Raio trator para células cabe dentro de um chip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/10/2024

A pinça óptica integrada usa um feixe de luz para capturar e manipular partículas biológicas sem danificar as células.
[Imagem: Sampson Wilcox/RLE]

Pinça óptica para biologia

Ainda não conseguimos capturar naves espaciais - ou aviões e nem nada nessa proporção - mas um novo sistema de manipulação óptica de partículas, agora construído dentro de um chip, consegue aprisionar e mover com precisão partículas biológicas, como células.

Pequeno o suficiente para caber na palma da mão, o dispositivo usa um feixe de luz emitido por um chip de silício para manipular partículas a milímetros de distância da superfície do chip. A luz pode penetrar nas lâminas de vidro transparentes que protegem as amostras usadas em experimentos biológicos, permitindo que as células sejam manipuladas mesmo dentro de um um ambiente estéril.

As pinças ópticas são aparatos bem conhecidos e largamente usados - a invenção das pinças ópticas ganhou o Nobel de Física de 2018. Elas capturam e manipulam partículas usando luz, mas geralmente exigem configurações de microscópio volumosas. Aparatos fotônicos baseados em chip podem oferecer uma solução mais compacta, de fabricação em massa, mais barata e de alto rendimento, disseminando a ferramenta de manipulação óptica para pesquisas em biologia e medicina.

Também já haviam sido criadas pinças ópticas integradas, dentro de chips, mas elas só conseguem capturar e manipular células que estejam muito próximas ou diretamente na superfície do chip. Isso contamina o chip e pode estressar as células, limitando a compatibilidade com os rigores exigidos nos experimentos biológicos.

Esquema do mecanismo de manipulação óptica, que funciona no plano.
[Imagem: Tal Sneh et al. - 10.1038/s41467-024-52273-x]

Matriz de luz

Tal Sneh e colegas do MIT, nos EUA, resolveram essa deficiência usando um sistema chamado matriz óptica em arranjo de fase, um conjunto de diversos emissores de luz, dispostos lado a lado, que podem ser coordenados para gerar um feixe comum, com a grande vantagem de que o controle individual de cada emissor permite controlar o feixe com grande precisão e em tempo real.

Esse feixe de luz foca cerca de 5 milímetros acima da superfície do chip, o que é ao menos 100 vezes mais distante do que os dispositivos existentes. Dessa forma, torna-se possível capturar e manipular partículas biológicas que permanecem dentro de um ambiente estéril, protegendo da contaminação tanto o chip quanto as partículas.

"Ninguém havia criado pinças ópticas baseadas em fotônica de silício capazes de capturar micropartículas em uma distância de escala milimétrica antes. Esta é uma melhoria de várias ordens de magnitude maior em comparação com demonstrações anteriores," disse a professora Jelena Notaros.

A integração oferece uma vantagem imbatível - mas não é um raio trator.
[Imagem: Tal Sneh et al. - 10.1038/s41467-024-52273-x]

Não é raio trator, é pinça óptica

O feixe de luz exerce força graças a uma propriedade chamada pressão de radiação da luz, o mesmo princípio que impulsiona as velas solares no espaço.

As forças exercidas pelo feixe puxam as micropartículas em direção ao centro do foco de luz, efetivamente capturando-as. Ao direcionar o feixe de luz, é possível manipular objetos minúsculos no plano. Assim, embora a equipe chame seu aparato de "raio trator", não se trata de um raio trator de pleno direito, já que ele não puxa as partículas na direção do feixe de luz. O primeiro raio trator óptico foi demonstrado na prática em 2010, em 2012 surgiu um mecanismo capaz de puxar e empurrar nanopartículas usando um único feixe de luz e, em 2014, os raios tratores a laser passaram a puxar, brecar e empurrar partículas.

"Com a fotônica de silício, podemos pegar esse sistema grande, tipicamente em escala de laboratório, e integrá-lo em um chip. Isso representa uma ótima solução para os biólogos, pois isso lhes dá funcionalidade de captura e pinçamento óptico sem a sobrecarga de uma volumosa e complicada configuração óptica," disse Notaros.

Para testar seu dispositivo, os pesquisadores começaram capturando e manipulando pequenas esferas de poliestireno. Como funcionou, eles passaram a trabalhar com células cancerígenas, para demonstrar a viabilidade da ferramenta para estudos biológicos e médicos.

A equipe planeja agora refinar o sistema para permitir uma altura focal ajustável para o feixe de luz. Eles também querem aplicar o dispositivo a diferentes sistemas biológicos e usar múltiplos locais de captura de partículas ao mesmo tempo, para fazer manipulações mais complexas.

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