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Crédito: Sampson Wilcox, RLE

2024-10-07

Ingenieros del MIT crean un rayo tractor basado en chip para partículas biológicas


Los investigadores del MIT han desarrollado un “rayo tractor” en miniatura basado en un chip, como el que captura al Halcón Milenario  en la película “La Guerra de las Galaxias”, que algún día podría ayudar a biólogos y médicos a estudiar el ADN, clasificar células e investigar los mecanismos de las enfermedades.

Este dispositivo, tan pequeño que cabe en la palma de la mano, utiliza un haz de luz emitido por un chip fotónico de silicio para manipular partículas a milímetros de la superficie del chip. La luz puede penetrar los cubreobjetos de vidrio que protegen las muestras utilizadas en experimentos biológicos, lo que permite que las células permanezcan en un entorno estéril.

Las pinzas ópticas tradicionales, que atrapan y manipulan partículas mediante luz, generalmente requieren configuraciones de microscopio voluminosas, pero las pinzas ópticas basadas en chips podrían ofrecer una solución más compacta, de fabricación masiva, ampliamente accesible y de alto rendimiento para la manipulación óptica en experimentos biológicos.

Sin embargo, otras pinzas ópticas integradas similares solo pueden capturar y manipular células que se encuentran muy cerca o directamente sobre la superficie del chip, lo que contamina el chip y puede estresar las células, lo que limita la compatibilidad con los experimentos biológicos estándar.

Utilizando un sistema llamado matriz óptica en fase integrada, los investigadores del MIT han desarrollado una nueva modalidad de pinzas ópticas integradas que permite atrapar y pinzar células a más de cien veces más distancia de la superficie del chip.

"Este trabajo abre nuevas posibilidades para las pinzas ópticas basadas en chips, ya que permiten atrapar y pinzar células a distancias mucho mayores que las demostradas anteriormente. Es emocionante pensar en las diferentes aplicaciones que podría permitir esta tecnología", afirma Jelena Notaros, profesora de Desarrollo Profesional Robert J. Shillman en Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica.

Junto a Notaros en el artículo están el autor principal y estudiante de posgrado de la EECS Tal Sneh; Sabrina Corsetti, una estudiante de posgrado de la EECS; Milica Notaros, doctora en el ´23; Kruthika Kikkeri, doctora en el ´24; y Joel Voldman, profesor William R. Brody de la EECS. La investigación aparece hoy en Nature Communications.

Una nueva modalidad de captura

Las pinzas y trampas ópticas utilizan un haz de luz enfocado para capturar y manipular partículas diminutas. Las fuerzas ejercidas por el haz atraerán las micropartículas hacia la luz intensamente enfocada en el centro, capturándolas. Al dirigir el haz de luz, los investigadores pueden arrastrar las micropartículas junto con él, lo que les permite manipular objetos diminutos utilizando fuerzas sin contacto.

Sin embargo, las pinzas ópticas tradicionalmente requieren un microscopio de gran tamaño en un laboratorio, así como múltiples dispositivos para formar y controlar la luz, lo que limita dónde y cómo se pueden utilizar.

“Con la fotónica de silicio, podemos tomar este gran sistema, normalmente a escala de laboratorio, e integrarlo en un chip. Esto representa una gran solución para los biólogos, ya que les proporciona la funcionalidad de captura y captura óptica sin la sobrecarga de una configuración óptica compleja”, afirma Notaros.

Pero hasta ahora, las pinzas ópticas basadas en chips solo han sido capaces de emitir luz muy cerca de la superficie del chip, por lo que estos dispositivos anteriores solo podían capturar partículas a unas pocas micras de la superficie del chip. Las muestras biológicas se suelen conservar en entornos estériles utilizando cubreobjetos de vidrio de unos 150 micras de espesor, por lo que la única forma de manipularlas con un chip de este tipo es sacar las células y colocarlas sobre su superficie.

Sin embargo, esto provoca la contaminación del chip. Cada vez que se realiza un nuevo experimento, el chip debe desecharse y las células deben colocarse en un chip nuevo.

Para superar estos retos, los investigadores del MIT desarrollaron un chip fotónico de silicio que emite un haz de luz que se concentra a unos 5 milímetros por encima de su superficie. De esta forma, pueden capturar y manipular partículas biológicas que permanecen dentro de un cubreobjetos estéril, protegiendo tanto al chip como a las partículas de la contaminación.

Manipulando la luz

Los investigadores logran esto utilizando un sistema llamado matriz óptica en fase integrada. Esta tecnología implica una serie de antenas a microescala fabricadas en un chip mediante procesos de fabricación de semiconductores. Al controlar electrónicamente la señal óptica emitida por cada antena, los investigadores pueden dar forma y dirigir el haz de luz emitido por el chip.

La mayoría de los sistemas de antenas en fase integrados anteriores, motivados por aplicaciones de largo alcance como el lidar, no estaban diseñados para generar los haces de luz muy concentrados necesarios para el pinzado óptico. El equipo del MIT descubrió que, al crear patrones de fase específicos para cada antena, podían formar un haz de luz intensamente concentrado, que se puede utilizar para el atrapamiento óptico y el pinzado a milímetros de la superficie del chip.

“Nadie había creado antes pinzas ópticas basadas en fotónica de silicio capaces de atrapar micropartículas a una distancia de escala milimétrica. Esto supone una mejora de varios órdenes de magnitud en comparación con las demostraciones anteriores”, afirma Notaros.

Al variar la longitud de onda de la señal óptica que alimenta el chip, los investigadores pudieron dirigir el haz enfocado en un rango mayor a un milímetro y con precisión de microescala.

Para probar su dispositivo, los investigadores comenzaron por intentar capturar y manipular pequeñas esferas de poliestireno. Una vez que lo lograron, pasaron a atrapar y extraer con pinzas células cancerosas proporcionadas por el grupo de Voldman.

“Hubo muchos desafíos únicos que surgieron en el proceso de aplicación de la fotónica de silicio a la biofísica”, agrega Sneh.

Los investigadores tuvieron que determinar cómo rastrear el movimiento de partículas de muestra de manera semiautomática, determinar la fuerza de trampa adecuada para mantener las partículas en su lugar y posprocesar datos de manera efectiva, por ejemplo.

Al final, pudieron mostrar los primeros experimentos celulares con pinzas ópticas de un solo haz.

A partir de estos resultados, el equipo espera perfeccionar el sistema para permitir una altura focal ajustable para el haz de luz. También quieren aplicar el dispositivo a diferentes sistemas biológicos y utilizar múltiples sitios de trampa al mismo tiempo para manipular partículas biológicas de formas más complejas.

“Este es un artículo muy creativo e importante en muchos sentidos”, afirma Ben Miller, catedrático de Dermatología y profesor de Bioquímica y Biofísica en la Universidad de Rochester, que no participó en este trabajo. “Por un lado, dado que los chips fotónicos de silicio se pueden fabricar a bajo coste, esto podría democratizar los experimentos de pinzas ópticas. Puede parecer algo que sólo interesaría a unos pocos científicos, pero en realidad, tener estos sistemas ampliamente disponibles nos permitirá estudiar problemas fundamentales en la biofísica de células individuales de formas que antes sólo estaban al alcance de unos pocos laboratorios, dado el alto coste y la complejidad de la instrumentación. También puedo imaginar muchas aplicaciones en las que uno de estos dispositivos (o posiblemente una serie de ellos) podría utilizarse para mejorar la sensibilidad del diagnóstico de enfermedades”.

Esta investigación está financiada por la National Science Foundation (NSF), una beca Frederick y Barbara Cronin del MIT y la beca Rolf G. Locher del MIT.

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