Maskiningenjörer vid Duke University har tagit fram en metod för att snurra enskilda vätskedroppar för att koncentrera och separera nanopartiklar för biomedicinska ändamål. Tekniken är mycket effektivare än traditionella centrifugmetoder, arbetar med sin magi på under en minut istället för att ta timmar eller dagar, och kräver endast en liten bråkdel av den typiska provstorleken. Uppfinningen skulle kunna understryka nya tillvägagångssätt för tillämpningar som sträcker sig från precisionsbioanalyser till cancerdiagnos.

Resultaten visas online den 18 december i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

"Den här idén kom från ett mycket spännande nyligen upptäckt att du kan använda akustiska ytvågor för att snurra en droppe vätska, "sa Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science at Duke. "Vi bestämde oss för att undersöka om vi kunde använda den här metoden för att skapa ett point-of-care-system som kan separera och berika nanopartiklar snabbt och effektivt."

Huang och hans doktorand Yuyang Gu började sin undersökning med att bygga en enhet som kan snurra enskilda vätskedroppar. I mitten av en piezoelektrisk yta sitter en ring av polydimetylsiloxan, en typ av kisel som vanligtvis används i mikrofluidteknik, som begränsar droppens gränser och håller den på plats. Forskarna placerade sedan en ljudvågsgenerator som kallas en interdigiterad givare (IDT) på varje sida och lutade dem så att ljudvågor med olika frekvenser färdas genom den piezoelektriska ytan för att komma in i droppen.

När den är påslagen, IDT:erna skapar akustiska ytvågor som trycker på sidorna av dropparna som att Kalle Anka blåses omkull av ett gigantiskt par högtalare. Vid låga ströminställningar, toppen av droppen börjar vingla runt ringen som en muffinstopp gjord av Jell-O. Men när strömmen skruvas upp till 11, balansen mellan droppens ytspänning och dess centrifugalkraft gör att den antar formen av ett piller och börjar snurra på plats.

Forskarna undersökte sedan hur fluorescerande nanopartiklar av olika storlekar betedde sig i de snurrande dropparna. Eftersom droppen snurrar, nanopartiklarna själva drogs också med i ett spiralformigt mönster. Beroende på deras storlek och ljudfrekvens, de trycktes också mot droppens mitt på grund av ljudvågornas inkommande kraft och hydrodynamik.

Forskarna fann att genom att använda olika frekvenser, de kunde specifikt koncentrera partiklar så små som tiotals nanometer. Dessa storlekar korrelerar med biologiskt viktiga molekyler som DNA och exosomer – biologiska nanopartiklar som frigörs från alla typer av celler i kroppen och som tros spela en viktig roll i cell-till-cell-kommunikation och sjukdomsöverföring.

Men de stod fortfarande inför ett annat problem. Medan nanopartiklar av en storlek flockades till mitten av droppen, nanopartiklar av andra storlekar flög fortfarande slumpmässigt omkring, vilket gör det svårt att komma åt den koncentrerade belöningen.

Deras lösning? En andra snurrande droppe.

"Vi satte upp två droppar i olika storlekar bredvid varandra så att de skulle snurra i olika hastigheter, " sa Gu. "Genom att koppla dem med en liten kanal, alla nanopartiklar som inte koncentrerar sig i det första slutar snurra och fastna i det andra. "

För att ytterligare visa hur användbart deras centrifugalsystem med dubbla droppar kan vara, forskarna visade att det framgångsrikt kunde separera subpopulationer av exosomer från ett prov. Och till skillnad från vanliga centrifugeringsmetoder som kräver stora mängder prover och kan ta över natten för att fungera, deras lösning behövde bara en mycket mindre provvolym – som fem mikroliter – och mindre än en minut.

"Vi föreställer oss att det här arbetet förenklar och påskyndar provbearbetningen, detektion och reagensreaktioner i olika applikationer, såsom point-of-care diagnostik, bioanalyser och flytande biopsier, "sa Gu.

"Förmågan att separera och berika exosome subpopulationer och andra biologiska nanopartiklar är oerhört viktig." lade Huang till. "Till exempel, medan den senaste upptäckten av exosomsubpopulationer har upphetsat biologer och forskare på grund av deras potential att revolutionera området för icke-invasiv diagnostik, exosome subpopulationer har ännu inte utnyttjats i kliniska miljöer. Detta beror till stor del på de svårigheter som är förknippade med att separera exosomsubpopulationer på grund av deras ringa storlek. Vårt tillvägagångssätt erbjuder en enkel, automatiserat tillvägagångssätt för att separera exosomsubpopulationer på ett snabbt och biokompatibelt sätt. Som ett resultat, vi tror att det är avgörande för att låsa upp den kliniska nyttan av exosomsubpopulationer."