Saúde

Nanobolhas fornecem caminho para construir melhores dispositivos médicos
a descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de melhores ferramentas de diagnóstico médico, como dispositivos lab-on-a-chip que realizam análises de DNA ou são usados ​​para deteca§a£o biomédica de patógenos de doena§as.
Por Universidade de Sydney - 18/01/2022


Crédito: Shutterstock

Pesquisadores do Instituto Nano da Universidade de Sydney e da Escola de Quí­mica revelaram que pequenas bolhas de gás osnanobolhas com apenas 100 bilionanãsimos de metro de altura osse formam emsuperfÍcies em situações inesperadas, fornecendo uma nova maneira de reduzir o arrasto em dispositivos de pequena escala.

O arrasto do la­quido dentro dos microdispositivos pode levar a incrustações internas (acaºmulo de materiais biola³gicos indesejados) ou danificar amostras biológicas, como células, devido a  alta pressão. Assim, a descoberta pode abrir caminho para o desenvolvimento de melhores ferramentas de diagnóstico médico, como dispositivos lab-on-a-chip que realizam análises de DNA ou são usados ​​para detecção biomédica de patógenos de doena§as.

A equipe, liderada pela professora Chiara Neto, desenvolveu revestimentos enrugados de nanoengenharia que reduzem o arrasto em até38% em comparação comsuperfÍcies sãolidas nominalmente 'lisas' . Os revestimentos escorregadios, uma vez infundidos com um lubrificante, também são altamente resistentes a  bioincrustação.

Usando microscopia de força atômica - um microsca³pio de varredura de alta­ssima resolução - a equipe descobriu que os fluidos que passam por canais microestruturados com essassuperfÍcies eram capazes de deslizar com menor atrito devido a  formação esponta¢nea de nanobolhas, um fena´meno nunca antes descrito .

Os resultados são publicados esta semana na Nature Communications .

Possa­vel aplicação médica

Muitas ferramentas de diagnóstico médico dependem da análise em pequena escala de pequenas quantidades de materiais biola³gicos e outros em forma la­quida . Esses 'dispositivos microflua­dicos' usam microcanais e microrreatores nos quais as reações geralmente feitas em larga escala em um laboratório de química ou patologia são conduzidas em escala miniaturizada.

A análise de volumes muito menores de material permite diagnósticos mais rápidos e eficientes. No entanto, o problema com dispositivos microflua­dicos éque o fluxo de fluido édrasticamente desacelerado pelo atrito do la­quido com as paredes sãolidas dos canais, criando um grande arrasto hidrodina¢mico. Para superar isso, os dispositivos aplicam altas pressaµes para impulsionar o fluxo.

Por sua vez, a alta pressão dentro desses dispositivos não éapenas ineficiente, mas também pode danificar amostras delicadas no dispositivo, como células e outros materiais macios. Além disso, as paredes sãolidas são facilmente contaminadas por moléculas biológicas ou bactanãrias, levando a  rápida degradação por meio de bioincrustação.

Uma solução para ambos os problemas éo uso desuperfÍcies nas quais os poros em nanoescala retem pequenas quantidades de um lubrificante, formando uma interface la­quida escorregadia, que reduz o arrasto hidrodina¢mico e evita a bioincrustação dasuperfÍcie .

Com efeito, assuperfÍcies infundidas com la­quido substituem a parede sãolida por uma parede la­quida, permitindo o escoamento de um segundo la­quido com menor atrito, exigindo menor pressão. No entanto, o mecanismo pelo qual essassuperfÍcies com infusão de la­quido funcionam não foi compreendido, pois a redução do atrito que essassuperfÍcies oferecem foi relatada como 50 vezes maior do que seria esperado com base na teoria.

Nanobolhas para o resgate?

O professor Neto e sua equipe descreveram como formaram paredes com infusão de la­quido em seus dispositivos microflua­dicos, desenvolvendo revestimentos enrugados de nanoengenharia que reduzem o arrasto em até38% em comparação com paredes sãolidas. A equipe inclui: Ph.D. o estudante Chris Vega-Sa¡nchez, cujo trabalho nos últimos três anos se concentrou em microflua­dica; Dr. Sam Peppou-Chapman, especialista emsuperfÍcies com infusão de la­quidos; e Dr. Liwen Zhu, especialista em microscopia de força atômica, que da¡ aos cientistas a capacidade de ver atéum bilionanãsimo de metro.

Conduzindo medições microflua­dicas, a equipe revelou que as novassuperfÍcies escorregadias reduziram o arrasto em relação a ssuperfÍcies sãolidas em um grau que seria esperado apenas se asuperfÍcie fosse infundida com ar em vez de um lubrificante viscoso. Nãosatisfeita com a redução bem-sucedida do arrasto, a equipe trabalhou para demonstrar o mecanismo pelo qual assuperfÍcies induziam o deslizamento.

Eles fizeram isso digitalizando assuperfÍcies debaixo d' águausando microscopia de força atômica, permitindo-lhes visualizar a formação esponta¢nea de nanobolhas, a apenas 100 nana´metros de altura nasuperfÍcie. Sua presença explica quantitativamente o enorme deslizamento observado no fluxo microflua­dico.

Parte do trabalho de microscopia foi feito usando as instalações do Centro Australiano de Microscopia e Microanálise da Universidade de Sydney.

O professor Neto disse: "Queremos entender o mecanismo fundamental pelo qual essassuperfÍcies funcionam e ampliar os limites de sua aplicação, especialmente para eficiência energanãtica. Agora que sabemos por que essassuperfÍcies são escorregadias e reduzem o arrasto, podemos projeta¡-las especificamente para minimizar a energia necessa¡ria para conduzir o fluxo em geometrias confinadas e reduzir a incrustação."

 

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