Los ingenieros mecánicos de la Universidad de Duke están utilizando dos "voces" electrónicas que cantan un dúo armónico para controlar partículas y células suspendidas de formas nuevas y valiosas. Su dispositivo prototipo puede formar y rotar un cristal de una sola capa a partir de un grupo de partículas, crearforma con un número dado de partículas, y mueve pares de células biológicas juntas y separadas cientos de veces.
Estas habilidades podrían servir para una amplia variedad de campos, como la ciencia de los materiales, la física de la materia condensada blanda, la biofísica, las ciencias de la vida y la medicina.
Por ejemplo, los investigadores han demostrado que el dispositivo puede emparejar selectivamente dos células individuales y medir sus fuerzas de adhesión, una hazaña que los médicos podrían usar para determinar el tratamiento para pacientes con cáncer individuales. Debido a la destreza y la suavidad del dispositivo acústico,los investigadores la han denominado plataforma HANDS acústica armónica para la manipulación selectiva, dinámica y sin contacto de partículas.
Los resultados aparecen en línea el 24 de marzo en la revistaMateriales naturales.
"La separación de partículas o células emparejadas ha sido un objetivo importante en el campo de la manipulación acústica durante muchos años", dijo Tony Jun Huang, profesor distinguido William Bevan de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales en Duke. "Nuestra plataforma HANDS esel primer método para separar objetos apareados, que proporciona una forma de estudios de interacción célula-célula que se necesitan ampliamente en estudios de biofísica y descubrimiento de fármacos".
Las pinzas acústicas son un campo en rápido desarrollo que utiliza varios fenómenos físicos de ondas de sonido para manipular suavemente partículas o células suspendidas en líquidos sin tocarlas. Algunos ejemplos pellizcan partículas entre dos ondas de sonido y ajustan la fase de las ondas o el punto de origen para moverlasOtros crean patrones combinando dos ondas sonoras estáticas para separar partículas en diferentes formaciones, como una cuadrícula.
Ahora, los investigadores han agregado una nueva capa de complejidad a estos dispositivos al introducir melodías y armonías piezoeléctricas en la configuración. Donde los dispositivos anteriores crean ondas estacionarias estáticas, el prototipo de la plataforma HANDS usa un generador de funciones para crear ondas estacionarias complejas que cambian rápidamente.Uno podría pensar que, en lugar de que las máquinas canten una sola nota, ahora están alcanzando los altos y bajos rápidos de una ópera complicada con dos cantantes.
El nuevo dispositivo funciona colocando transductores que crean sonido a cada lado de una pequeña cámara cuadrada llena de líquido. Estos cuatro transductores funcionan al mismo tiempo que los que están directamente frente a ellos, formando dos pares. Uno crea patrones en la cámara horizontalmente y el otrootro verticalmente La interacción de estos dos patrones de ondas de sonido complejos y que cambian rápidamente crea habilidades dinámicas nunca antes demostradas dentro del campo.
"Simulé cómo podrían combinarse estas ondas para manipular las partículas en la cámara y luego realicé experimentos para ver los resultados reales", dijo Shujie Yang, asociado postdoctoral en el laboratorio de Huang. "Tomó mucho tiempo y muchas pruebas, perofinalmente, las simulaciones se volvieron lo suficientemente buenas como para comenzar a igualar los resultados. Y una vez que las simulaciones fueron precisas, pude comenzar a predecir nuevas habilidades".
En el artículo, Yang demuestra varias habilidades novedosas de las pinzas acústicas del dúo armónico. En un experimento, muestra que la plataforma HANDS puede aplanar y modelar un grupo 3D de 24 partículas en una estructura cristalina. Puede hacer girar estas formaciones planas comoun plato en la yema de un dedo.
Pasando a la manipulación de partículas individuales, el documento demuestra partículas engatusadas en tres formaciones diferentes que tienen un parecido sorprendente con las letras O, D y K. El dispositivo luego empareja docenas de partículas individuales como adolescentes en un baile escolar y muestra que puedesepare cada par y vuélvalos a juntar más de mil veces.
En la demostración final, Yang muestra que el dispositivo puede seleccionar un solo par de celdas de una alineación, juntarlas y separarlas. Luego usa esta capacidad para medir las fuerzas de adhesión que actúan entre dos celdas que se tocanotro.
Según los investigadores, esta es la capacidad más emocionante de la plataforma HANDS, ya que podría permitir pruebas detalladas para la medicina personalizada.
"Estoy encantado con las capacidades de esta plataforma, que es tan suave como las manos de una madre", dijo Luke Lee, profesor de medicina en la Escuela de Medicina de Harvard, quien es uno de los líderes de la investigación.manos nos permiten establecer las bases de la biología celular cuantitativa y la medicina traslacional de precisión".
"Por ejemplo, podemos estudiar sistemáticamente las interacciones de las células T con las células cancerosas de una manera de alto rendimiento y obtener fuerzas de interacción célula-célula de precisión", dijo Lee. "Esto podría ayudar a los médicos a encontrar la terapia celular más efectiva y específica parapacientes como medicina de precisión personalizada".
Esta investigación fue apoyada por los Institutos Nacionales de Salud R01GM141055, R01GM132603, U18TR003778, UG3TR002978 y la Fundación Nacional de Ciencias ECCS-1807601, CMMI-2104295.
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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