Los ingenieros de la Universidad de Duke han ideado un nuevo enfoque para utilizar ondas de sonido para manipular partículas diminutas suspendidas en líquido de formas complejas. Apodada una "guía de ondas de sombra, "la técnica utiliza solo dos fuentes de sonido para crear un campo acústico espacialmente complejo dentro de una cámara sin requerir ninguna estructura interior. La tecnología ofrece un nuevo conjunto de características a la plataforma de rápido desarrollo de pinzas acústicas que tiene aplicaciones en campos como el control de reacciones químicas, micro-robótica, entrega de medicamentos, e ingeniería de células y tejidos.
La investigación aparece en línea el 18 de agosto en la revista Avances de la ciencia .
Las pinzas acústicas son una tecnología emergente que utiliza ondas sonoras para manipular pequeñas partículas suspendidas en líquido. Debido a que ningún objeto físico toca las partículas, la técnica es suave, no ofrece problemas de biocompatibilidad y no requiere etiquetas, por lo que es una opción atractiva para trabajar con biomoléculas delicadas.
En el ámbito biomédico, las pinzas acústicas pueden atrapar, rotar y mover partículas u organismos para su inspección, clasificación u otras aplicaciones. Pueden mantener separados ciertos reactivos y productos químicos antes de permitirles que se mezclen en cantidades precisas para controlar las reacciones. La tecnología también proporciona una vía para modelar diferentes materiales antes de usar cualquier cantidad de técnicas para fijarlos en su lugar y crear nuevos tipos de materiales.
A pesar de todo su potencial, la tecnología tiene sus limitaciones. La mayoría de las configuraciones actuales usan múltiples fuentes de sonido colocadas alrededor de una cámara llena de líquido que crea un patrón de tablero de ajedrez de áreas que pueden atrapar y mover partículas en sincronía unas con otras. Esto dificulta la manipulación de partículas independientemente unas de otras o mediante patrones complejos. Esto último se puede lograr mediante la inclusión de estructuras de canales sólidos dentro de la cámara, pero esto puede dañar las partículas delicadas y limitar la rapidez con que las muestras se pueden mover a través del sistema.
Para superar estas limitaciones, Steve Cummer, el Profesor Distinguido de Ingeniería William H. Younger en Duke, recurrió a ideas inspiradas en metamateriales. Los metamateriales son materiales sintéticos compuestos por muchas características de ingeniería individuales, que juntos producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza.
"Queríamos inyectar energía de ondas acústicas en la cámara y usar una estructura en el exterior de la cámara para controlar la forma de las ondas sonoras en el interior, ", dijo Cummer." El resultado es una especie de fibra óptica para el sonido que da forma a la propagación del sonido y filtra intencionalmente parte de su energía en la cámara, una especie de sombra de sonido, para controlar las partículas internas con canales virtuales ".
En el nuevo periódico, Cummer y Junfei Li, un investigador postdoctoral que trabaja en su laboratorio, en colaboración con el innovador de pinzas acústicas Tony Huang, el Profesor Distinguido de Ingeniería William Bevan en Duke, demostrar varias capacidades de su enfoque de guía de ondas de sombra. Cada guía de onda de sombra se crea mediante la impresión 3D de un molde con características específicas de cómo se controlarán las partículas dentro de la cámara. Se vierte un tipo de silicona llamada polidimetilsiloxano (PDMS) en cada molde de medio tubo con características que crean canales dentro del producto terminado.
El PDMS tiene propiedades acústicas muy similares al agua, lo que permite que las ondas de sonido viajen fácilmente desde la guía de ondas de sombra a la cámara. El patrón de los canales llenos de aire dentro del PDMS dicta dónde y cómo ingresan las ondas sonoras a la cámara, permitiendo a los investigadores crear una amplia gama de campos acústicos complejos para controlar las partículas.
Cummer y Li usan esta configuración para atrapar y mover micropartículas individuales a lo largo de múltiples caminos complejos a través de la cámara. Y al configurar dos fuentes de sonido, una en cada extremo de la guía de ondas de sombra, los investigadores demuestran que pueden bombear partículas a lo largo de un arco de curvatura lenta con una velocidad controlada con precisión.
Con esta demostración en la mano, los investigadores ahora buscan agregar complejidad a su invención, ya sea haciendo que las guías de ondas sean dinámicamente reconfigurables o fusionándolas con otros enfoques existentes de pinzas acústicas.
"Los dispositivos acústicos son muy difíciles de reconfigurar, pero nos encantaría encontrar una manera de hacerlo posible porque sería una mejora dramática en la usabilidad de esta técnica, "dijo Li." Por ahora, buscamos desafíos específicos para los que podríamos adaptar estas guías de onda de sombra para pasar de una demostración de prueba de concepto a una aplicación más sofisticada ".
"El camino a la aplicación podría ser fusionar esto con varios conceptos en el campo, "agregó Cummer." Agregar múltiples fuentes de sonido y estructuras para crear más complejidad podría ser lo que nos lleve al límite en algunas aplicaciones ".
