Un gruppo di ricerca guidato dal Professor YongKeun Park del Dipartimento di Fisica del KAIST ha sviluppato una tecnica di manipolazione ottica in grado di controllare liberamente la posizione, orientamento, e forma di campioni microscopici aventi forme complesse. Lo studio è stato pubblicato online in Comunicazioni sulla natura il 22 maggio.

Tecniche di manipolazione ottica convenzionali chiamate "pinzette ottiche, " sono stati utilizzati come uno strumento inestimabile per esercitare una forza su microscala su particelle microscopiche e manipolare posizioni tridimensionali (3-D) delle particelle. Le pinzette ottiche impiegano un laser strettamente focalizzato il cui diametro del raggio è inferiore a un micrometro (1/ 100 di spessore dei capelli), che può generare una forza attrattiva sulle particelle microscopiche vicine che si muovono verso il fuoco del raggio. Il controllo delle posizioni del fuoco del raggio ha permesso ai ricercatori di trattenere le particelle e spostarle liberamente in altre posizioni, così hanno coniato il nome "pinzette ottiche, " e sono stati ampiamente utilizzati in vari campi di studi fisici e biologici.

Finora, la maggior parte degli esperimenti che utilizzano pinzette ottiche sono stati condotti per intrappolare particelle sferiche perché i principi fisici possono facilmente prevedere le forze ottiche e il movimento di risposta delle microsfere. Per intrappolare oggetti con forme complicate, però, pinzette ottiche convenzionali inducono un movimento instabile di tali particelle, e l'orientamento controllabile di tali oggetti è limitato, che ostacolano il controllo del movimento 3D di oggetti microscopici aventi forme complesse come le cellule viventi.

Il team di ricerca ha sviluppato una nuova tecnica di manipolazione ottica in grado di intrappolare oggetti complessi di forme arbitrarie. Questa tecnica misura prima le strutture 3D di un oggetto in tempo reale utilizzando un microscopio olografico 3D, che condivide lo stesso principio fisico dell'imaging TC a raggi X. Sulla base della forma 3D misurata dell'oggetto, i ricercatori calcolano con precisione la forma della luce che può controllare stabilmente l'oggetto. Quando la forma della luce è uguale alla forma dell'oggetto, l'energia dell'oggetto è ridotta al minimo, che fornisce l'intrappolamento stabile dell'oggetto avente la forma complicata.

Inoltre, controllando la forma della luce per avere varie posizioni, indicazioni, e forme di oggetti, è possibile controllare liberamente il movimento 3D dell'oggetto e dare all'oggetto la forma desiderata. Questo processo assomiglia alla generazione di uno stampo per fondere una statua con la forma desiderata, così i ricercatori hanno coniato il nome dell'attuale tecnica "stampo tomografico per intrappolamento ottico (TOMOTRAP)." Il team è riuscito a intrappolare in modo stabile i singoli globuli rossi umani, ruotandoli con gli orientamenti desiderati, piegandoli a forma di L, e l'assemblaggio di due globuli rossi insieme per formare una nuova struttura. Inoltre, le cellule del cancro del colon aventi una struttura complessa potrebbero essere stabilmente intrappolate e ruotate negli orientamenti desiderati. Tutto ciò è stato difficile da realizzare con le tecniche ottiche convenzionali.

Il professor Park ha detto, "La nostra tecnica ha il vantaggio di controllare il movimento 3D di oggetti di forma complessa senza conoscere informazioni preliminari sulla loro forma e caratteristiche ottiche, e può essere applicato in vari campi tra cui la fisica, ottica, nanotecnologia, e la scienza medica».

Dottor Kyoohyun Kim, l'autore principale di questo articolo, notato che questa tecnica può indurre la deformazione controllata delle cellule biologiche con le forme desiderate. "Questo approccio può essere applicato anche al monitoraggio in tempo reale della prognosi chirurgica di interventi chirurgici a livello cellulare per catturare e deformare cellule e organelli subcellulari, " ha aggiunto Kim.