Los ingenieros de la Universidad de Duke han ideado un nuevo enfoque para usar ondas sonoras para manipular partículas diminutas suspendidas en líquido de formas complejas. Denominada "guía de ondas de sombra", la técnica utiliza solo dos fuentes de sonido para crear un campo acústico espacialmente complejo y estrechamente confinado.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, administración de fármacos e ingeniería de células y tejidos.
La investigación aparece en línea el 18 de agosto en la revista avances científicos .
Las pinzas acústicas son una tecnología emergente que utiliza ondas sonoras para manipular partículas pequeñas 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, lo que la convierte en una opción atractiva para trabajar.con delicadas biomoléculas.
En el ámbito biomédico, las pinzas acústicas pueden atrapar, rotar y mover partículas u organismos para su inspección, clasificación u otras aplicaciones. Pueden mantener ciertos reactivos y productos químicos separados antes de permitir que se mezclen en cantidades precisas para controlar las reacciones. La tecnología también proporcionauna 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 utilizan 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 al mismo tiempo. Esto haceEs difícil manipular partículas independientemente unas de otras o mediante patrones complejos. Esto último se puede lograr al incluir 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 de muchas características de ingeniería individuales, que juntas producen propiedades que no se encuentran en la naturaleza.
"Queríamos inyectar energía de ondas acústicas en la cámara y usar una estructura justo fuera de la cámara para controlar la forma de las ondas de sonido en el interior", dijo Cummer. "El resultado es una especie de fibra óptica para el sonido que da formala propagación del sonido e intencionalmente filtra parte de su energía en la cámara, una especie de sombra de sonido, para controlar las partículas en el interior con canales virtuales ".
En el nuevo artículo, Cummer y Junfei Li, un investigador postdoctoral que trabaja en su laboratorio, en colaboración con el innovador de pinzas acústicas Tony Huang, profesor distinguido de ingeniería William Bevan en Duke, demuestran varias capacidades de su enfoque de guía de ondas de sombra. Cada unoLa guía de ondas 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 las ondas de sonido ingresan a la cámara, lo que permitelos investigadores para 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 rutas complejas 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 muestran que pueden bombear partículas a lo largo de unaarco de curvatura lenta con 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, estamos buscandodesafíos 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 hacia la aplicación podría ser fusionar esto con múltiples conceptos en el campo", agregó Cummer. "Agregar múltiples fuentes de sonido y estructuras para crear más complejidad podría ser lo que nos empuje al límite en algunas aplicaciones".
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval N00014-13-1-0631, una subvención de Fronteras Emergentes en Investigación e Innovación de la National Science Foundation 1641084, una subvención CMMI de la National Science Foundation 1951106y los Institutos Nacionales de Salud R01GM132603, U18TR003778, UG3TR002978.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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