Pesquisadores do MIT desenvolveram um “raio trator” em miniatura, baseado em um chip, como o que captura a Millennium Falcon no filme “Guerra nas Estrelas”, que poderá um dia ajudar biólogos e clínicos a estudar o DNA, classificar células e investigar os mecanismos de doenças.
Pequeno o suficiente para caber na palma da mão, o dispositivo usa um feixe de luz emitido por um chip de silício-fotônica para manipular partículas a milímetros de distância da superfície do chip. A luz pode penetrar nas lamelas de vidro que protegem as amostras usadas em experimentos biológicos, permitindo que as células permaneçam em um ambiente estéril.
As pinças ópticas tradicionais, que prendem e manipulam partículas usando luz, geralmente exigem configurações de microscópio volumosas, mas as pinças ópticas baseadas em chips poderiam oferecer uma solução mais compacta, fabricável em massa, amplamente acessível e de alto rendimento para manipulação óptica em experimentos biológicos.
Entretanto, outras pinças ópticas integradas semelhantes só podem 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 experimentos biológicos padrão.
Usando um sistema chamado de phased array óptico integrado, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma nova modalidade para pinças ópticas integradas que permite a captura e a pinça de células mais de cem vezes mais distantes da superfície do chip.
“Esse trabalho abre novas possibilidades para as pinças ópticas baseadas em chips, permitindo a captura e a pinça de células a distâncias muito maiores do que as demonstradas anteriormente. É empolgante pensar nas diferentes aplicações que podem ser viabilizadas por essa tecnologia”, diz Jelena Notaros, professora de Desenvolvimento de Carreira de Robert J. Shillman em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e membro do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica.
Junto com Notaros no artigo estão o autor principal e estudante de pós-graduação da EECS, Tal Sneh; Sabrina Corsetti, estudante de pós-graduação da EECS; Milica Notaros, PhD ’23; Kruthika Kikkeri, PhD ’24; e Joel Voldman, Professor William R. Brody da EECS. A pesquisa foi publicada na Nature Communications.
Uma nova modalidade de armadilha
As armadilhas e pinças ópticas usam um feixe de luz focalizado para capturar e manipular partículas minúsculas. As forças exercidas pelo feixe puxam as micropartículas em direção à luz intensamente focalizada no centro, capturando-as. Ao direcionar o feixe de luz, os pesquisadores podem puxar as micropartículas com ele, o que lhes permite manipular objetos minúsculos usando forças sem contato.
Entretanto, as pinças ópticas tradicionalmente exigem uma grande configuração de microscópio em um laboratório, bem como vários dispositivos para formar e controlar a luz, o que limita onde e como elas podem ser utilizadas.
“Com a fotônica de silício, podemos pegar esse sistema grande, normalmente em escala de laboratório, e integrá-lo em um chip. Isso representa uma excelente solução para os biólogos, pois oferece a eles a funcionalidade de aprisionamento e pinçamento óptico sem a sobrecarga de uma complicada configuração óptica em massa”, diz Notaros.
No entanto, até o momento, as pinças ópticas baseadas em chips só eram capazes de emitir luz muito perto da superfície do chip, de modo que esses dispositivos anteriores só podiam capturar partículas a alguns mícrons da superfície do chip. Em geral, as amostras biológicas são mantidas em ambientes estéreis usando lamínulas de vidro com cerca de 150 mícrons de espessura, de modo que a única maneira de manipulá-las com um chip desse tipo é retirar as células e colocá-las em sua superfície.
No entanto, isso leva à contaminação do chip. Toda vez que um novo experimento é realizado, o chip precisa ser jogado fora e as células precisam ser colocadas em um novo chip.
Para superar esses desafios, os pesquisadores do MIT desenvolveram um chip fotônico de silício que emite um feixe de luz que se concentra cerca de 5 milímetros acima de sua superfície. Dessa forma, eles podem capturar e manipular partículas biológicas que permanecem dentro de uma capa estéril, protegendo o chip e as partículas contra contaminação.
Manipulação da luz
Os pesquisadores conseguem isso usando um sistema chamado de phased array óptico integrado. Essa tecnologia envolve uma série de antenas em microescala fabricadas em um chip usando processos de fabricação de semicondutores. Ao controlar eletronicamente o sinal óptico emitido por cada antena, os pesquisadores podem moldar e direcionar o feixe de luz emitido pelo chip.
Motivados por aplicações de longo alcance, como o lidar, a maioria dos phased arrays ópticos integrados anteriores não foi projetada para gerar os feixes com foco preciso necessários para a pinça óptica. A equipe do MIT descobriu que, com a criação de padrões de fase específicos para cada antena, era possível formar um feixe de luz intensamente focalizado, que pode ser usado para captura óptica e pinça a milímetros da superfície do chip.
“Ninguém havia criado pinças ópticas baseadas em fotônica de silício capazes de prender micropartículas a uma distância de milímetros. Isso representa um aprimoramento 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 puderam direcionar o feixe focalizado em uma faixa maior que um milímetro e com precisão em microescala.
Para testar seu dispositivo, os pesquisadores começaram tentando capturar e manipular minúsculas esferas de poliestireno. Depois de obterem sucesso, eles passaram a capturar e a pinçar células de câncer fornecidas pelo grupo de Voldman.
“Houve muitos desafios exclusivos que surgiram no processo de aplicação da fotônica de silício à biofísica”, acrescenta Sneh.
Os pesquisadores tiveram que determinar como rastrear o movimento das partículas da amostra de forma semiautomatizada, determinar a força adequada da armadilha para manter as partículas no lugar e pós-processar os dados com eficiência, por exemplo.
No final, eles conseguiram mostrar os primeiros experimentos celulares com pinças ópticas de feixe único.
Com base nesses resultados, a equipe espera aperfeiçoar 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 vários locais de captura ao mesmo tempo para manipular partículas biológicas de maneiras mais complexas.
“Esse é um artigo muito criativo e importante em vários aspectos”, diz Ben Miller, professor de Dermatologia do Reitor e professor de Bioquímica e Biofísica da Universidade de Rochester, que não participou desse trabalho. “Por um lado, como os chips fotônicos de silício podem ser fabricados a baixo custo, isso pode democratizar os experimentos de pinça óptica. Isso pode parecer algo que só interessaria a alguns cientistas, mas, na realidade, ter esses sistemas amplamente disponíveis nos permitirá estudar problemas fundamentais da biofísica de célula única de maneiras que antes só estavam disponíveis para alguns laboratórios, devido ao alto custo e à complexidade da instrumentação. Também posso imaginar muitas aplicações em que um desses dispositivos (ou possivelmente um conjunto deles) poderia ser usado para melhorar a sensibilidade do diagnóstico de doenças.”
Essa pesquisa foi financiada pela National Science Foundation (NSF), por uma bolsa de estudos do MIT para Frederick e Barbara Cronin e pela MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship.
Reproduzido com permissão do MIT News.
