Lydbølger erstatter menneskelige hænder i petriskål-eksperimenter

Mekaniske ingeniører ved Duke University har demonstreret et sæt prototyper til at manipulere partikler og celler i en petriskål ved hjælp af lydbølger. Enhederne, kendt i det videnskabelige samfund som "akustisk pincet, "er det første forsøg på at lave disse typer værktøjer, som hidtil er blevet henvist til laboratorier med specifikt udstyr og ekspertise, tilgængelig til brug i en bred vifte af indstillinger.

Avisen, der beskriver teknologien, vises online den 9. september i tidsskriftet Videnskabens fremskridt .

Akustisk pincet er en kraftfuld, alsidigt sæt værktøjer, der bruger lydbølger til at manipulere biopartikler lige fra nanometer-størrelse ekstracellulære vesikler til millimeter-størrelse multicellulære organismer. I løbet af de sidste årtier har akustiske pincets muligheder er udvidet fra forenklet partikelfangning til præcis rotation og translation af celler og organismer i tre dimensioner.

"De seneste fremskridt har ført til mange avancerede, alsidige værktøjer, sagde Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science, som har arbejdet inden for området i mere end et årti. "Imidlertid, i sidste ende, dette felts succes afhænger af, om slutbrugere såsom biologer, kemikere eller klinikere er villige til at adoptere denne teknologi eller ej. Dette papir demonstrerer et skridt hen imod en meget venligere arbejdsgang for at gøre det nemmere for slutbrugere at anvende denne teknologi."

I deres første ansøgning, en akustisk pincet brugte lydbølger genereret fra modsatte sider af en mikrofluidisk chip eller kammer til at skabe noder, hvor celler eller mikropartikler er fanget. Bevægelse af lydbølgernes bølgefronter over de modsatte overflader af kammeret styrede en partikels position i to dimensioner, mens justering af lydbølgernes amplituder kunne skubbe eller trække dem i den tredje.

Mere avancerede opsætninger er siden blevet demonstreret, hvor lydbølger giver genlyd gennem et fluidumkammer. For eksempel, afhængig af applikationen, mønstre kan oprettes og ændres for at adskille og manipulere flere partikler på én gang, eller der kan dannes boblebade for at koncentrere en gruppe partikler.

Men uanset hvor avancerede deres evner er, akustiske pincet er således blevet henvist til prototypedemonstrationer og laboratorier med specialiseret udstyr; meget få biologer har taget denne teknologi til sig endnu.

"Vores mål er at bygge bro mellem akustiske innovationer og den biologiske/kliniske bordplade, " sagde Huang.

I avisen, Huang og hans kolleger demonstrerer tre prototypeopsætninger, der bruger transducere til at skabe lydbølger, der manipulerer partikler i den mest almindelige cellekulturplade, der findes i biomedicinske laboratorier - petriskålen.

I det første design, et sæt med fire transducere, en på hver side af petriskålen, skabe lydbølger, der interagerer med hinanden for at skabe et stående mønster i rettens væskeprøve. Opsætningen kunne bruges til multi-konfiguration celle mønstre, celle-celle interaktionsundersøgelser og konstruktion af 3-D væv.

Det andet design bruger en vippet transducer, der sender en vinklet lydbølge fra under petriskålen for at skabe et boblebad, der koncentrerer skålens indhold i midten. Denne evne ville give forskere mulighed for at koncentrere biopartikler til signalforstærkning og konstruktion af store celle sfæroider.

I den endelige opsætning, holografiske interdigitale transducere - to transducere monteret sammen som en lynlås - skaber højfrekvente strålelignende bølger fra under petriskålen for at kontrollere partikler på bestemte steder. Ved at skifte mellem forskellige designs, opsætningen kan stimulere celler samt koncentrere og fange biopartikler.

Sammen, opsætningerne demonstrerer en letanvendelig akustisk pincet, der skånsomt kan manipulere en lang række celler og partikler uden at røre eller mærke dem. Potentielle anvendelser omfatter mønstre og udskrivning af celler, adskille og sortere celler, kontrollere celle-celle interaktioner, konstruktion af væv og roterende flercellede organismer.

"Formålet med denne undersøgelse var at kopiere nogle af de tidligere funktioner i vores akustiske pincet i petriskåle, "sagde Huang, som også har været med til at stifte en virksomhed for at forfølge kommercialisering af teknologien. "Vores næste mål er at bygge en enkelt prototype, der realiserer alle disse tre opsætningers evner, hvis ikke mere."