Questo schema illustra come i profili di superficie su misura possono creare campi acustici modellati generati otticamente in 3-D. Credito:Brown et al.
I limiti delle tecnologie di array piezoelettrici convenzionalmente utilizzate per gli ultrasuoni hanno ispirato un gruppo di ricercatori dell'University College di Londra a esplorare un meccanismo alternativo per generare ultrasuoni tramite la luce, noto anche come effetto fotoacustico. Abbinandolo alla stampa 3D, il gruppo è stato in grado di generare campi sonori con forme specifiche per un potenziale utilizzo nella manipolazione delle cellule biologiche e nella somministrazione di farmaci.
I materiali piezoelettrici generano stress meccanico in risposta a un campo elettrico applicato, risultante in una forza utilizzabile e controllabile con precisione che può, Per esempio, essere utilizzato per creare onde sonore. Ma ottenere questo controllo con i convenzionali array piezoelettrici richiede sia un'elettronica complicata che un gran numero di componenti individuali estremamente piccoli che sono costosi e difficili da produrre.
L'effetto fotoacustico, in contrasto, si verifica quando un breve impulso o una sorgente di luce modulata viene assorbita da un materiale, producendo un'onda sonora. Come riporta il gruppo in questa settimana Lettere di fisica applicata , il loro lavoro si concentra sull'uso dell'effetto fotoacustico per controllare i campi ultrasonici in 3-D.
"Una caratteristica utile dell'effetto fotoacustico è che la forma iniziale del suono generato è determinata [da] dove viene assorbita la luce, " ha detto Michael Brown, uno studente di dottorato presso il Biomedical Ultrasound Group del Dipartimento di Fisica Medica e Ingegneria Biomedica presso l'University College di Londra. "Questo può essere usato per creare punti sonori intensi e ben focalizzati semplicemente depositando un assorbitore ottico su una superficie concava, che agisce come una lente."
Più generalmente, è possibile produrre campioni con quasi qualsiasi forma di superficie utilizzando una stampante 3D e un materiale trasparente.
"Deponendo un assorbitore ottico su questa superficie, che può essere fatto tramite verniciatura a spruzzo, un'onda sonora di qualsiasi forma può essere creata illuminando questo campione con un laser, " disse Brown. "Se si adatta con cura il disegno della superficie e quindi la forma dell'onda acustica, è possibile controllare dove si focalizzerà il campo sonoro e persino creare campi focalizzati su forme continue. Usiamo lettere e numeri".
Ciò è particolarmente significativo perché, in teoria, la capacità di controllare la forma del fronte d'onda, la superficie su cui l'onda sonora ha una fase costante, un po' come il bordo dell'onda:consente un ampio grado di controllo sul campo risultante.
Un campione fabbricato prima della deposizione dell'assorbitore. Credito:Brown et al.
"Ma in realtà progettare un fronte d'onda che genera un modello desiderato diventa più impegnativo man mano che aumenta la complessità dell'obiettivo, " Brown ha detto. "Un chiaro design 'migliore' è disponibile solo per alcuni casi selezionati, come la generazione di un singolo focus."
Per superare questo limite, il gruppo "ha sviluppato un algoritmo che consente agli utenti di inserire un campo sonoro desiderato in 3-D, e quindi emette un profilo di superficie stampabile in 3D che genera questo campo, " Brown ha detto. "Il nostro algoritmo consente un controllo preciso dell'intensità del suono in luoghi diversi e del momento in cui il suono arriva, rendendo facile e veloce la progettazione di superfici o "lenti" per l'applicazione desiderata."
Brown e i suoi colleghi hanno dimostrato l'efficacia del loro algoritmo creando una lente progettata per generare un campo sonoro a forma di numero 7. Dopo aver illuminato la lente con un laser pulsato, hanno registrato il campo sonoro e il "7" desiderato era chiaramente visibile con un contrasto elevato.
"È stata la prima dimostrazione della generazione di una distribuzione multifocale del suono utilizzando questo approccio, " disse Bruno.
Ci sono molti potenziali usi per i profili optoacustici su misura creati dal gruppo. "Il suono molto intenso può causare riscaldamento o esercitare forze sugli oggetti, come nelle pinzette acustiche, " ha detto Brown. "E dispositivi simili a fuoco singolo sono già utilizzati per la scissione di gruppi di cellule e la somministrazione mirata di farmaci, quindi il nostro lavoro potrebbe essere utile in quell'area."
Il gruppo è anche interessato agli effetti della propagazione attraverso i tessuti, che introduce distorsioni nella forma dei fronti d'onda causate dalle variazioni della velocità del suono. "Se la struttura del tessuto è nota in anticipo tramite l'imaging, il nostro approccio può essere utilizzato per correggere queste aberrazioni, "Ha detto Brown. "La manipolazione della forma e del tempo durante il quale viene generato il suono focalizzato può essere utile anche per manovrare e controllare le cellule biologiche e altre particelle".
Andando avanti, Brown e il suo gruppo sperano di indagare sull'uso di altre sorgenti luminose e sui vantaggi che potrebbero offrire.
"Un limite del nostro lavoro era l'uso di un laser a impulso singolo, " disse Brown. "Ciò significava che la forma temporale del suono generato dal campione era solo un breve impulso, che limitava la complessità dei campi che potevano essere generati. Nel futuro, siamo interessati a utilizzare sorgenti ottiche modulate alternative per illuminare questi dispositivi".
