Lydbølger spinder dråber for at koncentrere sig, separate nanopartikler

Mekaniske ingeniører ved Duke University har udviklet en metode til at spinde individuelle dråber væske til at koncentrere og adskille nanopartikler til biomedicinske formål. Teknikken er meget mere effektiv end traditionelle centrifugemetoder, udfører sin magi på under et minut i stedet for at tage timer eller dage, og kræver kun en lille brøkdel af den typiske prøvestørrelse. Opfindelsen kunne understrege nye tilgange til anvendelser lige fra præcisionsbioassays til cancerdiagnose.

Resultaterne vises online den 18. december i tidsskriftet Videnskab fremskridt .

"Denne idé stammer fra et meget spændende nyligt fund om, at man kan bruge akustiske overfladebølger til at dreje en dråbe væske, "sagde Tony Jun Huang, William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science hos Duke. "Vi besluttede at undersøge, om vi kunne bruge denne metode til at skabe et point-of-care-system, der kan adskille og berige nanopartikler hurtigt og effektivt."

Huang og hans ph.d.-studerende Yuyang Gu begyndte deres undersøgelse ved at bygge en enhed, der er i stand til at dreje individuelle dråber væske. I midten af ​​en piezoelektrisk overflade sidder en ring af polydimethylsiloxan, en type silicium, der almindeligvis anvendes i mikrofluidteknologier, som begrænser dråbens grænser og holder den på plads. Forskerne placerede derefter en lydbølgegenerator kaldet en interdigiteret transducer (IDT) på hver side og skrånede dem, så lydbølger med forskellige frekvenser rejser gennem den piezoelektriske overflade for at komme ind i dråben.

Når den er tændt, IDT'erne skaber akustiske overfladebølger, der skubber på siderne af dråberne, som Anders And bliver blæst omkuld af et gigantisk par højttalere. Ved lave strømindstillinger, toppen af ​​dråben begynder at slingre rundt om ringen som en muffintop lavet af Jell-O. Men når strømmen bliver skruet op til 11, balancen mellem dråbens overfladespænding og dens centrifugalkraft får den til at tage form af en pille og begynde at snurre på plads.

Forskerne undersøgte derefter, hvordan fluorescerende nanopartikler af forskellige størrelser opførte sig i de snurrende dråber. Fordi dråben snurrer, nanopartiklerne selv blev også trukket med i et spiralformet mønster. Afhængigt af deres størrelse og lydens frekvens, de blev også skubbet mod midten af ​​dråben på grund af lydbølgernes indkommende kraft og hydrodynamik.

Forskerne fandt ud af, at ved at bruge forskellige frekvenser, de kunne specifikt koncentrere partikler så små som titusinder af nanometer. Disse størrelser korrelerer med biologisk vigtige molekyler såsom DNA og exosomer - biologiske nanopartikler frigivet fra enhver celletype i kroppen, som menes at spille en vigtig rolle i celle-til-celle-kommunikation og sygdomsoverførsel.

Men de stod stadig over for et andet problem. Mens nanopartikler af en størrelse flokkedes til midten af ​​dråben, nanopartikler af andre størrelser fløj stadig tilfældigt omkring, gør det svært at få adgang til den koncentrerede dusør.

Deres løsning? En anden roterende dråbe.

"Vi satte to dråber af forskellig størrelse op ved siden af ​​hinanden, så de snurrede med forskellige hastigheder, " sagde Gu. "Ved at forbinde dem med en lille kanal, alle nanopartikler, der ikke koncentrerer sig i den første, ender med at spinde af og blive fanget i den anden."

For yderligere at vise, hvor nyttigt deres centrifugalsystem med to dråber kunne være, forskerne viste, at det med held kunne adskille subpopulationer af exosomer fra en prøve. Og i modsætning til almindelige centrifugeringsmetoder, der kræver store mængder prøver og kan tage natten over at arbejde, deres opløsning behøvede kun et meget mindre prøvevolumen - såsom fem mikroliter - og mindre end et minut.

"Vi forestiller os, at dette arbejde forenkler og fremskynder prøvebehandlingen, detektion og reagensreaktioner i forskellige applikationer såsom point-of-care diagnostik, bioassays og flydende biopsier, " sagde Gu.

"Evnen til at adskille og berige exosom-subpopulationer og andre biologiske nanopartikler er ekstremt vigtig." tilføjede Huang. "For eksempel, mens den nylige opdagelse af exosom-subpopulationer har begejstret biologer og forskere på grund af deres potentiale til at revolutionere området for ikke-invasiv diagnostik, exosom sub-populationer er endnu ikke blevet brugt i kliniske omgivelser. Dette skyldes i høj grad de vanskeligheder, der er forbundet med at adskille exosom-subpopulationer på grund af deres lille størrelse. Vores tilgang tilbyder en enkel, automatiseret tilgang til adskillelse af exosom-subpopulationer på en hurtig og biokompatibel måde. Som resultat, Vi mener, at det er afgørende at låse op for den kliniske nytte af exosom-subpopulationer."