En mönstrad och cylindrisk struktur som består av kolnanorör.
Ingenjörer vid MIT har tagit fram en ny teknik för att fånga svårupptäckta molekyler, använda skogar av kolnanorör.
Teamet modifierade en enkel mikrofluidisk kanal med en rad vertikalt inriktade kolnanorör – rullade galler av kolatomer som liknar små rör av kycklingnät. Forskarna hade tidigare utarbetat en metod för att ställa kolnanorör på sina ändar, som träd i en skog. Med denna metod, de skapade en tredimensionell uppsättning av permeabla kolnanorör i en mikrofluidisk enhet, genom vilken vätska kan strömma.
Nu, i en studie publicerad denna vecka i Journal of Microengineering and Nanotechnology , forskarna har gett nanorörsuppsättningen förmågan att fånga vissa partiklar. Att göra detta, laget täckte arrayen, lager på lager, med polymerer med alternerande elektrisk laddning.
"Du kan tänka på att varje nanorör i skogen är koncentriskt belagd med olika lager av polymer, " säger Brian Wardle, professor i flygteknik och astronautik vid MIT. "Om du ritade det i tvärsnitt, det skulle vara som ringar på ett träd."
Beroende på antalet avsatta lager, forskarna kan skapa tjockare eller tunnare nanorör och därigenom skräddarsy skogens porositet för att fånga upp större eller mindre partiklar av intresse.
Nanorörens polymerbeläggning kan också manipuleras kemiskt för att binda specifika biopartiklar som strömmar genom skogen. För att testa denna idé, forskarna tillämpade en etablerad teknik för att behandla ytan av nanorören med antikroppar som binder till prostataspecifikt antigen (PSA), ett gemensamt experimentellt mål. De polymerbelagda arrayerna fångade 40 procent fler antigener, jämfört med arrayer som saknar polymerbeläggningen.
Wardle säger att kombinationen av kolnanorör och flerskiktsbeläggning kan hjälpa till att finjustera mikrofluidiska enheter för att fånga extremt små och sällsynta partiklar, såsom vissa virus och proteiner.
"Det finns mindre biopartiklar som innehåller mycket rika mängder information som vi för närvarande inte har tillgång till i punkt-of-care [medicinska tester] enheter som mikrofluidchips, säger Wardle, som är medförfattare på tidningen. "Carbon nanorub arrays kan faktiskt vara en plattform som kan rikta in sig på den storleken på biopartiklar."
En inzoomad vy av kolnanorör, visar enskilda rör.
Tidningens huvudförfattare är Allison Yost, en före detta doktorand som för närvarande är ingenjör på Accion Systems. Andra på papperet inkluderar doktoranden Setareh Shahsavari; postdoc Roberta Polak; School of Engineering Professor i undervisningsinnovation Gareth McKinley; professor i materialvetenskap och teknik Michael Rubner, och Raymond A. och Helen E. St. Laurent professor i kemiteknik Robert Cohen.
En porös skog
Kolnanorör har varit föremål för intensiva vetenskapliga studier, eftersom de har exceptionell elektrisk, mekanisk, och optiska egenskaper. Även om deras användning i mikrofluidik inte har undersökts väl, Wardle säger att kolnanorör är en idealisk plattform eftersom deras egenskaper kan manipuleras för att attrahera vissa nanometerstora molekyler. Dessutom, kolnanorör är 99 procent porösa, vilket betyder att ett nanorör består av cirka 1 procent kol och 99 procent luft.
"Vilket är vad du behöver, " säger Wardle. "Du måste flöda mängder vätska genom det här materialet för att kasta bort alla de miljontals partiklar du inte vill hitta och ta tag i den du vill hitta."
Vad mer, Wardle säger, en tredimensionell skog av kolnanorör skulle ge mycket mer yta där målmolekyler kan interagera, jämfört med de tvådimensionella ytorna i konventionell mikrofluidik.
"Fångsteffektiviteten skulle skalas med yta, " Wardle-anteckningar.
En mångsidig uppsättning
Teamet integrerade en tredimensionell uppsättning av kolnanorör i en mikrofluidisk enhet genom att använda kemisk ångavsättning och fotolitografi för att växa och mönstra kolnanorör på kiselwafers. De grupperade sedan nanorören i en cylinderformad skog, mäter cirka 50 mikrometer hög och 1 millimeter bred, och centrerade arrayen inom en 3 millimeter bred, 7 millimeter lång mikrofluidkanal.
Forskarna belade nanorören i på varandra följande lager av växelvis laddade polymerlösningar för att skapa distinkta, bindande lager runt varje nanorör. Att göra så, de flödade varje lösning genom kanalen och fann att de kunde skapa en mer enhetlig beläggning med ett gap mellan toppen av nanorörskogen och kanalens tak. En sådan lucka tillät lösningar att flöda över, sedan ner i skogen, coating each individual nanotube. In the absence of a gap, solutions simply flowed around the forest, coating only the outer nanotubes.
After coating the nanotube array in layers of polymer solution, the researchers demonstrated that the array could be primed to detect a given molecule, by treating it with antibodies that typically bind to prostate specific antigen (PSA). They pumped in a solution containing small amounts of PSA and found that the array captured the antigen effectively, throughout the forest, rather than just on the outer surface of a typical microfluidic element.
Wardle says that the nanotube array is extremely versatile, as the carbon nanotubes may be manipulated mechanically, electrically, and optically, while the polymer coatings may be chemically altered to capture a wide range of particles. He says an immediate target may be biomarkers called exosomes, which are less than 100 nanometers wide and can be important signals of a disease's progression.
"Science is really picking up on how much information these particles contain, and they're sort of everywhere, but really hard to find, even with large-scale equipment, " Wardle says. "This type of device actually has all the characteristics and functionality that would allow you to go after bioparticles like exosomes and things that really truly are nanometer scale."
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
