Nanorørskov i en mikrofluidisk kanal kan hjælpe med at opdage sjældne proteiner og vira

Ingeniører ved MIT har udtænkt en ny teknik til at fange molekyler, der er svære at opdage, ved hjælp af skove af kulstof nanorør.

Holdet modificerede en simpel mikrofluidisk kanal med en række lodret justerede kulstofnanorør - rullede gitter af kulstofatomer, der ligner små rør af kyllingetråd. Forskerne havde tidligere udtænkt en metode til at stille kulstof nanorør på deres ender, som træer i en skov. Med denne metode, de skabte en tredimensionel række af permeable kulstofnanorør i en mikrofluidisk enhed, som væske kan strømme igennem.

Nu, i en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Journal of Microengineering and Nanotechnology , forskerne har givet nanorør-arrayet muligheden for at fange visse partikler. At gøre dette, holdet dækkede arrayet, lag for lag, med polymerer af vekslende elektrisk ladning.

"Du kan tænke på hvert nanorør i skoven som værende koncentrisk belagt med forskellige lag polymer, " siger Brian Wardle, professor i luftfart og astronautik ved MIT. "Hvis du tegnede det i tværsnit, det ville være som ringe på et træ."

Afhængigt af antallet af aflejrede lag, forskerne kan skabe tykkere eller tyndere nanorør og derved skræddersy skovens porøsitet til at fange større eller mindre partikler af interesse.

Nanorørets polymerbelægning kan også manipuleres kemisk til at binde specifikke biopartikler, der strømmer gennem skoven. For at teste denne idé, forskerne anvendte en etableret teknik til at behandle overfladen af ​​nanorørene med antistoffer, der binder til prostataspecifikt antigen (PSA), et fælles forsøgsmål. De polymer-coatede arrays fangede 40 procent flere antigener, sammenlignet med arrays, der mangler polymerbelægningen.

Wardle siger, at kombinationen af ​​kulstofnanorør og flerlagsbelægninger kan hjælpe med at finjustere mikrofluidiske enheder til at fange ekstremt små og sjældne partikler, såsom visse vira og proteiner.

"Der er mindre biopartikler, der indeholder meget rige mængder af information, som vi i øjeblikket ikke har mulighed for at få adgang til i point-of-care [medicinske test]-enheder som mikrofluidchips, " siger Wardle, som er medforfatter på papiret. "Carbon nanorør-arrays kunne faktisk være en platform, der kunne målrette den størrelse af biopartikler."

Avisens hovedforfatter er Allison Yost, en tidligere kandidatstuderende, der i øjeblikket er ingeniør hos Accion Systems. Andre på papiret omfatter kandidatstuderende Setareh Shahsavari; postdoc Roberta Polak; School of Engineering Professor i undervisningsinnovation Gareth McKinley; professor i materialevidenskab og teknik Michael Rubner, og Raymond A. og Helen E. St. Laurent professor i kemiteknik Robert Cohen.

En porøs skov

Kulstof nanorør har været genstand for intense videnskabelige undersøgelser, da de har enestående elektriske, mekanisk, og optiske egenskaber. Mens deres anvendelse i mikrofluidik ikke er blevet godt undersøgt, Wardle siger, at kulstofnanorør er en ideel platform, fordi deres egenskaber kan manipuleres for at tiltrække visse nanometerstore molekyler. Derudover kulstof nanorør er 99 procent porøse, hvilket betyder, at et nanorør er omkring 1 procent kulstof og 99 procent luft.

"Hvilket er hvad du har brug for, " siger Wardle. "Du er nødt til at strømme mængder af væske gennem dette materiale for at kaste alle de millioner af partikler, du ikke ønsker at finde, og få fat i den, du gerne vil finde."

Hvad mere er, Wardle siger, en tredimensionel skov af kulstofnanorør ville give meget mere overfladeareal, hvorpå målmolekyler kan interagere, sammenlignet med de todimensionelle overflader i konventionel mikrofluidik.

"Fangsteffektiviteten vil skalere med overfladeareal, " Wardle noter.

En alsidig række

Holdet integrerede en tredimensionel række af kulstofnanorør i en mikrofluidisk enhed ved at bruge kemisk dampaflejring og fotolitografi til at dyrke og mønstre kulstofnanorør på siliciumwafere. De grupperede derefter nanorørene i en cylinderformet skov, måler omkring 50 mikrometer høj og 1 millimeter bred, og centrerede arrayet inden for en 3 millimeter bred, 7 millimeter lang mikrofluidisk kanal.

Forskerne belagde nanorørene i på hinanden følgende lag af skiftevis ladede polymeropløsninger for at skabe distinkte, bindende lag omkring hvert nanorør. For at gøre det, de flød hver opløsning gennem kanalen og fandt ud af, at de var i stand til at skabe en mere ensartet belægning med et mellemrum mellem toppen af ​​nanorørskoven og kanalens tag. Et sådant hul tillod løsninger at flyde over, så ned i skoven, belægning af hvert enkelt nanorør. I mangel af et hul, løsninger flød simpelthen rundt i skoven, belægning kun de ydre nanorør.

Efter belægning af nanorør-arrayet i lag af polymeropløsning, 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, elektrisk, 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."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.