Surface Directed Flows and Fluidic diodes: Transforming lateral flow assays into multistep diagnostics devices

Immaginate un test diagnostico che funzioni come un piccolo sistema fluviale autosufficiente. Per decenni, il modo più comune per controllare le malattie a casa o in cliniche remote è stato il saggio a flusso laterale, la familiare striscia che cambia colore quando rileva un virus o un ormone. Questi dispositivi sono meraviglie di semplicità: una goccia di liquido viene posta su un'estremità e si inzuppa naturalmente attraverso una membrana di carta porosa, trasportando sostanze chimiche lungo il percorso finché non raggiunge una linea di test. Questo processo non richiede batterie, pompe o formazione specifica. Tuttavia, questa stessa semplicità è anche un limite. Poiché il liquido si muove in un unico flusso continuo, il dispositivo può eseguire solo un passaggio alla volta. Non può facilmente fornire un campione, attendere che reagisca e poi introdurre un secondo componente chimico per amplificare il segnale. Per ottenere risultati più sensibili, gli scienziati devono spesso eseguire procedure multi-fase complesse che sono difficili da automatizzare in una semplice striscia.

Ricercatori della Northern Illinois University e della University of Nevada hanno trovato un modo per superare questo collo di bottiglia senza aggiungere complessità. Hanno sviluppato un componente minuscolo e passivo, chiamato diodo fluidico, che può essere inserito nel mezzo di una normale striscia di test. Molto simile a un diodo elettrico che permette alla corrente di scorrere in una sola direzione, questo nuovo dispositivo permette al liquido di scorrere in avanti attraverso la carta, ma impedisce il flusso all'indietro. Organizzando questi diodi in una sequenza, i ricercatori hanno creato un sistema in cui diversi liquidi possono essere somministrati uno dopo l'altro, in un ordine preciso, tutto all'interno della stessa piccola striscia. Questa innovazione trasforma un semplice test a passaggio singolo in uno strumento diagnostico sofisticato a più fasi, che rimane altrettanto facile da usare e da produrre rispetto alla striscia originale.

Il cuore di questa invenzione è un ingegnoso arrangiamento di materiali che guida il liquido utilizzando la tensione superficiale anziché pareti fisiche. In un tradizionale dispositivo microfluidico, i canali sono incisi nella plastica o nel vetro per contenere il liquido. Qui, i ricercatori hanno costruito un ponte tra due pad di carta utilizzando un sottile foglio di plastica, lasciando un minuscolo spazio d'aria invisibile tra la carta e la plastica. Quando il liquido entra nel primo pad, viene attirato attraverso questo spazio dalla naturale attrazione tra l'acqua e le superfici plastiche, fluendo fluidamente nel pad successivo. Tuttavia, se qualcuno tenta di spingere il liquido all'indietro dal secondo pad, la geometria del dispositivo cambia. Il liquido incontra un bordo netto e una superficie idrofobica, ovvero repellente all'acqua, che funge da segnale di stop. Il liquido rimane bloccato al bordo e non può attraversare lo spazio in senso inverso. Questo comportamento unidirezionale è interamente passivo; non richiede parti in movimento, elettricità o controllo esterno.

Per dimostrare che questo concetto funziona, il team ha testato i singoli diodi con varie miscele di liquidi. Hanno scoperto che, quando il liquido veniva applicato al pad di partenza, attraversava lo spazio d'aria e raggiungeva il pad successivo in meno di tre secondi. Quando hanno cercato di spingere il liquido all'indietro, esso rimaneva fermo, trattenuto saldamente dalla geometria della valvola di arresto, anche sotto pressione. Il dispositivo si è dimostrato abbastanza robusto da gestire comuni additivi presenti nei test medici, come i tensioattivi, ovvero sostanze chimiche utilizzate per aiutare i liquidi a diffondersi uniformemente. Anche con questi additivi, il liquido fluiva in avanti rapidamente, ma rifiutava di muoversi all'indietro, confermando che il diodo poteva funzionare in modo affidabile in condizioni reali.

Il vero potere di questa tecnologia è emerso quando i ricercatori hanno collegato più diodi in serie. Collegandoli, hanno creato un sistema in cui il liquido poteva muoversi da una sezione all'altra in una sequenza rigorosa. In questi assemblaggi a cascata, diversi liquidi colorati venivano introdotti in momenti differenti. Il primo liquido procedeva in avanti, poi si fermava, in attesa che venisse aggiunto il secondo liquido. Il secondo liquido fluiva quindi in avanti, spingendo il primo senza mescolarli tra loro. Ciò ha dimostrato che il dispositivo poteva somministrare i reagenti in un ordine specifico, una capacità precedentemente impossibile in una normale striscia di carta senza una complessa produzione o l'intervento dell'utente.

I ricercatori hanno poi applicato questa tecnologia a un test per il SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19. Hanno costruito una striscia di test in cui il campione e i prodotti chimici di rilevamento venivano mantenuti separati fino al momento opportuno. Per prima cosa, il campione del paziente veniva applicato e fluiva verso la linea di test. Successivamente, veniva aggiunto un secondo liquido contenente i prodotti chimici di rilevamento, che fluiva attraverso il diodo e reagiva con il campione. Questo processo a due fasi ha permesso al test di eseguire una reazione di legame più complessa rispetto a una striscia standard. I risultati sono stati sorprendenti: il nuovo test a due fasi ha prodotto un segnale due volte e mezza più forte rispetto a un test convenzionale utilizzando esattamente gli stessi prodotti chimici. Il segnale più forte suggerisce che questo metodo potrebbe rilevare il virus a livelli più bassi, rendendo il test più sensibile.

Forse l'aspetto più significativo di questa scoperta è la facilità con cui può essere realizzata. Il diodo fluidico non richiede macchinari costosi o ingegneria di precisione. Poiché il liquido è guidato dalle proprietà superficiali dei materiali piuttosto che da canali incisi, i componenti possono essere assemblati in strati piatti, proprio come la carta, la plastica e l'adesivo utilizzati nelle attuali strisce di test. Questi strati possono essere tagliati in singole strisce utilizzando le stesse macchine ad alta velocità già in uso nelle fabbriche. Ciò significa che la tecnologia può essere scalata per la produzione di massa senza dover ricostruire l'intera infrastruttura produttiva. Trasformando una semplice striscia di carta in un dispositivo capace di reazioni temporizzate complesse, questo lavoro offre una via pratica verso strumenti diagnostici più potenti che rimangano accessibili e convenienti per tutti.