Un estudio muestra cómo las ondas sonoras de alta frecuencia podrían revolucionar la química impulsada por ultrasonidos

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Los investigadores han revelado cómo se pueden utilizar ondas sonoras de alta frecuencia para construir nuevos materiales, fabricar nanopartículas inteligentes e incluso administrar medicamentos a los pulmones para vacunas indoloras y sin agujas.

Si bien las ondas sonoras han sido parte de la ciencia y la medicina durante décadas (el ultrasonido se utilizó por primera vez para imágenes clínicas en 1942 y para impulsar reacciones químicas en la década de 1980), las tecnologías siempre se han basado en bajas frecuencias.

Ahora, los investigadores de la Universidad RMIT en Melbourne, Australia, han demostrado cómo las ondas sonoras de alta frecuencia podrían revolucionar el campo de la química impulsada por ultrasonidos.

Una nueva revisión publicada en Ciencia avanzada revela los extraños efectos de estas ondas sonoras en materiales y células, como moléculas que parecen ordenarse espontáneamente después de ser golpeadas con el equivalente sónico de un semirremolque.

Los investigadores también detallan varias aplicaciones interesantes de su trabajo pionero, que incluyen:

  • Entrega de medicamentos a los pulmones: tecnología de nebulización patentada que podría administrar medicamentos y vacunas que salvan vidas por inhalación, en lugar de inyecciones
  • Nanopartículas protectoras de medicamentos: encapsulan medicamentos en nano-revestimientos especiales para protegerlos del deterioro, controlar su liberación con el tiempo y garantizar que se dirijan con precisión a los lugares correctos del cuerpo como tumores o infecciones.
  • Materiales inteligentes innovadores: producción sostenible de nanomateriales superporosos que se pueden utilizar para almacenar, separar, liberar y proteger casi cualquier cosa.
  • Materiales 2D de nanofabricación: exfoliación precisa, rentable y rápida de puntos cuánticos y nanohojas atómicamente delgados

El investigador principal, el profesor distinguido Leslie Yeo, y su equipo han pasado más de una década investigando la interacción de las ondas sonoras a frecuencias superiores a 10 MHz con diferentes materiales.

Pero Yeo dice que recién ahora están comenzando a comprender la gama de fenómenos extraños que a menudo observan en el laboratorio.

Cuando acoplamos ondas sonoras de alta frecuencia en fluidos, materiales y células, los efectos son extraordinarios. “

Leslie Yeo, investigadora principal del estudio, profesora distinguida, RMIT University

“Hemos aprovechado el poder de estas ondas sonoras para desarrollar tecnologías biomédicas innovadoras y sintetizar materiales avanzados.

“Pero nuestros descubrimientos también han cambiado nuestra comprensión fundamental de la química impulsada por ultrasonidos y han revelado lo poco que sabemos realmente.

“Tratar de explicar la ciencia de lo que vemos y luego aplicarlo para resolver problemas prácticos es un desafío grande y emocionante”.

Ondas sónicas: cómo potenciar la química con sonido

El equipo de investigación de RMIT, que incluye al Dr. Amgad Rezk, al Dr. Heba Ahmed y al Dr. Shwathy Ramesan, genera ondas sonoras de alta frecuencia en un microchip para manipular con precisión fluidos o materiales.

El ultrasonido se ha utilizado durante mucho tiempo a bajas frecuencias, alrededor de 10 kHz a 3 MHz, para impulsar reacciones químicas, un campo conocido como “sonoquímica”.

A estas bajas frecuencias, las reacciones sonoquímicas son impulsadas por la violenta implosión de burbujas de aire.

Este proceso, conocido como cavitación, resulta en enormes presiones y temperaturas ultra altas, como una olla a presión diminuta y extremadamente localizada.

Pero resulta que si aumenta la frecuencia, estas reacciones cambian por completo.

Cuando se transmitieron ondas de sonido de alta frecuencia a varios materiales y células, los investigadores vieron un comportamiento que nunca se había observado con ultrasonidos de baja frecuencia.

“Hemos visto moléculas autoordenadas que parecen orientarse en el cristal en la dirección de las ondas sonoras”, dice Yeo.

“Las longitudes de onda del sonido involucradas pueden ser más de 100.000 veces más grandes que una molécula individual, por lo que es increíblemente desconcertante cómo algo tan pequeño puede manipularse con precisión con algo tan grande.

“Es como conducir un camión a través de una dispersión aleatoria de ladrillos Lego, y luego encontrar esas piezas apiladas una encima de la otra, ¡no debería suceder!”

Avances biomédicos

Si bien la cavitación de baja frecuencia a menudo puede destruir moléculas y células, en su mayoría permanecen intactas bajo las ondas sonoras de alta frecuencia.

Esto los hace lo suficientemente suaves para usar en dispositivos biomédicos para manipular biomoléculas y células sin afectar su integridad, la base de las diversas tecnologías de administración de medicamentos patentadas por el equipo de investigación de RMIT.

Uno de estos dispositivos patentados es un nebulizador avanzado barato, liviano y portátil que puede administrar con precisión moléculas grandes como ADN y anticuerpos, a diferencia de los nebulizadores existentes.

Esto abre la posibilidad de vacunas y tratamientos indoloros y sin agujas.

El nebulizador utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para excitar la superficie del fluido o fármaco, generando una fina niebla que puede llevar moléculas biológicas más grandes directamente a los pulmones.

La tecnología del nebulizador también se puede utilizar para encapsular un fármaco en nanopartículas protectoras de polímero, en un proceso de un solo paso que reúne la nanofabricación y la administración de fármacos.

Además, los investigadores han demostrado que irradiar células con ondas sonoras de alta frecuencia permite insertar moléculas terapéuticas en las células sin dañarlas, una técnica que puede utilizarse en terapias emergentes basadas en células.

Materiales inteligentes

El equipo ha utilizado las ondas sonoras para impulsar la cristalización para la producción sostenible de estructuras organometálicas o MOF.

Se predice que serán el material definitorio del siglo XXI, los MOF son ideales para detectar y atrapar sustancias en concentraciones mínimas, para purificar el agua o el aire, y también pueden contener grandes cantidades de energía para fabricar mejores baterías y dispositivos de almacenamiento de energía.

Si bien el proceso convencional para hacer un MOF puede llevar horas o días y requiere el uso de solventes agresivos o procesos energéticos intensivos, el equipo de RMIT ha desarrollado una técnica limpia, impulsada por ondas sonoras que puede producir un MOF personalizado en minutos y puede ser fácilmente Ampliado para una producción en masa eficiente.

Las ondas sonoras también se pueden utilizar para la nano-fabricación de materiales 2D, que se utilizan en innumerables aplicaciones, desde circuitos eléctricos flexibles hasta células solares.

Ampliando y superando los límites

Los próximos pasos del equipo de RMIT se centran en ampliar la tecnología.

A un bajo costo de solo $ 0,70 por dispositivo, los microchips generadores de ondas de sonido se pueden producir utilizando los procesos estándar para la fabricación en masa de chips de silicio para computadoras.

“Esto abre la posibilidad de producir cantidades industriales de materiales con estas ondas de sonido a través de una paralelización masiva, utilizando miles de nuestros chips simultáneamente”, dijo Yeo.

El equipo del Laboratorio de Investigación de Micro / Nanofísica, en la Escuela de Ingeniería de RMIT, es uno de los pocos grupos de investigación en el mundo que reúne ondas de sonido de alta frecuencia, microfluidos y materiales.

Yeo dice que la investigación desafía las teorías de la física de larga data, abriendo un nuevo campo de “excitación de alta frecuencia” en paralelo a la sonoquímica.

“Las teorías clásicas establecidas desde mediados del siglo XIX no siempre explican el comportamiento extraño y, a veces, contradictorio que vemos; estamos superando los límites de nuestra comprensión”.

Fuente:

Referencia de la revista:

Rezk, AR, et al. (2020) Sonoprocesamiento de alta frecuencia: un nuevo campo de síntesis, procesamiento y manipulación de materiales acústicos sin cavitación. Ciencia avanzada. doi.org/10.1002/advs.202001983.

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