Uusi menetelmä tehostaa nanohiukkasten hallintaa ja erottelua – lupaava työkalu lääketieteelliseen tutkimukseen

Nanokokoisten hiukkasten erottelu on biotekniikassa sitkeä ongelma. Kun hiukkasten koko putoaa alle muutaman sadan nanometrin, niiden käyttäytymistä alkaa hallita diffuusio eli hiukkasten satunnainen liike. Tällöin niihin kohdistuvat ohjaavat voimat heikkenevät ja erotustarkkuus romahtaa.

Oulun yliopiston professori Caglar Elbukenin johtama mikrofluidiikan tutkimusryhmä yhdessä professori Seppo Vainion johtaman tutkijatiimin kanssa on kehittänyt tähän ongelmaan uuden ratkaisun. Menetelmä parantaa merkittävästi sekä pienten synteettisten partikkelien että elävien solujen erittämien nanokokoisten rakkuloiden eli vesikkelien erottelua ja puhdistamista.

Hiukkasten erottelu on tärkeää, koska monet biologiset ilmiöt tapahtuvat juuri nanomittakaavassa. Biologisista näytteistä eristetyt solujen erittämät nanovesikkelit voivat paljastaa varhaisia muutoksia elimistössä. Jos näytteen komponentteja ei saada eroteltua riittävästi, arvokas tieto saattaa jäädä havaitsematta. Tehokas ja hellävarainen puhdistusmenetelmä on siten olennaista sekä perustutkimuksen että nanotasolla tapahtuvan diagnostiikan edistämisen kannalta.

Uudessa menetelmässä tutkijat yhdistivät kaksi fysikaalista ilmiötä: elektroforeettisen slip-ilmiön tuottaman nostovoiman ja viskoelastisessa nesteessä syntyvät poikittaisvoimat. Slip-ilmiössä sähkö ei vedä hiukkasta suoraan, vaan saa hiukkasta ympäröivän nesteen liikkeelle. Viskoelastinen neste käyttäytyy osittain kuten tavallinen neste ja osittain kuin elastinen materiaali, minkä ansiosta hiukkasiin kohdistuu poikittaisia voimia, joita ei synny vesipohjaisissa liuoksissa.

Tutkimus on vastikään julkaistu arvostetussa Analytical Chemistry -tiedelehdessä. Artikkelin pääkirjoittaja, Oulun yliopiston väitöskirjatutkija Seyedamirhosein Abdorahimzadeh kuvaa työn merkitystä:

"Nanopartikkelien hallittu erottelu on keskeistä sekä biologisessa tutkimuksessa että monissa kliinisissä sovelluksissa, mutta nykyiset menetelmät ovat usein hitaita, monimutkaisia tai epäluotettavia. Kehittämämme erottelu- ja puhdistusmenetelmä mahdollistaa yllättävän tehokkaan hiukkasten erottelun tavallisessa mikrokanavassa. Aiemmin näin pieniä hiukkasia varten on pitänyt käyttää nanokanavia, jotka tukkeutuvat helposti ja vaativat toimiakseen suuria paineita. Uusi menetelmä on aiempaan verrattuna nopeampi, tarkempi ja helpommin skaalattava."

Tutkimuksessa osoitettiin, että menetelmä parantaa polystyreenipartikkelien erottelua ja puhtautta selvästi, noin 30–50 prosenttia. Polystyreenihiukkasia käytetään tutkimuksissa usein mallihiukkasina, koska niiden koko, muoto ja pintaominaisuudet voidaan valmistaa hyvin tarkasti. Tämä tekee niistä ihanteellisen testimateriaalin erilaisille erotustekniikoille, kuten mikrofluidiikassa käytettäville menetelmille. Tutkimuksessa onnistuttiin parantamaan myös solujen erittämien vesikkelien puhtautta, joka koheni yli viidenneksellä, mikä on merkittävä lisäys näin pienessä mittakaavassa.

Tutkijoiden mukaan menetelmää voidaan hyödyntää tulevaisuudessa esimerkiksi verinäytteiden analytiikassa, syöpätutkimuksessa, solujen viestinnän selvittämisessä ja nanolääketieteessä laajemminkin.

Tutkimus on osa Abdorahimzadehin väitöskirjaa, joka tarkastelee elektroviskoelastisia ja elektroinertiaalisia menetelmiä mikro- ja nanoskaalan hiukkasten hallinnassa ja erottelussa. Hän puolustaa väitöskirjaansa perjantaina 13. helmikuuta Oulun yliopistossa. Lisätietoja Abdorahimzadehin väitöstilaisuudesta

Tutkimusartikkeli: Seyedamirhosein Abdorahimzadeh, Zikrullah Bölükkaya, Éva Bozó, Artem Zhyvolozhnyi, Anatoliy Samoylenko, Feby W. Pratiwi, Henrikki Liimatainen, Seppo J. Vainio, and Caglar Elbuken. Microfluidic Electro-Viscoelastic Separation of Submicron Particles and Extracellular Vesicles. Analytical Chemistry, February 6, 2026. DOI: 10.1021/acs.analchem.5c06727

Tutkimus tukee Suomen Akatemian rahoittaman GeneCellNano-lippulaivan tavoitteita.