NIST-opdagelse kan øge nøjagtigheden ved måling af blodgennemstrømning til kræftdiagnose, andre applikationer

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opdaget en potentiel fejlkilde, når de bruger akustiske bølger til at måle egenskaberne af væsker såsom blod. Deres opdagelse rejser muligheden for mere præcise diagnostiske tests for visse typer blodkræft og mere præcis sortering af blodceller.

Alle akustiske bølger, inklusive ultralyd, skaber områder med vekslende høj- og lavtryk i et medium såsom luft, vand og andre væsker såsom blod. Forskere bruger dem ofte til at studere egenskaberne af små mængder "mikrovæsker", dem, der er begrænset til kar, der ikke er bredere end tykkelsen af ​​et kreditkort.

For at måle egenskaberne af en mikrofluid blodprøve bruger forskere ultralydsbølger af en kendt frekvens og energi, genereret lige under karrets bundvæg af en piezoelektrisk krystal, et materiale, der kan omdanne strømmen af ​​elektricitet til akustiske bølger. Bølgerne, der trænger ind i væsken, kører for det meste langs bundfladen, mellem væsken og væggen. Efter bølgerne forlader væsken, opdager forskerne ethvert tab af energi eller skift i frekvensen af ​​bølgerne. Disse målinger kan afsløre egenskaber, der er afgørende for måling af blodgennemstrømningen, som kan være farlig langsom hos nogle blodkræftpatienter. Akustiske bølger kan også sortere celler i fuldblod.

Biomedicinske forskere og onkologer har en særlig interesse i at måle en mikrovæskes viskositet. Nogle gange kaldet en væskes tykkelse, er viskositet mere præcist defineret som et mål for en væskes modstand mod forskydning. For eksempel modstår melasse meget mere forskydning end vand og er omkring 5.000 gange mere tyktflydende, hvilket forklarer dens langsomt hældende adfærd.

Mennesker med visse typer blodkræft, herunder myelomatose, leukæmi og Waldenströms makroglobulinæmi, kan have blodplasma så tyktflydende, at det kan forstyrre blodcirkulationen i hele kroppen. For at vurdere denne tilstand, kendt som hyperviskositetssyndrom, stoler læger på en række forskellige målinger såsom fuldblod og blodserumviskositet.

For akustiske målinger af disse egenskaber opdagede NIST-forskerholdet, at en ofte ignoreret egenskab kendt som slip bør tages i betragtning for at sikre deres nøjagtighed. Slip refererer til mikrovæskens bevægelse, når den glider mod beholderens faste vægge. Slipningen i en mikrovæske, fandt forskerne, ligner den, der blev observeret i et velkendt festtrick, når nogen rykker i en dug og efterlader tallerkenerne og sølvtøjet. (Uden slip ville servicet falde sammen med dugen.)

En mikrovæske oplever glidning simpelthen på grund af væskestrømmen mod væggen af ​​dens beholder. Men når akustiske bølger kommer ind i mikrovæsken, introducerer de en anden type slip. Den periodiske bevægelse af de akustiske bølger - dens cyklus af toppe og dale - får overfladen af ​​mikrovæsken tættest på bølgekilden til at bevæge sig en smule frem og tilbage mod beholdervæggen. Denne sideværts bevægelse er virkelig lille – bevægelsen er ikke mere end omkring 15 molekyler i længden.

I en række eksperimenter opdagede Aurore Quelennec (nu hos Teledyne Technologies i Canada) sammen med NIST-forskerne Jason Gorman og Darwin Reyes, at tilstedeværelsen af ​​denne akustiske slip forhindrer mikrovæsker i at absorbere lige så meget energi fra akustiske bølger, som de ellers ville. Holdets undersøgelse udelukkede flere andre faktorer, såsom overfladespænding og ruhed af beholdervæggene, der også kunne have formindsket mængden af ​​akustisk energi absorberet af mikrovæsken, bemærkede Reyes.

"Slip kun på grund af væskeflow er godt forstået," sagde Gorman. "Men efterhånden som mange nye klasser af akusto-fluidiske enheder dukker op i biovidenskabelige applikationer, såsom cellesortering, lysis (nedbrydning af cellemembranen) og måling af væskeegenskaber, bliver akustisk slip mere og mere vigtigt at karakterisere," Gorman sagde.

Forskerne var overraskede over at finde ud af, at den akustiske glidning mellem væsken og beholdervæggen ligner den, hvor et fast stof gnider mod et andet, hvilket er styret af Amontons-Coulombs friktionslove. Ligheden er vigtig, fordi den vil give forskere mulighed for at modellere akustisk glidning baseret på et mere velkendt og bedre undersøgt fænomen.

Hvis akustisk glidning ved væske-faststof-grænsefladen ignoreres, vil ændringen i absorptionen af ​​de akustiske bølger udelukkende tilskrives de fysiske egenskaber af den mikrofluid, som de bevægede sig igennem. Selvom forskerne ikke har undersøgt, hvordan deres fund kan udspille sig i akustiske undersøgelser af blod eller andet biologisk materiale, kan akustisk glidning føre til et mindre nøjagtigt mål for viskositeten.

Væskeglidning kan også påvirke akustiske bølgers evne til at sortere celler i en lille prøve af fuldblod. I denne teknik bruges bølgerne til at skubbe celler i blodet. For en given energi og intensitet af de akustiske bølger vil forskellige typer blodlegemer blive skubbet i forskellige mængder i henhold til deres størrelse og andre fysiske og mekaniske egenskaber, hvilket resulterer i en adskillelse. Men fordi slip reducerer overførslen af ​​energi og tryk, vil kvaliteten af ​​sorteringsprocessen blive forringet.

"Hvis den sande rolle af slip anerkendes og redegøres for, vil det muliggøre akustiske målinger i mikrovæsker for at opnå den højest mulige nøjagtighed og fremme fremtidige målinger inden for biologi og medicin," sagde Reyes.

Forskerne rapporterede deres resultater online i udgaven af ​​Nature Communications den 22. marts . + Udforsk yderligere

Forskere viser proptrækkers elastiske bølger bærer veldefineret orbital vinkelmomentum

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.