Mechanische ingenieurs van Duke University hebben een reeks prototypes gedemonstreerd voor het manipuleren van deeltjes en cellen in een petrischaal met behulp van geluidsgolven. de apparaten, in de wetenschappelijke gemeenschap bekend als "akoestisch pincet, " zijn de eerste pogingen om dit soort gereedschappen te maken, die tot dusver zijn gedegradeerd naar laboratoria met specifieke apparatuur en expertise, beschikbaar voor gebruik in een breed scala aan instellingen.

Het artikel waarin de technologie wordt beschreven, verschijnt op 9 september online in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Akoestisch pincet is een krachtig, veelzijdige set hulpmiddelen die geluidsgolven gebruiken om biodeeltjes te manipuleren, variërend van extracellulaire blaasjes van nanometerformaat tot meercellige organismen van millimeters. In de afgelopen decennia is de mogelijkheden van akoestische pincetten zijn uitgebreid van het eenvoudig vangen van deeltjes tot de precieze rotatie en translatie van cellen en organismen in drie dimensies.

"Recente vorderingen hebben geleid tot veel geavanceerde, veelzijdig gereedschap, " zei Tony Jun Huang, de William Bevan Distinguished Professor in Mechanical Engineering and Materials Science, die al meer dan tien jaar in het veld werkt. "Echter, aan het einde van de dag, het succes van dit vakgebied hangt af van de vraag of eindgebruikers zoals biologen, chemici of clinici zijn bereid deze technologie al dan niet toe te passen. Deze paper demonstreert een stap in de richting van een veel vriendelijkere workflow om het voor eindgebruikers gemakkelijker te maken om deze technologie te adopteren."

In hun eerste aanvraag akoestische pincetten gebruikten geluidsgolven die aan weerszijden van een microfluïdische chip of kamer werden gegenereerd om knooppunten te creëren waar cellen of microdeeltjes vastzitten. Door de golffronten van de geluidsgolven over de tegenover elkaar liggende oppervlakken van de kamer te bewegen, werd de positie van een deeltje in twee dimensies gecontroleerd, terwijl het aanpassen van de amplitudes van de geluidsgolven ze in de derde zou kunnen duwen of trekken.

Meer geavanceerde opstellingen zijn sindsdien gedemonstreerd, waar geluidsgolven weerkaatsen in een vloeistofkamer. Bijvoorbeeld, afhankelijk van de toepassing, patronen kunnen worden gemaakt en gewijzigd om meerdere deeltjes tegelijk te scheiden en te manipuleren, of draaikolken kunnen worden gevormd om een ​​groep deeltjes te concentreren.

Maar hoe geavanceerd hun vaardigheden ook waren, akoestische pincetten zijn dus gedegradeerd tot prototypedemonstraties en laboratoria met gespecialiseerde apparatuur; zeer weinig biologen hebben deze technologie tot nu toe geadopteerd.

"Ons doel is om de kloof te overbruggen tussen akoestische innovaties en de biologische/klinische benchtop, " zei Huang.

In de krant, Huang en zijn collega's demonstreren drie prototype-opstellingen die transducers gebruiken om geluidsgolven te creëren die deeltjes manipuleren in de meest voorkomende celcultuurplaat die wordt gevonden in biomedische laboratoria - de petrischaal.

In het eerste ontwerp is een set van vier transducers, één aan elke kant van de petrischaal, creëer geluidsgolven die met elkaar interageren om een ​​staand patroon te creëren in het vloeibare monster van de schaal. De opstelling kan worden gebruikt voor celpatronen met meerdere configuraties, cel-celinteractiestudies en de constructie van 3D-weefsels.

Het tweede ontwerp maakt gebruik van een gekantelde transducer die een schuine geluidsgolf van onder de petrischaal zendt om een ​​draaikolk te creëren die de inhoud van de schaal in het midden concentreert. Dit vermogen zou onderzoekers in staat stellen biodeeltjes te concentreren voor signaalversterking en de constructie van grote celsferoïden.

In de uiteindelijke opstelling holografische interdigitale transducers - twee transducers die als een ritssluiting aan elkaar zijn gemonteerd - creëren hoogfrequente straalachtige golven van onder de petrischaal om deeltjes op specifieke locaties te beheersen. Door te wisselen tussen verschillende ontwerpen, de opstelling kan zowel cellen stimuleren als biodeeltjes concentreren en vangen.

Samen, de opstellingen demonstreren gebruiksvriendelijke akoestische pincetten die een grote verscheidenheid aan cellen en deeltjes voorzichtig kunnen manipuleren zonder ze aan te raken of te labelen. Mogelijke toepassingen zijn onder meer patroon- en printcellen, het scheiden en sorteren van cellen, het regelen van cel-cel interacties, weefsels en roterende meercellige organismen.

"Het doel van deze studie was om enkele van de eerdere functies van onze akoestische pincetten in petrischalen te dupliceren, " zei Huang, die ook medeoprichter is van een bedrijf om de commercialisering van de technologie na te streven. "Ons volgende doel is om een ​​enkel prototype te bouwen dat alle mogelijkheden van deze drie opstellingen realiseert, zo niet meer."