Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont découvert une source potentielle d'erreur lors de l'utilisation d'ondes acoustiques pour mesurer les propriétés de fluides tels que le sang. Leur découverte ouvre la possibilité de tests diagnostiques plus précis pour certains types de cancer du sang et d'un tri plus précis des cellules sanguines.

Toutes les ondes acoustiques, y compris les ultrasons, créent des régions de haute et basse pression alternées dans un milieu tel que l'air, l'eau et d'autres fluides tels que le sang. Les chercheurs les utilisent fréquemment pour étudier les propriétés de petits volumes de "microfluides", ceux confinés dans des vaisseaux pas plus larges que l'épaisseur d'une carte de crédit.

Pour mesurer les propriétés d'un échantillon de sang microfluidique, les chercheurs utilisent des ondes ultrasonores d'une fréquence et d'une énergie connues, générées juste sous la paroi inférieure du vaisseau par un cristal piézoélectrique, un matériau capable de convertir le flux d'électricité en ondes acoustiques. Les ondes qui pénètrent dans le fluide chevauchent principalement le long de la surface inférieure, entre le liquide et la paroi. Une fois que les ondes sont sorties du fluide, les scientifiques détectent toute perte d'énergie ou tout changement de fréquence des ondes. Ces mesures peuvent révéler des propriétés cruciales pour mesurer le flux sanguin, qui peut être dangereusement lent chez certains patients atteints d'un cancer du sang. Les ondes acoustiques peuvent également trier les cellules dans le sang total.

Les chercheurs biomédicaux et les oncologues ont un intérêt particulier à mesurer la viscosité d'un microfluide. Parfois appelée épaisseur d'un fluide, la viscosité est plus précisément définie comme une mesure de la résistance d'un fluide au cisaillement. Par exemple, la mélasse résiste beaucoup plus au cisaillement que l'eau et est environ 5 000 fois plus visqueuse, ce qui explique son comportement lent.

Les personnes atteintes de certains types de cancers du sang, notamment le myélome multiple, la leucémie et la macroglobulinémie de Waldenström, peuvent avoir un plasma sanguin si visqueux qu'il peut interférer avec la circulation du sang dans tout le corps. Pour évaluer cette condition, connue sous le nom de syndrome d'hyperviscosité, les médecins s'appuient sur une variété de mesures telles que la viscosité du sang total et du sérum sanguin.

Pour les mesures acoustiques de ces propriétés, l'équipe de recherche du NIST a découvert qu'une propriété souvent ignorée connue sous le nom de glissement doit être prise en compte pour garantir leur exactitude. Le glissement fait référence au mouvement du microfluide lorsqu'il glisse contre les parois solides de son récipient. Le glissement dans un microfluide, ont découvert les chercheurs, est similaire à celui observé dans un tour de fête familier, lorsque quelqu'un tire une nappe, laissant derrière lui la vaisselle et l'argenterie. (Sans glissement, la vaisselle tomberait avec la nappe.)

Un microfluide subit un glissement simplement dû à l'écoulement du fluide contre la paroi de son contenant. Mais lorsque les ondes acoustiques pénètrent dans le microfluide, elles introduisent un deuxième type de glissement. Le mouvement périodique des ondes acoustiques - son cycle de crêtes et de creux - fait que la surface du microfluide la plus proche de la source d'onde se déplace très légèrement d'avant en arrière contre la paroi du conteneur. Ce mouvement latéral est en effet minuscule - le mouvement ne représente pas plus d'environ 15 molécules de longueur.

Dans une série d'expériences, Aurore Quelennec (maintenant chez Teledyne Technologies au Canada), ainsi que les scientifiques du NIST Jason Gorman et Darwin Reyes, ont découvert que la présence de ce glissement acoustique empêche les microfluides d'absorber autant d'énergie des ondes acoustiques qu'ils le feraient autrement. L'étude de l'équipe a exclu plusieurs autres facteurs, tels que la tension superficielle et la rugosité des parois du conteneur, qui auraient également pu diminuer la quantité d'énergie acoustique absorbée par le microfluide, a noté Reyes.

"Le glissement dû uniquement à l'écoulement de fluide est bien compris", a déclaré Gorman. "Cependant, alors que de nombreuses nouvelles classes de dispositifs acousto-fluidiques émergent dans les applications des biosciences, telles que le tri cellulaire, la lyse (décomposition de la membrane cellulaire) et la mesure des propriétés des fluides, le glissement acoustique devient de plus en plus important à caractériser", Gorman dit.

Les chercheurs ont été surpris de constater que le glissement acoustique entre le fluide et la paroi du récipient ressemble à celui d'un solide frottant contre un autre, régi par les lois de frottement d'Amontons-Coulomb. La ressemblance est importante car elle permettra aux chercheurs de modéliser le glissement acoustique à partir d'un phénomène plus familier et mieux étudié.

Si le glissement acoustique à l'interface liquide-solide est ignoré, le changement d'absorption des ondes acoustiques serait entièrement attribué aux propriétés physiques du microfluide qu'elles traversent. Bien que les chercheurs n'aient pas examiné comment leur découverte pourrait jouer dans les études acoustiques du sang ou d'autres matières biologiques, le glissement acoustique peut conduire à une mesure moins précise de la viscosité.

Le glissement de liquide peut également affecter la capacité des ondes acoustiques à trier les cellules dans un petit échantillon de sang total. Dans cette technique, les ondes sont utilisées pour pousser les cellules dans le sang. Pour une énergie et une intensité données des ondes acoustiques, différents types de cellules sanguines seront poussés par des quantités différentes en fonction de leur taille et d'autres propriétés physiques et mécaniques, entraînant une séparation. Mais parce que le glissement réduit le transfert d'énergie et de pression, la qualité du processus de tri sera diminuée.

"Si le véritable rôle du glissement est reconnu et pris en compte, cela permettra aux mesures acoustiques dans les microfluides d'atteindre la plus grande précision possible et de faire progresser les futures mesures en biologie et en médecine", a déclaré Reyes.

Les chercheurs ont rapporté leurs découvertes en ligne dans le numéro du 22 mars de Nature Communications . + Explorer plus loin

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Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.