Mechanische ingenieurs aan de Duke University hebben een methode bedacht om individuele vloeistofdruppels te laten draaien om nanodeeltjes te concentreren en te scheiden voor biomedische doeleinden. De techniek is veel efficiënter dan traditionele centrifugebenaderingen, zijn magie uitwerkend in minder dan een minuut in plaats van uren of dagen te duren, en vereist slechts een kleine fractie van de typische steekproefomvang. De uitvinding zou nieuwe benaderingen van toepassingen kunnen onderstrepen, variërend van nauwkeurige bioassays tot kankerdiagnose.

De resultaten verschijnen 18 december online in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

"Dit idee is ontstaan ​​uit een zeer opwindende recente ontdekking dat je akoestische oppervlaktegolven kunt gebruiken om een ​​druppel vloeistof te laten draaien, " zei Tony Jun Huang, de William Bevan Distinguished Professor in Mechanical Engineering and Materials Science aan Duke. "We besloten te onderzoeken of we met deze methode een point-of-care-systeem konden creëren dat nanodeeltjes snel en efficiënt kan scheiden en verrijken."

Huang en zijn promovendus Yuyang Gu begonnen hun onderzoek met het bouwen van een apparaat dat individuele vloeistofdruppels kan ronddraaien. In het midden van een piëzo-elektrisch oppervlak zit een ring van polydimethylsiloxaan, een type silicium dat veel wordt gebruikt in microfluïdische technologieën, die de grenzen van de druppel beperkt en op zijn plaats houdt. De onderzoekers plaatsten vervolgens aan elke kant een geluidsgolfgenerator, een interdigitated transducer (IDT) genaamd, en gaven ze schuin zodat geluidsgolven met verschillende frequenties door het piëzo-elektrische oppervlak reizen om de druppel binnen te gaan.

Wanneer ingeschakeld, de IDT's creëren akoestische oppervlaktegolven die op de zijkanten van de druppeltjes duwen, zoals Donald Duck wordt omver geblazen door een gigantisch paar luidsprekers. Bij lage stroominstellingen, de bovenkant van de druppel begint rond de ring te wiebelen als een muffintop gemaakt van Jell-O. Maar als de stroom op 11 staat, de balans tussen de oppervlaktespanning van de druppel en zijn middelpuntvliedende kracht zorgt ervoor dat deze de vorm van een pil aanneemt en op zijn plaats begint te draaien.

De onderzoekers onderzochten vervolgens hoe fluorescerende nanodeeltjes van verschillende groottes zich gedroegen in de ronddraaiende druppeltjes. Omdat de druppel ronddraait, de nanodeeltjes zelf werden ook meegesleept in een spiraalvormig patroon. Afhankelijk van hun grootte en de frequentie van het geluid, ze werden ook naar het midden van de druppel geduwd vanwege de binnenkomende kracht van de geluidsgolven en hydrodynamica.

De onderzoekers ontdekten dat door verschillende frequenties te gebruiken, ze konden specifiek deeltjes zo klein als tientallen nanometers concentreren. Deze groottes correleren met biologisch belangrijke moleculen zoals DNA en exosomen - biologische nanodeeltjes die vrijkomen uit elk type cel in het lichaam en waarvan wordt gedacht dat ze een belangrijke rol spelen in cel-naar-cel communicatie en ziekteoverdracht.

Maar ze zaten nog met een ander probleem. Terwijl nanodeeltjes van één grootte naar het midden van de druppel stroomden, nanodeeltjes van andere afmetingen vlogen nog steeds willekeurig rond, waardoor het moeilijk is om toegang te krijgen tot de geconcentreerde premie.

Hun oplossing? Een tweede draaiende druppel.

"We hebben twee druppels van verschillende grootte naast elkaar geplaatst, zodat ze met verschillende snelheden zouden ronddraaien. " zei Gu. "Door ze te verbinden met een klein kanaal, alle nanodeeltjes die zich niet concentreren in de eerste, draaien weg en komen vast te zitten in de tweede."

Om verder te laten zien hoe nuttig hun dual-droplet centrifugale systeem zou kunnen zijn, de onderzoekers toonden aan dat het met succes subpopulaties van exosomen van een monster kon scheiden. En in tegenstelling tot gewone centrifugatiemethoden die een grote hoeveelheid monsters vereisen en 's nachts aan het werk kunnen, hun oplossing had slechts een veel kleiner monstervolume nodig, zoals vijf microliter, en minder dan een minuut.

"We stellen ons voor dat dit werk de verwerking van monsters vereenvoudigt en versnelt, detectie en reagensreacties in diverse toepassingen zoals point-of-care diagnostiek, bioassays en vloeibare biopsieën, " zei Gu.

"Het vermogen om exosoomsubpopulaties en andere biologische nanodeeltjes te scheiden en te verrijken is uiterst belangrijk." voegde Huang toe. "Bijvoorbeeld, terwijl de recente ontdekking van exosome subpopulaties biologen en onderzoekers enthousiast heeft gemaakt vanwege hun potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen op het gebied van niet-invasieve diagnostiek, exosome subpopulaties moeten nog worden gebruikt in klinische instellingen. Dit is grotendeels te wijten aan de moeilijkheden die gepaard gaan met het scheiden van exosoom-subpopulaties vanwege hun kleine omvang. Onze aanpak biedt een eenvoudige, geautomatiseerde benadering voor het scheiden van exosome subpopulaties op een snelle en biocompatibele manier. Als resultaat, wij geloven dat het van cruciaal belang is om de klinische bruikbaarheid van exosome subpopulaties te ontsluiten."