitud inferiores a 10 nm.
El corazón de HAONT es una película de oro optotérmica en un chip de microfluidos que crea gradientes térmicos cuando la luz láser incide sobre ella. Al ajustar la potencia del láser y la concentración del polímero de polietilenglicol (PEG) en el líquido circundante, los investigadores pueden manipular dos fuerzas sinérgicas: la difusioforesis y la termoósmosis. El primero se basa en las interacciones de la superficie de las partículas y el polímero para estimular los movimientos de las nanopartículas a lo largo de gradientes térmicos. Este último aprovecha los flujos de deslizamiento de líquido paralelos a la interfaz oro-líquido causados por diferencias de temperatura.
El PEG es un tensioactivo biocompatible conocido que evita los problemas de citotoxicidad encontrados con otras técnicas. A diferencia de la dielectroforesis positiva, por ejemplo, que requiere configuraciones equipadas con electrodos, la plataforma HAONT sin electrodos simplifica las configuraciones experimentales. Fundamentalmente, aunque los tensioactivos iónicos pueden tener efectos nocivos sobre las bionanopartículas, la incorporación de polímeros de PEG no iónicos en HAONT evita este obstáculo.
Utilizando materiales orgánicos e inorgánicos como perlas de poliestireno, nanopartículas de oro y puntos cuánticos con tamaños entre 5 y 200 nm, los investigadores confirmaron la versatilidad de HAONT. Utilizando esta técnica, ensamblaron nanoestrellas e imprimieron nanopartículas específicas en células, lo que sugiere aplicaciones de biodetección al permitir la espectroscopía Raman mejorada en superficie.
HAONT también facilitó la clasificación de nanopartículas según su rigidez y tamaño con pinzas. Curiosamente, cuando se aumentó la potencia del láser, surgió un esquema de captura de vórtices en forma de dona, que permitió una nueva interacción entre células y nanopartículas. Esta configuración de donut podría mejorar significativamente la precisión de la administración de fármacos mediada por nanopartículas.
En general, la biocompatibilidad de la herramienta, la precisión a nanoescala sin alteraciones de la superficie y el amplio rango de manipulación ayudan a superar las limitaciones de las plataformas existentes.
Al considerar la influencia de la conductividad térmica de una nanopartícula en relación con el líquido circundante, los investigadores obtuvieron importantes conocimientos sobre el comportamiento de captura. Las nanopartículas metálicas con mayor conductividad térmica que las soluciones homogeneizan los gradientes térmicos y debilitan las fuerzas netas de pinza que de otro modo dependen de dichos gradientes. Por ejemplo, el equipo descubrió que las partículas de oro de 200 nm experimentaban fuerzas netas casi un 60 % menores que las perlas de poliestireno de tamaño similar. Sin embargo, las nanopartículas metálicas más pequeñas exhibieron una rigidez de pinza más comparable en comparación con sus contrapartes no metálicas. Sus cálculos mostraron cómo el tamaño y el material de una partícula controlan la interacción entre las fuerzas ópticas, difusioforéticas y termoosmóticas durante la manipulación de HAONT.
Aunque prometedor, existen algunas limitaciones. HAONT carece de la precisión de las mediciones directas de fuerza externa posibles con las pinzas ópticas tradicionales. La viscosidad cambiante causada por la migración del polímero termoforético también afecta la precisión. Además, la manipulación de biomoléculas individuales flexibles, como el ADN o las proteínas, sigue siendo difícil porque la técnica se basa en interacciones entre partículas y líquidos. Y la necesaria película plana de oro evita las pinzas 3D. A pesar de estos inconvenientes, la facilidad de uso, los bajos requisitos de potencia óptica y la aplicabilidad de la herramienta a varias combinaciones de nanopartículas son un buen augurio para su adopción.
Con mejoras adicionales, como la regulación de la temperatura o los campos eléctricos aplicados, HAONT podría convertirse en una plataforma de nanomanipulación versátil para aplicaciones de biología sintética, ingeniería de coloides, nanomedicina y ciencia de materiales.
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 ©
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