Experimental Investigation of Surface Passivation Chemistries for Optical Nanotweezers

Resumen Técnico: Investigación Experimental de Químicas de Pasivación de Superficie para Nanotráperas Ópticas

Planteamiento del Problema
Las nanotráperas, particularmente las basadas en oro para procesos plasmónicos y las trépidas electrohidrodinámicas interferométricas (IET), ofrecen capacidades transformadoras para el atrapamiento, la manipulación y la caracterización reversible de entidades biológicas y sintéticas a escala nanométrica. Sin embargo, una barrera crítica para su funcionamiento robusto y su reutilización es la adsorción no específica (ensuciamiento o fouling) de nanopartículas en la superficie del dispositivo. Este ensuciamiento conduce a la adhesión irreversible de partículas, lo que impide la liberación de las partículas objetivo y hace que los chips sean inutilizables tras un solo experimento. Si bien se suelen añadir surfactantes a las soluciones de atrapamiento para mitigar esto, estos no abordan la química de superficie del propio dispositivo y pueden afectar negativamente a las muestras biológicas sensibles. Además, las estrategias de pasivación existentes suelen carecer de estabilidad (por ejemplo, la degradación oxidativa del poli(etilenglicol)) o están limitadas a rangos de pH específicos. Existe la necesidad de métodos de pasivación de superficie versátiles y estables que puedan adaptarse a tipos de partículas específicos (por ejemplo, nanopartículas de poliestireno frente a vesículas extracelulares) para permitir la clasificación y caracterización de alto rendimiento sin marcadores.

Metodología
Los autores investigaron las propiedades antifouling de las capas de pasivación de superficie sintetizadas directamente sobre dispositivos IET basados en oro mediante la Polimerización Radicalaria por Transferencia de Átomos (ATRP). El estudio se centró en tres químicas de superficie principales:

1. Control no pasivado: Dispositivos IET de oro desnudo.
2. Ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA): Una monocapa autoensamblada (SAM) con un grupo de cabeza de tiol y un grupo terminal de carboxilo, que sirve como punto de referencia convencional.
3. Poli(estireno sulfato de sodio) (PSS): Un polímero multicapa crecido mediante ATRP utilizando un iniciador basado en tiol (2-bromo-2-metilpropanoato de 11-mercaptoundecilo) sobre la superficie de oro.
4. Poli(metacriloxietil fosforilcolina) (PMPC): Un polímero zwitteriónico crecido también mediante ATRP, utilizado específicamente para estudios de vesículas extracelulares (EV).

Los dispositivos IET contaban con una película de oro con un arreglo de agujeros de 15 µm y un electrodo de óxido de indio y estaño (ITO), utilizando flujo electroosmótico de corriente alterna (ACEO) para atrapar partículas. El rendimiento antifouling se evaluó mediante:

• Imagen de fluorescencia: Para rastrear el atrapamiento y la liberación de perlas de poliestireno fluorescentes de 100 nm (carga negativa, potencial zeta ~ -40 mV) durante 40 minutos.
• Imagen de dispersión interferométrica (ISCAT): Para realizar el cribado sin marcadores de vesículas extracelulares (EV) para evaluar la adhesión y la liberación.
• Caracterización de superficie: Las mediciones del ángulo de contacto y la espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada (ATR-FTIR) se utilizaron para confirmar la hidrofilia de la superficie y la presencia química de las capas de pasivación.

Contribuciones Clave

• Integración de ATRP: El artículo demuestra la aplicación exitosa de la ATRP para el crecimiento de cepillos poliméricos funcionales (PSS y PMPC) directamente sobre sustratos de nanotráperas basadas en oro, proporcionando una vía versátil hacia interfaces antifouling universales.
• Análisis Comparativo: El estudio compara sistemáticamente la eficacia antifouling de la PSS crecida por ATRP frente a las SAM de MUA tradicionales y la PMPC zwitteriónica a través de diferentes tipos de partículas.
• Ingeniería de Superficie Modular: Los autores destacan la flexibilidad del enfoque ATRP, donde el grupo de cabeza (tiol para el oro) y el grupo terminal (sulfonato para PSS, fosforilcolina para PMPC) pueden seleccionarse independientemente para coincidir con los requisitos del sustrato y las características de la partícula objetivo.

Resultados

• Dispositivos no pasivados: En los dispositivos IET no pasivados, las perlas de poliestireno se adhirieron espontáneamente a la superficie en 27 minutos debido a las fuerzas de Van der Waals, reduciendo significativamente la tasa de recuperación de las partículas.
• Rendimiento de MUA: La pasivación con MUA redujo significativamente el ensuciamiento de poliestireno (solo cuatro partículas se adhirieron en el campo de visión después de 40 minutos) en comparación con el control no pasivado. Esto se atribuyó a la alta densidad de empaquetamiento de la SAM y a la repulsión electrostática de los grupos carboxilo desprotonados a pH 7. Sin embargo, el análisis del ángulo de contacto confirmó la hidrofilia de MUA, y los autores señalan que su efectividad es limitada a un rango de pH estrecho.
• Rendimiento de PSS: La capa de PSS crecida por ATRP demostró un rendimiento antifouling superior contra las perlas de poliestireno en comparación con la MUA. Después de 40 minutos, solo una partícula permaneció adherida, y notablemente, estaba unida a una región del sustrato expuesta en lugar de a la película de oro pasivada. Los autores atribuyen esto a las múltiples capas de grupos de estireno sulfonato con carga negativa que proporcionan una mayor repulsión electrostática.
• Antifouling de EV (PSS vs. PMPC): Para las vesículas extracelulares, tanto la PSS como la PMPC zwitteriónica exhibieron características antifouling de alto rendimiento similares, reduciendo significativamente la adhesión en comparación con los dispositivos no pasivados. Los autores sugieren que la efectividad de la PSS contra las EV se debe a su naturaleza hidrofílica y a la fuerza repulsiva de sus grupos de sulfato multicapa, comparable al mecanismo de la capa de hidratación de la PMPC zwitteriónica.
• Caracterización: Los espectros de FTIR confirmaron la presencia de bandas características de MUA (estiramiento C=O y C-H), PSS y PMPC. Las mediciones del ángulo de contacto mostraron una caída significativa de la hidrofobicidad (de ~69° a <35°) tras la pasivación con MUA, confirmando la formación de una superficie hidrofílica.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que la técnica ATRP ofrece un método ampliamente aplicable y versátil para pasivar sustratos de nanotráperas. Al permitir el crecimiento de cepillos poliméricos multicapa y adaptados, este enfoque permite el ajuste preciso de la hidrofilia de la superficie y la carga para coincidir con necesidades experimentales específicas. El estudio establece que la PSS es una alternativa superior a la MUA para nanopartículas de poliestireno con carga negativa y que actúa de manera equivalente a la PMPC zwitteriónica para vesículas extracelulares.

Los autores aseveran que esta metodología se extiende más allá de la plataforma IET específica; con los iniciadores apropiados (por ejemplo, silanos para silicio, fosfatos para el óxido de indio y estaño), esta estrategia de pasivación basada en ATRP puede transferirse a una amplia gama de sustratos de nanotráperas y de biosensado. Esta versatilidad facilita el atrapamiento y la liberación reversibles de diversas nanopartículas, permitiendo así la manipulación y caracterización a nanoescala robusta y de alto rendimiento sin las limitaciones de las soluciones basadas en surfactantes o las SAM de una sola capa.