Conhea a verstil plataforma fludica para processamento

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 22/08/2024

Processador lquido

Um processador pneumtico recentemente comprovou sua utilidade prtica para monitorar um equipamento mdico largamente usado nos hospitais, mostrando que plataformas alternativas de computao podem ser mais do que curiosidades de laboratrio.

Yiyuan Zhang e colegas da Universidade Politcnica de Hong Kong no gostam tanto assim de ar-comprimido, preferindo manipular fluidos em micro e nano-escalas, uma tecnologia conhecida como microfludica, que est na base de diversos testes na rea biomdica.

Mas eles queriam mais do que biochips passivos, e ento lanaram as bases de uma computao baseada em gotas lquidas, criando o prottipo de um processador fludico – um novo tipo de hardware lquido.

Voc no ir querer usar um computador fludico para fazer clculos matemticos, mas sua utilizao to grande quando os campos da biologia, qumica e medicina colocados juntos.

“A civilizao humana depende muito da capacidade de processar lquidos com preciso. A alternncia entre captura e liberao de lquidos desempenha um papel fundamental no manuseio de vrios lquidos, com aplicaes que exigem controle reversvel, espacial e temporalmente preciso, volumetricamente exato e programvel, independentemente dos detalhes das ferramentas slidas empregadas e dos lquidos processados.

“Aqui, apresentamos quadros polidricos conectados para abordar efetivamente esse desafio, adaptando a continuidade do lquido entre os quadros para ditar a captura ou liberao de lquido de quadros individuais, com uma rede geral que facilmente comutvel localmente, dinamicamente e reversivelmente,” escreveu a equipe.

Prottipos de processadores lquidos, com vrios formatos de “bits”.
[Imagem: Yiyuan Zhang et al. – 10.1038/s44286-024-00090-w]

Quadros polidricos conectados

O papel dos transistores no processador fludico feito por estruturas chamadas “quadros polidricos conectados” (QPC).

Hoje, medida que os fluidos interagem com as ferramentas usadas em sua manipulao, eles tipicamente molham e se espalham nos slidos de que essas ferramentas so feitas, impedindo a transferncia completa do lquido, prejudicando a preciso volumtrica e causando contaminao cruzada entre amostras. Para preservar a pureza dos fluidos, plsticos descartveis, como pipetas e microtubos, so amplamente usados, aumentando o custo operacional e a pegada ambiental da indstria.

Os QPCs (quadros polidricos conectados) resolvem esses problemas. So estruturas tridimensionais modulares, compostas por polgonos conectados entre si, formando uma malha. Essa malha pode ser adaptada para criar uma variedade de formas e tamanhos, tornando os QPCs teis para inmeras aplicaes. Ao permitir controlar o fluxo do lquido entre os quadros individuais, eles tornam possvel controlar a captura e a liberao do lquido quadro a quadro, criando uma rede geral comutvel localmente, dinamicamente e reversivelmente.

Demonstrao da manipulao dos fluidos “quadro a quadro”.
[Imagem: Yiyuan Zhang et al. – 10.1038/s44286-024-00090-w]

Comutao fludica

A chave da versatilidade desses transistores fludicos est na comutao reversvel – captura e liberao – dos lquidos, o que permite que os QPCs manipulem os lquidos com preciso e sob demanda, de modo altamente controlvel. O papel de “capturadores” e “liberadores” de lquidos controlado com a colocao de hastes de conexo. Isso possvel porque, quando os QPCs so levantados do lquido, uma pelcula de lquido se forma entre as conexes de haste dupla, criando canais entre os quadros que facilitam a liberao do lquido.

A comutao reversvel entre captura e liberao feita construindo ou quebrando a continuidade lquida entre os quadros. Isso abre muitas possibilidades, como a padronizao programvel em 3D dos lquidos, controle espaotemporal 3D de concentraes de vrios materiais, empacotamento de matrizes lquidas 3D e manipulao em larga escala de vrios lquidos.

E o aparato compatvel com uma ampla gama de lquidos, incluindo – mas no se limitando a – solues aquosas, biofluidos, hidrogis, solventes orgnicos, solues de polmeros e leos. Portanto, uma variedade de biomateriais e produtos qumicos podem ser incorporados nos QPCs para vrias aplicaes.

Demonstrao da captura e liberao do lquido pelo processador.
[Imagem: Yiyuan Zhang et al. – 10.1038/s44286-024-00090-w]

Demonstraes prticas

Para demonstrar a utilidade prtica dos QPCs na liberao controlada de mltiplos frmacos, a equipe construiu uma rede para o padro lquido binrio 3D das vitaminas B2 e B12.

As duas vitaminas – fazendo o papel de dois tipos diferentes de molculas de frmacos – foram encapsuladas em hidrogel de alginato de sdio e goma gelana, respectivamente, e liberadas em soluo aquosa. Ao alterar a espessura da membrana de gel, as taxas de liberao relativas dos dois frmacos podem ser controladas com preciso.

Usando o vrus da gripe como exemplo, a equipe demonstrou tambm a superioridade dessa arquitetura de manipulao de lquidos como ferramenta de amostragem: Quando a concentrao do vrus era baixa, os QPCs detectavam o vrus, o que no foi possvel usando os mtodos tradicionais, que usam cotonetes – alm disso, os cotonetes tradicionais e os cotonetes de flocagem sofrem com problema srios de resduos durante a manipulao; os QPCs evitam isso porque usam apenas interfaces lquido-lquido.

A equipe tambm demonstrou a aplicao da plataforma para o encapsulamento de biomateriais. Tomando o encapsulamento de Acetobacterium como exemplo, os QPCs apresentaram muitas vantagens sobre os dispositivos tradicionais, incluindo a facilidade da separao das bactrias e dos produtos de reao, simplificando o processo de reao microbiana e aumentando a taxa de utilizao das bactrias.

Finalmente, a demonstrao chegou inesperada rea da refrigerao e do ar-condicionado. A equipe criou um prottipo de umidificador em escala comercial, que apresentou uma maior capacidade de armazenamento de gua e menor exigncia de fluxo de gua, tornando-o mais eficiente em termos de energia.

Os QPCs tambm permitem uma disperso de lquido 3D em larga escala para formar uma rea de superfcie maior, tornando-os muito teis para absoro de gs, por exemplo, em um ciclo de CO₂ ideal, que inclui a captura e o armazenamento reutilizao do dixido de carbono.

Demonstrao prtica do hardware lquido para manipulao de bactrias.
[Imagem: Yiyuan Zhang et al. – 10.1038/s44286-024-00090-w]

Meta-metamaterial

No final, o conceito se mostrou mais amplo do que se esperava. Na verdade, essa arquitetura de manipulao e processamento fludico forma uma classe acima dos j conhecidos e super versteis metamateriais: a equipe chama sua estrutura de processamento lquido de “meta-metamaterial”.

Como cada quadro do QPC captura ou libera lquidos independentemente de seus materiais de base, das suas estruturas e dos lquidos manipulados, cria-se um material artificial inovador que torna realidade um sonho considerado impossvel, que os qumicos costumam chamar de “recolher gua com uma cesta de bambu”: mltiplos lquidos so manipulados simultaneamente, de modo totalmente seletivo e programvel – no espao e no tempo – e sem contaminao.

A disponibilidade deste processador fludico define um novo padro para manuseio de lquidos com controlabilidade, versatilidade e alto desempenho, inspirando um novo campo de meta-metamateriais e facilitando novos avanos cientficos e tecnolgicos em vrios campos, diz a equipe.

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