Gli ingegneri meccanici della Duke University hanno dimostrato una serie di prototipi per manipolare particelle e cellule in una capsula di Petri usando le onde sonore. I dispositivi, note nella comunità scientifica come "pinzette acustiche, " sono la prima incursione nella realizzazione di questi tipi di strumenti, che sono stati finora relegati a laboratori dotati di attrezzature e competenze specifiche, disponibile per l'uso in una vasta gamma di impostazioni.

Il documento che descrive la tecnologia appare online il 9 settembre sulla rivista Progressi scientifici .

Le pinzette acustiche sono un potente, set versatile di strumenti che utilizzano onde sonore per manipolare bioparticelle che vanno da vescicole extracellulari di dimensioni nanometriche a organismi multicellulari di dimensioni millimetriche. Negli ultimi decenni, le capacità delle pinzette acustiche si sono espanse dal semplicistico intrappolamento di particelle alla precisa rotazione e traslazione di cellule e organismi in tre dimensioni.

"I recenti progressi hanno portato a molti progressi, strumenti versatili, " ha detto Tony Jun Huang, il William Bevan Distinguished Professor di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali, che opera nel settore da più di un decennio. "Però, alla fine del giorno, il successo di questo campo dipende dal fatto che gli utenti finali come i biologi, chimici o clinici sono disposti ad adottare questa tecnologia o meno. Questo documento dimostra un passo avanti verso un flusso di lavoro molto più amichevole per rendere più facile per gli utenti finali l'adozione di questa tecnologia".

Nella loro prima applicazione, le pinzette acustiche utilizzavano onde sonore generate da lati opposti di un chip o una camera microfluidica per creare nodi in cui sono intrappolate cellule o microparticelle. Spostando i fronti d'onda delle onde sonore attraverso le superfici opposte della camera si controllava la posizione di una particella in due dimensioni, mentre la regolazione delle ampiezze delle onde sonore potrebbe spingerle o tirarle nel terzo.

Da allora sono state dimostrate configurazioni più avanzate, dove le onde sonore riverberano in una camera fluidica. Per esempio, a seconda dell'applicazione, i modelli possono essere creati e modificati per separare e manipolare più particelle contemporaneamente, oppure si possono formare vortici per concentrare un gruppo di particelle.

Ma non importa quanto siano avanzate le loro capacità, le pinzette acustiche sono state così relegate a dimostrazioni di prototipi e laboratori con attrezzature specializzate; pochissimi biologi hanno ancora adottato questa tecnologia.

"Il nostro obiettivo è colmare il divario tra le innovazioni acustiche e il banco biologico/clinico, " disse Huang.

Nella carta, Huang e i suoi colleghi dimostrano tre configurazioni prototipo che utilizzano trasduttori per creare onde sonore che manipolano le particelle nella piastra di coltura cellulare più comune trovata nei laboratori biomedici:la capsula di Petri.

Nel primo disegno, un set di quattro trasduttori, uno su ciascun lato della capsula di Petri, creare onde sonore che interagiscono tra loro per creare uno schema fisso all'interno del campione liquido del piatto. La configurazione potrebbe essere utilizzata per il modello di cella multi-configurazione, studi di interazione cellula-cellula e costruzione di tessuti 3-D.

Il secondo design utilizza un trasduttore inclinato che invia un'onda sonora angolata da sotto la capsula di Petri per creare un vortice che concentra il contenuto della capsula al centro. Questa capacità consentirebbe ai ricercatori di concentrare le bioparticelle per il potenziamento del segnale e la costruzione di sferoidi a grandi cellule.

Nella configurazione finale, trasduttori interdigitali olografici, due trasduttori montati insieme come una cerniera, creano onde simili a raggi ad alta frequenza da sotto la capsula di Petri per controllare le particelle in posizioni specifiche. Passando da un design all'altro, la configurazione può stimolare le cellule così come concentrare e intrappolare le bioparticelle.

Insieme, le configurazioni dimostrano pinzette acustiche facili da usare che possono manipolare delicatamente un'ampia varietà di cellule e particelle senza toccarle o etichettarle. Le potenziali applicazioni includono modelli e celle di stampa, separare e ordinare le celle, controllo delle interazioni cellula-cellula, costruzione di tessuti e organismi pluricellulari rotanti.

"Lo scopo di questo studio era duplicare alcune delle funzioni precedenti delle nostre pinzette acustiche nelle capsule di Petri, " disse Huang, che ha anche co-fondato una società per perseguire la commercializzazione della tecnologia. "Il nostro prossimo obiettivo è costruire un singolo prototipo che realizzi tutte le capacità di queste tre configurazioni, se non di più".