Acoustofluid centrifuge til berigelse og sortiment af nanopartikler

Betjeningsmekanisme for den akustoffluidiske centrifugeplatform. (A) Illustration af det akustoffluidiske centrifugesystem. Dråben placeres på en PDMS-ring, der begrænser væskegrænsen og er placeret mellem to skrå IDT'er. Når SAW'erne forplanter sig ind i dråben, væske-luft-grænsefladen deformeres af det akustiske strålingstryk, og dråben begynder at snurre. Partikler inde i dråben vil følge spiralformede baner (indsat) under påvirkning af både induceret hvirvelstrømning og den roterende dråbe. (B) En sekvens af billeder, der viser sidebilledet af en 30-μl roterende dråbe. SAW'en aktiveres ved 0 s. Sekvensen viser, at når dråben begynder at dreje, den strækker sig ud til en konkav ellipseform, som illustreret i (A). Gul pil angiver referencepositionen, der roterer sammen med den roterende dråbe. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc0467

Væskedråber har for nylig fået fornyet opmærksomhed som en forenklet model for en række fascinerende fysiske fænomener på skalaen fra cellekernen til stjernernes sorte huller. I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Videnskabens fremskridt , Yuyang Gu og et hold af forskere i USA præsenterede en akustoffluidisk centrifugeringsteknik, der brugte sammenfiltringen af akustisk bølgeaktivering og spindet af en flydende dråbe til at opnå berigelse og adskillelse af nanopartikler. De kombinerede akustisk scanning og dråbespinningsmetoder for at opnå hurtige nanopartikelkoncentrationer og størrelsesbaseret adskillelse med en opløsning, der er tilstrækkelig til at identificere og isolere exosom-subpopulationer.

Exosomer er ekstracellulære vesikler på nanoskala, der kan transportere molekylær last fra celle til celle og er derfor en stærk vektor/vehikel i biomedicinsk forskning til lægemiddellevering og biomolekylære opdagelsesapplikationer. Holdet karakteriserede mekanismerne bag processen både numerisk og eksperimentelt, sideløbende med evnen til at behandle biologiske prøver i enhederne. Den akustoffluidiske centrifugemetode overvandt eksisterende grænser for biopartikelmanipulation i nanoskala på tværs af multidisciplinære biologifelter, kemi, ingeniørarbejde, materialevidenskab og medicin.

Det akustoffluidiske centrifugesystem

Materialeforskere sigter mod at manipulere nanopartikler til en række biomedicinske og biokemiske anvendelser, herunder gen- eller lægemiddellevering, bioassays, diagnostik og katalytiske reaktioner. Det er derfor nødvendigt at udføre trinene med koncentration eller adskillelse af nanopartikler for anvendelser af nanostrukturer på tværs af tværfaglige områder. Acoustofluidics sigter mod at kombinere akustik og mikrofluidik til et forenklet enhedsdesign. I dette arbejde, Gu et al. præsenteret et akustofluidisk centrifugesystem til akustisk manipulation af partikler med størrelser ned til få nanometer. Metoden tillod forskellige funktioner, herunder nanopartikelkoncentration, adskillelse og transport.

Det grundlæggende system indeholdt et par skrå interdigitale transducere (IDT'er) og en cirkulær polydimethylsiloxan (PDMS) ring til at indkapsle en del af dråben og definere dens form. Holdet genererede overfladeakustiske bølger (SAW'er) for at starte dråbe-spinning. Processen gjorde det muligt for Stokes at drive langs en cirkulær lukket bane for at overføre momentum af væsken for at øge den indre strømningshastighed og forskydningshastigheden i dråben med mange folder. Ifølge numeriske simuleringer, de akustiske bølger kunne rotere en væskedråbe med et variabelt prøvevolumen for at påvirke nanopartikler af forskellige størrelser, der befinder sig i dråben. Holdet forventer at oversætte arbejdet på mikro-/nanoskala for at forenkle processen med transfektion for at automatisere lastning af vesikler og for at accelerere flydende biopsier.

Karakterisering af dråbespin og partikelbevægelse i den akustoffluidiske centrifugeanordning. (A) En sekvens af billeder, der viser topvisningen af en roterende dråbe under et mikroskop. (B) Tilsvarende tidssekvens af stablede billeder langs linjen a-a′, som viser det periodiske spin af ellipsoiddråben. (C) Den øjeblikkelige hastighed på et punkt på den roterende dråbe kan udvindes fra denne normaliserede tilpasning af afstandsændringen versus tid (B). (D) Teoretisk og eksperimentel dråberotationshastighed [rotationer pr. minut (RPM)] versus ændringen i dråberadius. Dråbens volumen (V) refererer til volumen over PDMS-ringen. (E) Teoretisk beregnede og (F) eksperimentelt observerede partikelbaner, der viser de dobbelte rotationstilstande; partikler sporer en spiralformet bane, når de nærmer sig midten af dråben, mens de også roterer omkring deres lokale akser. Målestok, 500 μm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc0467

Enhedens arbejdsprincip

Gu et al. placerede en dråbe på en PDMS-ring for at begrænse væskegrænsen og placerede den mellem to skrå interdigitale transducere (IDT'er). De påførte derefter et elektrisk signal til de skrå IDT'er for at generere to akustiske bølger på overfladen, der forplanter sig langs substratet fra to modsatte retninger for at komme ind i dråben. Processen deformerede væske-luft-grænsefladen som et resultat af akustisk strålingstryk, og dråberne begyndte at spinde. Partiklerne inde i dråben fulgte spiralformede baner på grund af påvirkningen af induceret hvirvelstrømning og dråbespindebevægelser. Forskerne opnåede en sekvens af billeder for at vise sidebilledet af en 30 µL roterende dråbe. De beregnede rotationshastigheden af den roterende dråbe ved hjælp af en Fourier-transformation af bølgeformen og udtog dråbehastigheden fra bølgeformen og sammenlignede spinhastigheden med klassisk dråbeoscillationsdynamik.

Hurtig berigelse af nanopartikler via akustoffluidisk centrifuge. (A) Numerisk simuleret partikelbane i en roterende dråbe. Da dråben begynder at snurre, partiklerne, der oprindeligt var tilfældigt fordelt inde i dråben (venstre) følger en spiralformet bane, indtil de er koncentreret i midten af dråben (til højre). (B) Fluorescensbilleder før (venstre) og efter (højre) det akustiske felt er tændt, som viser berigelsen af 28-nm PS-partikler. Målestok, 50 μm. (C) Strømningshastighed med (eksperimentelt resultat) og uden (simuleringsresultat) dråbespinding. (D) Plot af den beregnede gennemsnitlige forskydningshastighed inde i dråben kontra hastighed. Forskydningshastigheden stiger med en højere spinningshastighed og stiger til flere gange højere end forskydningshastigheden, når der ikke er nogen roterende dråbe (kun streaming). (E) Flowchart, der viser processen med DNA-berigelse og fluorescerende signalforstærkning i en roterende dråbe. (F) Plot af den målte DNA-fluorescensintensitet versus tid i den roterende dråbe. Indsæt:Fluorescensbilleder før og efter signalforbedring. Målestok, 50 μm. a.u., vilkårlige enheder. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc0467

Kinetikken af dråberne og nanopartiklerne i enheden

Holdet studerede derefter dråbespind og partikelbevægelse i den akustoffluidiske centrifugeanordning ved hjælp af en sekvens af billeder. Partiklerne viste dobbelte rotationstilstande - spor en spiralformet bane, når de nærmede sig midten af dråben, mens de også roterede omkring deres lokale akser. De brugte en række frekvenser til at ophidse dråbernes spin. Efterhånden som den anvendte effekt steg, dråben bevarede sin ligevægtsform og begyndte derefter at opleve små svingninger, indtil den akustiske effekt nåede en tærskelværdi, på hvilket tidspunkt dråben gik i stabil centrifugering. Tidligere undersøgelser viste, hvordan SAW'er (akustiske overfladebølger) inducerede akustiske strømningshvirvler inde i en dråbe, derfor, holdet analyserede bevægelsen af partikler inde i den roterende dråbe. Under forsøgene, nanopartiklerne bevægede sig langs spiralformede baner svarende til en Stokes-drifteffekt. De overvågede bevægelsen af 1 µm partikler med et hurtigt kamera og analyserede videoerne ved hjælp af partikelsporingshastighed for at observere de spiralformede baner, som partiklerne fulgte. Med hver drejning af dråben, partiklerne lavede en lokal rotation, mens de samtidig bevægede sig tættere på dråbens globale centrum langs dens spiralformede bane. På denne måde processen skubbede partiklerne indad for at koncentrere nanopartikler til dråbecentret.

Differentiel nanopartikelkoncentration via akustoffluidisk centrifuge. (A) Numeriske simuleringsresultater, der viser forskellen i nanopartikelbaner for partikler med størrelser på 100 nm (rød) og 28 nm (blå). Mens 100-nm-partiklerne bliver koncentreret i midten af den roterende dråbe, 28-nm-partiklerne følger en spiralformet bane, men forbliver tilfældigt fordelt i hele dråben. GFP, grønt fluorescerende protein. (B, C) Mikroskopbilleder, der viser det eksperimentelle resultat af partikelseparation med 100- (C) og 28-nm (B) partikler. Målestok, 100 μm. (D) Fluorescensintensitet langs dråbens akse, der viser koncentrationseffekten på 100 nm-partiklerne. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc0467

Hurtig berigelse af nanopartikler

Ved hjælp af numeriske og eksperimentelle undersøgelser, holdet viste, hvordan nanopartikler hurtigt kunne koncentreres i den roterende dråbe med partikelstørrelser så små som 28 nm i diameter. Hurtig koncentration af nanopartikler kunne også lette påvisningen af fluorescensmærkede bioprøver såsom DNA-molekyler, hvilket Gu et al. demonstreret i dette arbejde. Holdet brugte et fluorescerende farvestof til at detektere DNA-prøver i dråben, og genererede et akustisk signal for dråbespin. De opnåede signalamplifikation og forbedret signaldetektion baseret på koncentrationen af DNA i prøven. Bortset fra den hurtige berigelse af nanopartikler, systemet også differentielt koncentrerede nanopartikler af varierende størrelse. For eksempel, samspillet mellem akustiske parametre, herunder frekvens og amplitude, og dråbedimensionerne genererede forskellige partikelbaner inden for den samme dråbe. Imidlertid, tidsskalaen og migrationshastigheden for at nå en specifik position varierede for partikler inden for den samme dråbe. For eksempel, når nanopartikler af to forskellige størrelser var indeholdt i en snurrende dråbe, de større partikler oplevede højere akustiske strålingskræfter og mindre effekter fra Brownsk bevægelse.

Partikelseparation og transport via en dual-drop akusstoffluid centrifuge. (A) Skematisk af den dobbeltdråbe akustoffluidiske centrifuge. Denne dual-drop-funktionalitet opnås ved hjælp af binær frekvensskift-tasting, hvilket involverer sekventielt skift mellem to frekvenser for hver IDT. Med en høj skiftefrekvens, to dråber kan roteres samtidigt. De to dråber er forbundet med en mikrokanal, som tjener som passage for partikeltransport. Her, de specifikke frekvenser er 15,3 MHz (f4), 15,7 MHz (f3), 20,3 MHz (f2), og 21,7 MHz (f1), med en skiftefrekvens på 100 kHz. (B) Et sammensat billede, der viser partikelbanen gennem centerkanalen. (C) Fourier-transformationen af bølgeformsplottet af et fikseret punkt på dråben, når den drejer, angiver spidsrotationsfrekvensen for de to dråber med forskellige volumener. (D) Billedsekvens, der viser topvisningen af dobbeltdråbe akustofluidisk centrifuge. Fluorescensbilleder (E) før og (F) efter det akustiske signal er tændt, viser nanopartikeladskillelse og transport fra en dråbe til en anden. Indsat:Fluorescensbillede af den midterste kanal, der indikerer partikeltransportprocessen. (G) Sammenligning af partikelstørrelsesfordeling mellem præ- og postseparationsprøverne. Den originale prøve, som blev placeret i den højre dråbe, har to toppe ved 28 og 100 nm. Efter adskillelse, de fleste af 28-nm-partiklerne er blevet separeret og er blevet transporteret til den venstre dråbe, som kun har én top ved 28 nm. Skala barer, 200 μm. Kredit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abc0467

Akustoffluidisk centrifuge med to dråber

En enkelt-dråbe enhed kan også negativt påvirke renheden af undergrupper af nanopartikler indeholdt i dem under processerne med differentiel koncentration og genfinding; derfor, Gu et al. udviklet en dual-drop-baseret akustofluidisk centrifuge til praktisk adskillelse af nanopartikler. Ved at bruge enheden, de exciterede to par akustiske overfladebølger (SAW'er) for at forplante sig asymmetrisk hen over flankerne af de to dråber for at forårsage samtidige spins til at generere to akustiske stråler via en enkelt interdigital transducer. Holdet brugte en frekvensskiftnøgle til at skifte mellem to forskellige excitationsfrekvenser og excitationssteder, med praktiske anvendelser til exosom subpopulationsadskillelse. Metoden tillod hurtig fraktionering af exosomprøver i forskellige underpopulationer til målinger via nanopartikelsporingsanalyse.

På denne måde Yuyang Gu og kolleger udviklede og demonstrerede en akustoffluidisk centrifugeplatform til effektivt og hurtigt at berige eller adskille nanoskala biopartikler. Denne platform kan væsentligt forenkle hastigheden af prøvebehandling, detektion og reagensreaktioner på tværs af forskellige applikationer, herunder point-of-care diagnostik, bioassays og biomedicin.

Sidste artikelBio-inspireret spiral hydrogel fiber kvalificeret til at være kirurgisk sutur

Næste artikelFluorescensmikroskopi ved højeste rumlige og tidsmæssige opløsning