Las pinzas acústicas se basan en vórtices acústicos enfocados y prometen manipular con precisión microorganismos y células desde la escala milimétrica hasta la escala submicrónica. sin contacto, y con una selectividad y una fuerza de captura sin precedentes. El uso generalizado de la técnica se ve obstaculizado en la actualidad por las limitaciones de los sistemas existentes derivadas del rendimiento, miniaturización y la incapacidad de asimilarse en compartimentos. En un estudio reciente, Michael Baudoin y colegas de la Universidad de la Sorbona y el Centro Nacional Francés de Investigación Científica (CNRS), mejoró el potencial de los vórtices acústicos enfocados desarrollando el primer piso, 'pinza acústica' compacta y emparejada de un solo electrodo focalizado o enfocado.

La invención se basó en transductores en espiral que se diseñaron doblando un vórtice acústico esférico sobre un sustrato piezoeléctrico plano. Baudoin y col. demostró la capacidad de estas pinzas acústicas para agarrar y desplazar objetos micrométricos dentro de un entorno microfluídico con una selectividad única. El sistema es simple y escalable a frecuencias más altas; abriendo tremendas perspectivas en microbiología, microrrobótica y microscopía. Los resultados ahora se publican en Avances de la ciencia .

Las primeras observaciones reportadas de levitación parcial en campos de ondas acústicas se remontan al trabajo de Boyle y Lehmann en 1925. La manipulación precisa y sin contacto de objetos físicos y biológicos en la escala micrométrica hasta la escala nanométrica tiene aplicaciones prometedoras en el mundo moderno, diversos campos de la microrrobótica, ingeniería de tejidos y micro / nanomedicina. Las pinzas acústicas son una tecnología destacada para realizar la tarea, ya que no son invasivas, biocompatible y sin etiqueta. También son capaces de atrapar fuerzas que son varios órdenes de magnitud más grandes que sus contrapartes ópticas, a la misma potencia de actuación. Sin embargo, sólo recientemente los científicos han desarrollado simultáneamente sistemas avanzados de síntesis de ondas, configuraciones de microfluidos y la teoría de la presión de radiación acústica, para permitir que se aproveche el potencial de la acútoforesis (movimiento con sonido).

Hasta hace poco, la mayoría de las pinzas acústicas se basaban en una sola, o conjunto de ondas estacionarias ortogonales para crear una red de nodos y antinodos para atrapar partículas. Si bien estos sistemas eran altamente eficientes para la manipulación colectiva de partículas y células, el sistema impidió una selectividad específica. Si bien se podría lograr una localización limitada de la energía acústica utilizando la técnica original de subtiempo de vuelo, solo el fuerte foco de los campos de ondas podría permitir una selectividad específica al nivel de una sola partícula.

Por lo tanto, las ondas acústicas enfocadas son candidatos naturales para lograr este nivel de localización, pero muchas partículas de interés (células y fragmentos rígidos) pueden migrar a los nodos de ondas estacionarias para ser expulsadas del foco de la onda. frustrar los esfuerzos de investigación sobre la ingeniería de una pinza acústica selectiva. Si bien anteriormente se propusieron una gran cantidad de sistemas para sintetizar vórtices acústicos, la capacidad de retener una trampa 3-D y recoger una partícula específica independientemente de sus vecinas se demostró recientemente utilizando un fuerte vórtice acústico enfocado. Los vórtices acústicos así sintetizados se basan en matrices de transductores o sistemas pasivos que son engorrosos e incompatibles dentro de los microsistemas (microfluidos y microchips).

En el presente trabajo, Baudoin y col. por lo tanto, aprovechó el potencial de las pinzas acústicas selectivas doblando la fase de un vórtice acústico enfocado en una superficie plana. Para lograr esto, siguieron el principio de las lentes de Fresnel y sintetizaron vórtices acústicos con electrodos interdigitados en espiral individuales depositados en la superficie de un sustrato piezoeléctrico. Materializaron dos líneas equifásicas utilizando los electrodos para representar la fase plegada en dos niveles discretos. La forma del electrodo era similar a una espiral de Arquímedes-Fermat, donde su contracción radial permitió el enfoque de la onda sin el requisito de un transductor curvo o lente, como una gran ventaja en comparación con los sistemas existentes. Baudoin y col. también pudieron superar todas las limitaciones de las pinzas cilíndricas basadas en vórtices demostradas anteriormente para demostrar actualmente una mayor selectividad. En el estudio, los científicos utilizaron el desarrollo para:

1. Mida el campo acústico con un interferómetro láser y cuantifique la disminución radial rápida de los anillos secundarios (anillos de amplitud más débil que pueden impedir la selectividad) en el sistema. y
2. Atrapar y mover selectivamente una partícula independientemente de sus vecinas dentro de un entorno de microfluidos estándar, demostrando su practicidad.

Los científicos diseñaron el sistema experimental para sintetizar vórtices focales a una frecuencia de 4,4 MHz, con electrodos metálicos en espiral que se depositaron en la superficie de un niobato de litio Y-36 (LiNbO ₃ ) sustrato piezoeléctrico. Para impulsar la vibración de estos electrodos en espiral, los científicos utilizaron un generador de forma de onda y un amplificador para la convergencia del haz durante el experimento dentro de una configuración de microfluidos acuosa que consta de un cubreobjetos de vidrio y una cámara de polidimetilsiloxano (PDMS). Aseguraron una mejor transmisión de la energía acústica del vidrio al líquido en la configuración experimental y utilizaron un vibrómetro láser Polytec para medir el campo acústico resultante en la superficie del cubreobjetos de vidrio.

En la configuración experimental, Baudoin y col. utilizaron electrodos metálicos depositados en la superficie del sustrato piezoeléctrico para sintetizar haces de Hankel convergentes de apertura finita. Excitaron cada electrodo para provocar vibraciones localizadas en el sustrato piezoeléctrico y producir un vórtice acústico masivo dentro de un portaobjetos de vidrio. En este método holográfico, combinaron varios conceptos en el campo de la microelectrónica, incluyendo los principios físicos subyacentes de las lentes Fresnel en óptica, la especificidad de la topología del haz de Bessel y los principios de la síntesis de ondas con transductores interdigitales (IDT).

Los haces de Bessel acústicos esféricos son vórtices esféricos que forman excelentes candidatos para crear una trampa acústica localizada. Mecánicamente, estos campos acústicos pueden enfocar la energía acústica en 3-D para crear una zona de sombra en el centro del vórtice rodeada por una capa brillante para atrapar partículas. Al igual que una onda estacionaria plana, es una combinación de dos ondas viajeras contrapropagantes, un haz de Bessel esférico es el resultado de la interferencia entre un haz de Hankel esférico convergente y divergente.

Como resultado, un haz de Bessel puede ser producido experimentalmente por un solo haz convergente de Hankel que interfiere con su contraparte divergente generada en el foco, es decir, dentro de la singularidad central del vórtice. Debido al efecto piezoeléctrico, los científicos pudieron acoplar las vibraciones mecánicas de las ondas acústicas en masa al potencial eléctrico y modelar los electrodos como cables perfectos (líneas isopotenciales). Usando los dos electrodos, Baudoin y col. discretizó la fase plegada en dos niveles para formar las pinzas acústicas.

Los científicos compararon el campo acústico medido experimentalmente con las predicciones numéricas obtenidas del método del espectro angular para mostrar una excelente concordancia entre ambos. para la intensidad y fase del campo de ondas. Compararon la evolución radial medida y promediada experimentalmente de la intensidad del anillo con (1) la evolución radial de un vórtice cilíndrico (rojo) y (2) la evolución radial de un vórtice esférico (azul). Los resultados mostraron que, dado que la presión de radiación era proporcional a la intensidad del haz, la selectividad se incrementó en gran medida mediante el enfoque axial del haz en comparación con los vórtices cilíndricos. De este modo, los científicos mostraron la focalización tridimensional de la energía como una gran ventaja para manipular selectivamente las partículas.

Para demostrar la capacidad de las pinzas acústicas para recoger una partícula y moverse independientemente de sus vecinas, Baudoin y col. partículas de poliestireno monodispersas dispersas con un radio de 75 ± 2 µm dentro de la cámara de microfluidos con una altura de 300 µm. Las pinzas recogieron una partícula específica hecha de poliestireno, donde la densidad débil y la compresibilidad de las partículas contrastaban con el líquido circundante. Según un informe anterior, la fuerza de atrapamiento ejercida sobre las partículas sólidas por un haz de Bessel de primer orden dependía en gran medida de la densidad y / o compresibilidad contrastantes; más débil el contraste - más débil la fuerza de captura. Solo las partículas atrapadas en el centro del vórtice se movieron, mientras los demás se quedaron quietos. Usando la técnica, Los científicos demostraron la capacidad de la pinza para colocar con precisión un conjunto de 18 partículas de poliestireno con un radio de 75 ± 2 µm partiendo de una distribución aleatoria en un patrón prescrito para deletrear 'MOV' (Objetos en movimiento con vórtices).

En total, Baudoin y col. levantó las restricciones existentes de las pinzas acústicas que hasta ahora habían forzado un compromiso entre selectividad y miniaturización o integración, impidiendo sus aplicaciones en microfluídica y microbiología. Superaron las limitaciones a través de (1) atrapamiento acústico con vórtices enfocados, (2) síntesis de ondas holográficas con IDT y (3) integración de los principios de las lentes Fresnel en una sola, Dispositivo de miniaturización compacto y transparente.

Usando el microsistema, Los científicos demostraron la manipulación sin contacto de partículas dentro de un entorno de microscopía estándar con selectividad de vanguardia. Debido a la simplicidad de la tecnología y la escalabilidad a frecuencias más altas, el trabajo puede allanar el camino hacia la manipulación individual y el ensamblaje in situ de microobjetos físicos y biológicos.

La demostración rigurosa de la captura tridimensional real con una onda progresiva requerirá la eliminación de cualquier onda estacionaria que pueda aparecer en los reflejos de las ondas en una configuración confinada. Las demostraciones prácticas de la capacidad de captura 3-D de las pinzas de Arquímedes-Fermat presentarán una perspectiva interesante en microrrobótica, ingeniería de tejidos y nanomedicina.

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