doi.org/10.1038/s41467-024-52273-x
Credibilidade: 999
#Raio trator
Pesquisadores do MIT desenvolveram um “raio trator” em miniatura, semelhante ao que captura a Millennium Falcon no filme “Star Wars”. Esse dispositivo pode ajudar biólogos e clínicos estudando o DNA, classificar células e investigar os mecanismos de doenças.
Pequeno o suficiente para caber na palma da mão, o aparelho utiliza um feixe de luz emitido por um chip de fotônica de silício para manipular partículas a milímetros da superfície do chip. A luz consegue penetrar as lâminas de vidro que protegem as amostras utilizadas em experimentos biológicos, permitindo que as células permaneçam em um ambiente estéril.
Os manipuladores ópticos tradicionais, que utilizam luz para capturar e manipular partículas, costumam exigir configurações volumosas de microscópios. No entanto, os manipuladores ópticos baseados em chip oferecem uma solução mais compacta, que pode ser fabricada em massa, acessível e com alta capacidade de manuseio em experimentos biológicos.
Entretanto, outros manipuladores ópticos integrados semelhantes só conseguem capturar e manipular células que estão muito próximas ou diretamente na superfície do chip. Isso contamina o chip e pode estressar as células, limitando a compatibilidade com experimentos biológicos padrão.
Utilizando um sistema chamado matriz de fase óptica integrada, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova modalidade para manipuladores ópticos integrados que permite capturar e manipular células a mais de cem vezes a distância da superfície do chip.
“Este trabalho abre novas possibilidades para manipuladores ópticos baseados em chip, permitindo capturar e manipular células a distâncias muito maiores do que as demonstradas anteriormente. É emocionante pensar nas diferentes aplicações que essa tecnologia pode possibilitar”, diz Jelena Notaros, professora de Desenvolvimento de Carreira Robert J. Shillman em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, e membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica.
Uma nova modalidade de captura:
As armadilhas e pinças ópticas usam um feixe de luz focado para capturar e manipular partículas minúsculas. As forças exercidas pelo feixe puxam as micropartículas em direção à luz intensamente focada no centro, capturando-as. Ao direcionar o feixe de luz, os pesquisadores podem mover as micropartículas junto com ele, permitindo a manipulação de pequenos objetos utilizando forças sem contato.
No entanto, as pinças ópticas tradicionais requerem uma configuração de microscópio grande em um laboratório, além de vários dispositivos para formar e controlar a luz, o que limita onde e como podem ser utilizadas.
“Com a fotônica de silício, podemos pegar esse grande sistema, tipicamente em escala de laboratório, e integrá-lo em um chip. Isso representa uma grande solução para biólogos, pois oferece funcionalidade de captura e manipulação óptica sem a complexidade de um sistema óptico volumoso”, explica Notaros.
Mas, até agora, as pinças ópticas baseadas em chip só conseguiam emitir luz muito próxima da superfície do chip, o que limitava a captura de partículas a poucos micrômetros acima da superfície. As amostras biológicas são geralmente mantidas em ambientes estéreis usando lâminas de vidro com cerca de 150 micrômetros de espessura, de modo que a única forma de manipulá-las com tal chip é retirar as células e colocá-las em sua superfície.
Entretanto, isso leva à contaminação do chip. Sempre que um novo experimento é realizado, o chip precisa ser descartado, e as células devem ser colocadas em um novo chip.
Para superar esses desafios, os pesquisadores do MIT desenvolveram um chip de fotônica de silício que emite um feixe de luz focado a cerca de 5 milímetros acima de sua superfície. Assim, eles conseguem capturar e manipular partículas biológicas que permanecem dentro de uma lâmina estéril, protegendo tanto o chip quanto as partículas da contaminação.
Manipulando a luz
Os pesquisadores realizam isso utilizando um sistema chamado matriz de fase óptica integrada. Essa tecnologia envolve uma série de antenas em escala microfabricadas em um chip usando processos de fabricação de semicondutores. Ao controlar eletronicamente o sinal óptico emitido por cada antena, os pesquisadores conseguem moldar e direcionar o feixe de luz emitido pelo chip.
Motivados por aplicações de longo alcance, como o lidar, a maioria das matrizes de fase óptica integradas anteriores não foram projetadas para gerar feixes focados intensamente necessários para a manipulação óptica. A equipe do MIT descobriu que, ao criar padrões de fase específicos para cada antena, poderia formar um feixe de luz intensamente focado, que pode ser usado para captura e manipulação óptica a milímetros da superfície do chip.
“Ninguém havia criado pinças ópticas baseadas em fotônica de silício capazes de capturar micropartículas a distâncias de milímetros antes. Isso representa uma melhoria de várias ordens de magnitude em comparação com demonstrações anteriores”, afirma Notaros.
Ao variar o comprimento de onda do sinal óptico que alimenta o chip, os pesquisadores podem direcionar o feixe focado a uma distância maior do que um milímetro e com precisão em escala micrométrica.
Para testar seu dispositivo, os pesquisadores começaram tentando capturar e manipular pequenas esferas de poliestireno. Após obter sucesso, eles passaram a capturar e manipular células cancerígenas fornecidas pelo grupo de Voldman.
“Havia muitos desafios únicos que surgiram no processo de aplicar a fotônica de silício à biofísica”, acrescenta Sneh.
Os pesquisadores tiveram que determinar como rastrear o movimento das partículas de amostra de forma semi-automatizada, estabelecer a força adequada da armadilha para manter as partículas no lugar e processar os dados de maneira eficaz, por exemplo.
No final, eles conseguiram demonstrar os primeiros experimentos com células usando pinças ópticas de feixe único.
A partir desses resultados, a equipe espera refinar o sistema para permitir uma altura focal ajustável para o feixe de luz. Eles também desejam aplicar o dispositivo a diferentes sistemas biológicos e utilizar vários locais de captura ao mesmo tempo para manipular partículas biológicas de maneiras mais complexas.
“Este é um artigo muito criativo e importante de várias maneiras”, diz Ben Miller, Professor de Dermatologia e professor de bioquímica e biofísica da Universidade de Rochester, que não participou deste trabalho. “Em primeiro lugar, dado que chips de fotônica de silício podem ser fabricados a baixo custo, isso potencialmente democratiza os experimentos de manipulação óptica. Isso pode parecer algo que só interessaria a alguns cientistas, mas, na realidade, ter esses sistemas amplamente disponíveis nos permitirá estudar problemas fundamentais na biofísica de células únicas de maneiras que anteriormente estavam disponíveis apenas para alguns laboratórios, devido ao alto custo e à complexidade do equipamento. Também posso imaginar muitas aplicações em que um desses dispositivos (ou possivelmente uma matriz deles) poderia ser usado para melhorar a sensibilidade de diagnósticos de doenças.”
Publicado em 09/10/2024 01h27
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