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

Imagine um teste de diagnóstico que funciona como um pequeno sistema de rio autossuficiente. Durante décadas, a forma mais comum de verificar doenças em casa ou em clínicas remotas tem sido o ensaio de fluxo lateral, a tira familiar que muda de cor quando detecta um vírus ou hormônio. Esses dispositivos são prodígios de simplicidade: uma gota de líquido é colocada em uma extremidade e, naturalmente, ela penetra em uma membrana de papel porosa, carregando produtos químicos consigo até atingir uma linha de teste. Este processo não requer baterias, bombas ou treinamento. No entanto, essa própria simplicidade também é uma limitação. Como o líquido se move em um fluxo único e contínuo, o dispositivo só pode realizar uma etapa de cada vez. Ele não consegue facilmente entregar uma amostra, esperar que ela reaja e, em seguida, introduzir um segundo produto químico para amplificar o sinal. Para obter resultados mais sensíveis, os cientistas frequentemente precisam realizar procedimentos complexos de múltiplas etapas que são difíceis de automatizar em uma tira simples.

Pesquisadores da Universidade do Norte de Illinois e da Universidade de Nevada encontraram uma maneira de superar esse gargalo sem adicionar complexidade. Eles desenvolveram um componente fluido minúsculo e passivo, chamado diodo fluídico, que pode ser inserido no meio de uma tira de teste padrão. Semelhante a um diodo elétrico que permite que a corrente flua em apenas uma direção, este novo dispositivo permite que o líquido flua para frente através do papel, mas impede que ele flua para trás. Ao organizar esses diodos em uma sequência, os pesquisadores criaram um sistema onde diferentes líquidos podem ser entregues um após o outro, em uma ordem precisa, tudo dentro da mesma tira pequena. Esta inovação transforma um teste simples de etapa única em uma ferramenta de diagnóstico sofisticada de múltiplas etapas que permanece tão fácil de usar e fabricar quanto o original.

O núcleo desta invenção é um arranjo inteligente de materiais que guia o líquido usando a tensão superficial em vez de paredes físicas. Em um dispositivo microfluídico tradicional, canais são esculpidos em plástico ou vidro para conter o líquido. Aqui, os pesquisadores construíram uma ponte entre duas almofadas de papel usando uma folha de plástico fina, deixando um pequeno intervalo invisível de ar entre o papel e o plástico. Quando o líquido entra na primeira almofada, ele é atraído através deste intervalo pela atração natural entre a água e as superfícies plásticas, fluindo suavemente para a próxima almofada. No entanto, se alguém tentar empurrar o líquido para trás a partir da segunda almofada, a geometria do dispositivo muda. O líquido encontra uma borda afiada e uma superfície hidrofóbica, ou repelente à água, que atua como uma placa de pare. O líquido fica preso na borda e não consegue atravessar o intervalo no sentido inverso. Este comportamento unidirecional é inteiramente passivo; não requer partes móveis, eletricidade ou controle externo.

Para provar que este conceito funciona, a equipe testou diodos individuais com várias misturas de líquidos. Eles descobriram que, quando o líquido era aplicado na almofada inicial, ele atravessava o intervalo de ar e alcançava a próxima almofada em menos de três segundos. Quando tentaram empurrar o líquido para trás, ele permaneceu no lugar, mantido firmemente pela geometria da válvula de parada, mesmo sob pressão. O dispositivo provou ser robusto o suficiente para lidar com aditivos comuns encontrados em testes médicos, como surfactantes, que são produtos químicos usados para ajudar os líquidos a se espalhar uniformemente. Mesmo com esses aditivos, o líquido fluía rapidamente para frente, mas recusava-se a mover-se para trás, confirmando que o diodo poderia funcionar de forma confiável em condições do mundo real.

O verdadeiro poder desta tecnologia surgiu quando os pesquisadores conectaram vários diodos em uma cadeia. Ao ligá-los, eles criaram um sistema onde o líquido poderia se mover de uma seção para a outra em uma sequência estrita. Nesses conjuntos em cascata, diferentes líquidos coloridos eram introduzidos em momentos diferentes. O primeiro líquido movia-se para frente, depois parava, esperando que o segundo líquido fosse adicionado. O segundo líquido então fluía para frente, empurrando o primeiro sem misturá-los. Isso demonstrou que o dispositivo poderia entregar reagentes em uma ordem específica, uma capacidade que era anteriormente impossível em uma tira de papel padrão sem fabricação complexa ou intervenção do usuário.

Os pesquisadores aplicaram então esta tecnologia a um teste para o SARS-CoV-2, o vírus que causa a COVID-19. Eles construíram uma tira de teste onde a amostra e os produtos químicos de detecção eram mantidos separados até o momento certo. Primeiro, a amostra do paciente era aplicada e fluía até a linha de teste. Em seguida, um segundo líquido contendo os produtos químicos de detecção era adicionado, o qual fluía através do diodo e reagia com a amostra. Este processo de duas etapas permitiu que o teste realizasse uma reação de ligação mais complexa do que uma tira padrão. Os resultados foram impressionantes: o novo teste de duas etapas produziu um sinal duas vezes e meia mais forte do que um teste convencional usando exatamente os mesmos produtos químicos. O sinal mais forte sugere que este método pode detectar o vírus em níveis mais baixos, tornando o teste mais sensível.

Talvez o aspecto mais significativo desta descoberta seja a facilidade com que pode ser feita. O diodo fluídico não requer maquinário caro ou engenharia de precisão. Como o líquido é guiado pelas propriedades superficiais dos materiais em vez de por canais esculpidos, os componentes podem ser montados em camadas planas, tal como o papel, o plástico e o adesivo usados nas tiras de teste atuais. Estas camadas podem ser cortadas em tiras individuais usando as mesmas máquinas de alta velocidade que as fábricas já utilizam. Isso significa que a tecnologia pode ser escalada para produção em massa sem a necessidade de reconstruir toda a infraestrutura de fabricação. Ao transformar uma simples tira de papel em um dispositivo capaz de reações complexas e temporizadas, este trabalho oferece um caminho prático para ferramentas de diagnóstico mais poderosas que permaneçam acessíveis e econômicas para todos.