Vloeistofdruppels hebben onlangs hernieuwde aandacht gekregen als een vereenvoudigd model voor een verscheidenheid aan fascinerende fysieke verschijnselen op de schaal van de celkern tot stellaire zwarte gaten. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Yuyang Gu en een team van wetenschappers in de VS presenteerden een acoustofluidische centrifugatietechniek die de verstrengeling van akoestische golfactivering en de spin van een vloeibare druppel gebruikte om verrijking en scheiding van nanodeeltjes te bereiken. Ze combineerden akoestische scanning en druppelspinmethoden om snelle nanodeeltjesconcentraties en op grootte gebaseerde scheiding te bereiken met een resolutie die voldoende is om exosome subpopulaties te identificeren en te isoleren.

Exosomen zijn extracellulaire blaasjes op nanoschaal die moleculaire lading van cel naar cel kunnen vervoeren en zijn daarom een ​​krachtige vector / drager in biomedisch onderzoek voor toepassingen voor medicijnafgifte en biomoleculaire ontdekking. Het team karakteriseerde de mechanismen die ten grondslag liggen aan het proces, zowel numeriek als experimenteel, naast de mogelijkheid om biologische monsters in de apparaten te verwerken. De acoustofluidische centrifugemethode overwon bestaande limieten van manipulatie van biodeeltjes op nanoschaal in multidisciplinaire biologiegebieden, scheikunde, Engineering, materiaalkunde en geneeskunde.

Het akoestisch-luidisch centrifugesysteem

Materiaalwetenschappers streven ernaar nanodeeltjes te manipuleren voor een verscheidenheid aan biomedische en biochemische toepassingen, waaronder de levering van genen of medicijnen, bioassays, diagnostiek en katalytische reacties. Het is daarom noodzakelijk om de stappen van nanodeeltjesconcentratie of scheiding uit te voeren voor toepassingen van nanostructuren op multidisciplinaire gebieden. Acoustofluidics streeft ernaar om akoestiek en microfluïdica te combineren voor een simplistisch apparaatontwerp. In dit werk, Gu et al. presenteerde een acoustofluidisch centrifugesysteem om deeltjes met een grootte tot enkele nanometers akoestisch te manipuleren. De methode maakte verschillende functies mogelijk, waaronder concentratie van nanodeeltjes, scheiding en transport.

Het basissysteem bevatte een paar schuine interdigitale transducers (IDT's) en een cirkelvormige ring van polydimethylsiloxaan (PDMS) om een ​​deel van de druppel in te kapselen en de vorm ervan te bepalen. Het team genereerde akoestische oppervlaktegolven (SAW's) om de draaiende beweging van de druppel te initiëren. Door het proces kon Stokes langs een cirkelvormig gesloten pad drijven om het momentum van de vloeistof over te dragen om de binnenstroomsnelheid en de afschuifsnelheid in de druppel aanzienlijk te verhogen met vele vouwen. Volgens numerieke simulaties, de akoestische golven zouden een vloeistofdruppel met een variabel monstervolume kunnen roteren om nanodeeltjes van verschillende groottes die zich in de druppel bevinden te beïnvloeden. Het team verwacht het werk op micro-/nanoschaal te vertalen om het transfectieproces te vereenvoudigen om het laden van blaasjeslading te automatiseren en om vloeibare biopsieën te versnellen.

Gu et al. plaatste een druppel op een PDMS-ring om de vloeistofgrens te beperken en plaatste deze tussen twee schuine interdigitale transducers (IDT's). Vervolgens brachten ze een elektrisch signaal aan op de schuine IDT's om twee akoestische oppervlaktegolven te genereren die zich vanuit twee tegengestelde richtingen langs het substraat voortplanten om de druppel binnen te gaan. Het proces vervormde het grensvlak tussen vloeistof en lucht als gevolg van akoestische stralingsdruk en de druppeltjes begonnen te draaien. De deeltjes in de druppel volgden spiraalvormige banen als gevolg van de invloed van geïnduceerde vortexstroming en druppelbewegingen. De wetenschappers verkregen een reeks afbeeldingen om het zijaanzicht van een 30 µL roterende druppel te tonen. Ze berekenden de rotatiesnelheid van de draaiende druppel met behulp van een Fourier-transformatie van de golfvorm en haalden de druppelsnelheid uit de golfvorm en vergeleken de spinsnelheid met klassieke druppeloscillatiedynamiek.

De kinetiek van de druppeltjes en nanodeeltjes in het apparaat

Het team bestudeerde vervolgens de druppelspin en deeltjesbeweging in het acoustofluidische centrifuge-apparaat met behulp van een reeks afbeeldingen. De deeltjes vertoonden dubbele rotatiemodi:ze volgden een spiraalvormig pad bij het naderen van het midden van de druppel terwijl ze ook rond hun lokale assen roteerden. Ze gebruikten een reeks frequenties om de spin van de druppeltjes op te wekken. Naarmate het toegepaste vermogen toenam, de druppel behield zijn evenwichtsvorm en begon toen kleine oscillaties te ervaren totdat het akoestische vermogen een drempelwaarde bereikte, op welk punt de druppel stabiel begon te draaien. Eerdere studies toonden aan hoe SAW's (akoestische oppervlaktegolven) akoestische stromende wervels in een druppel veroorzaakten, daarom, het team analyseerde de beweging van deeltjes in de draaiende druppel. Tijdens de experimenten, de nanodeeltjes bewogen langs spiraalvormige banen die overeenkomen met een Stokes-drifteffect. Ze volgden de beweging van deeltjes van 1 µm met een snelle camera en analyseerden de video's met behulp van deeltjesvolgsnelheidsmetingen om de spiraalvormige banen te observeren die de deeltjes volgden. Bij elke rotatie van de druppel, de deeltjes maakten één lokale rotatie terwijl ze tegelijkertijd dichter bij het globale centrum van de druppel langs zijn spiraalvormige pad kwamen. Op deze manier, het proces duwde de deeltjes naar binnen om nanodeeltjes naar het centrum van de druppel te concentreren.

Snelle verrijking van nanodeeltjes

Met behulp van numeriek en experimenteel onderzoek, het team liet zien hoe nanodeeltjes snel kunnen worden geconcentreerd in de ronddraaiende druppel met deeltjesgroottes zo klein als 28 nm in diameter. Een snelle concentratie van nanodeeltjes zou ook de detectie van biospecimen met fluorescent label, zoals DNA-moleculen, kunnen vergemakkelijken, die Gu et al. gedemonstreerd in dit werk. Het team gebruikte een fluorescerende kleurstof om DNA-monsters in de druppel te detecteren, en genereerde een akoestisch signaal voor druppelspin. Ze bereikten signaalversterking en verbeterde signaaldetectie op basis van de DNA-concentratie in het monster. Afgezien van de snelle verrijking van nanodeeltjes, het systeem ook differentieel geconcentreerde nanodeeltjes van verschillende groottes. Bijvoorbeeld, het samenspel van akoestische parameters waaronder frequentie en amplitude, en de druppelafmetingen genereerden verschillende deeltjestrajecten binnen dezelfde druppel. Echter, de tijdschaal en migratiesnelheid om een ​​specifieke positie te bereiken varieerden voor deeltjes binnen dezelfde druppel. Bijvoorbeeld, toen nanodeeltjes van twee verschillende groottes zich in een draaiende druppel bevonden, de grotere deeltjes ondervonden hogere akoestische stralingskrachten en kleinere effecten van Brownse beweging.

Een apparaat met één druppel kan ook een nadelige invloed hebben op de zuiverheid van subsets van nanodeeltjes die erin zitten tijdens de processen van differentiële concentratie en ophalen; daarom, Gu et al. ontwikkelde een op twee druppels gebaseerde acoustofluidische centrifuge voor praktische scheiding van nanodeeltjes. Met behulp van het apparaat, ze prikkelden twee paar akoestische oppervlaktegolven (SAW's) om zich asymmetrisch over de flanken van de twee druppels voort te planten om gelijktijdige spins te veroorzaken om twee akoestische bundels te genereren via een enkele interdigitale transducer. Het team gebruikte een frequentieverschuivingssleutel om te schakelen tussen twee verschillende excitatiefrequenties en excitatielocaties, met praktische toepassingen voor exosome subpopulatiescheiding. De methode maakte een snelle fractionering van exosoommonsters in verschillende subpopulaties mogelijk voor metingen via analyse van het volgen van nanodeeltjes.

Op deze manier, Yuyang Gu en collega's ontwikkelden en demonstreerden een acoustofluidisch centrifugeplatform om biodeeltjes op nanoschaal efficiënt en snel te verrijken of te scheiden. Dit platform kan de snelheid van monsterverwerking aanzienlijk vereenvoudigen, detectie en reagensreacties in verschillende toepassingen, waaronder point-of-care-diagnostiek, bioassays en biogeneeskunde.

© 2021 Science X Network