Les pincettes acoustiques sont basées sur des vortex acoustiques focalisés et promettent de manipuler avec précision les micro-organismes et les cellules de l'échelle millimétrique à l'échelle submicronique, sans contact, et avec une sélectivité et une force de piégeage sans précédent. La généralisation de la technique est actuellement entravée par les limitations des systèmes existants dues aux performances, la miniaturisation et l'incapacité à assimiler dans les compartiments. Dans une étude récente, Michael Baudoin et ses collègues de Sorbonne Université et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), amélioré le potentiel des tourbillons acoustiques focalisés en développant le premier méplat, « pince acoustique » compacte et appariée à une seule électrode focalisée ou focalisée.

L'invention reposait sur des transducteurs en spirale conçus en pliant un vortex acoustique sphérique sur un substrat piézoélectrique plat. Baudouin et al. a démontré la capacité de ces pinces acoustiques à saisir et déplacer des objets micrométriques dans un environnement microfluidique avec une sélectivité unique. Le système est simple et évolutif vers des fréquences plus élevées; ouvrant de formidables perspectives en microbiologie, microrobotique et microscopie. Les résultats sont maintenant publiés dans Avancées scientifiques .

Les premières observations rapportées de lévitation partielle dans les champs d'ondes acoustiques remontent aux travaux de Boyle et Lehmann en 1925. La manipulation précise et sans contact d'objets physiques et biologiques à l'échelle micrométrique jusqu'à l'échelle nanométrique a des applications prometteuses dans le monde moderne, divers domaines de la microrobotique, génie tissulaire et micro/nanomédecine. Les pincettes acoustiques sont une technologie de premier plan pour accomplir la tâche car elles sont non invasives, biocompatible et sans étiquette. Ils sont également capables de piéger des forces plusieurs fois supérieures à celles de leurs homologues optiques, à la même puissance d'actionnement. Cependant, ce n'est que récemment que les scientifiques ont développé simultanément des systèmes avancés de synthèse d'ondes, les configurations microfluidiques et la théorie de la pression de rayonnement acoustique, pour permettre d'exploiter le potentiel de l'acoustophorèse (mouvement avec le son).

Jusqu'à récemment, la majorité des pinces acoustiques reposaient sur un seul, ou un ensemble d'ondes stationnaires orthogonales pour créer un réseau de nœuds et de ventres pour piéger les particules. Alors que ces systèmes étaient très efficaces pour la manipulation collective des particules et des cellules, le système empêchait la sélectivité spécifique. Bien qu'une localisation limitée de l'énergie acoustique puisse être obtenue en utilisant la technique originale du sous-temps de vol, seule la forte focalisation des champs d'ondes pourrait permettre une sélectivité spécifique au niveau de la particule unique.

Les ondes acoustiques focalisées sont donc des candidats naturels pour atteindre ce niveau de localisation mais de nombreuses particules d'intérêt (cellules et fragments rigides) peuvent migrer vers les nœuds d'ondes stationnaires pour être expulsées du foyer d'ondes, contrecarrer les efforts de recherche sur l'ingénierie d'une pince à épiler acoustique sélective. Alors qu'une multitude de systèmes ont été précédemment proposés pour synthétiser des tourbillons acoustiques, la capacité de retenir un piège 3-D et de choisir une particule spécifique indépendamment de ses voisins n'a été démontrée que récemment en utilisant un puissant vortex acoustique focalisé. Les tourbillons acoustiques ainsi synthétisés reposent sur des réseaux de transducteurs ou des systèmes passifs encombrants et incompatibles au sein des microsystèmes (microfluidique et micropuces).

Dans le travail present, Baudouin et al. a donc exploité le potentiel des pincettes acoustiques sélectives en repliant la phase d'un vortex acoustique focalisé sur une surface plane. Pour y parvenir, ils ont suivi le principe des lentilles de Fresnel et synthétisé des vortex acoustiques avec des électrodes interdigitées en spirale simples déposées à la surface d'un substrat piézoélectrique. Ils ont matérialisé deux lignes équiphases utilisant les électrodes pour représenter la phase repliée sur deux niveaux discrets. La forme de l'électrode était semblable à une spirale d'Archimède-Fermat, où sa contraction radiale a permis la focalisation de l'onde sans l'exigence d'un transducteur ou d'une lentille incurvée, comme un avantage majeur par rapport aux systèmes existants. Baudouin et al. ont également pu surmonter toutes les limitations des pincettes cylindriques à base de vortex précédemment démontrées pour démontrer actuellement une sélectivité plus élevée. Dans l'étude, les scientifiques ont utilisé le développement pour :

1. Mesurer le champ acoustique avec un interféromètre laser et quantifier la décroissance radiale rapide des anneaux secondaires (anneaux de plus faible amplitude pouvant gêner la sélectivité) dans le système, et
2. Piège et déplace sélectivement une particule indépendamment de ses voisines dans un environnement microfluidique standard, démontrant sa praticité.

Les scientifiques ont conçu le système expérimental pour synthétiser des tourbillons focaux à une fréquence de 4,4 MHz, avec des électrodes métalliques en spirale qui ont été déposées à la surface d'un niobate de lithium Y-36 (LiNbO 3 ) substrat piézoélectrique. Pour entraîner la vibration de ces électrodes en spirale, les scientifiques ont utilisé un générateur de forme d'onde et un amplificateur pour la convergence du faisceau pendant l'expérience dans une configuration microfluidique aqueuse composée d'une lamelle de verre et d'une chambre en polydiméthylsiloxane (PDMS). Ils ont assuré une meilleure transmission de l'énergie acoustique du verre au liquide dans le montage expérimental et ont utilisé un vibromètre laser Polytec pour mesurer le champ acoustique résultant à la surface de la lamelle de verre.

Dans le montage expérimental, Baudouin et al. ont utilisé des électrodes métalliques déposées à la surface du substrat piézoélectrique pour synthétiser des faisceaux de Hankel convergés d'ouverture finie. Ils ont excité chaque électrode pour provoquer des vibrations localisées sur le substrat piézoélectrique et produire un vortex acoustique massif à l'intérieur d'une lame de verre. Dans cette méthode holographique, ils ont combiné plusieurs concepts dans le domaine de la microélectronique, y compris les principes physiques sous-jacents des lentilles de Fresnel en optique, la spécificité de la topologie du faisceau de Bessel et les principes de la synthèse d'ondes avec des transducteurs interdigités (IDT).

Les faisceaux acoustiques sphériques de Bessel sont des tourbillons sphériques qui forment d'excellents candidats pour créer un piège acoustique localisé. Mécaniquement, ces champs acoustiques peuvent focaliser l'énergie acoustique en 3D pour créer une zone d'ombre au centre du vortex entourée d'une coque brillante pour piéger les particules. Tout comme une onde stationnaire plane est une combinaison de deux ondes progressives contrapropagatives, un faisceau de Bessel sphérique résulte de l'interférence entre un faisceau de Hankel sphérique convergent et divergent.

Par conséquent, un faisceau de Bessel peut être produit expérimentalement par un seul faisceau convergent de Hankel qui interfère avec son homologue divergent généré au foyer, c'est-à-dire au sein de la singularité centrale du vortex. En raison de l'effet piézoélectrique, les scientifiques ont pu coupler les vibrations mécaniques des ondes acoustiques massives au potentiel électrique et modéliser les électrodes comme des fils parfaits (lignes isopotentielles). A l'aide des deux électrodes, Baudouin et al. discrétisé la phase repliée sur deux niveaux pour former la pince acoustique.

Les scientifiques ont comparé le champ acoustique mesuré expérimentalement avec les prédictions numériques obtenues à partir de la méthode du spectre angulaire pour montrer un excellent accord entre les deux, pour l'intensité et la phase du champ d'onde. Ils ont comparé l'évolution radiale mesurée et moyennée expérimentalement de l'intensité de l'anneau à (1) l'évolution radiale d'un vortex cylindrique (rouge) et (2) l'évolution radiale d'un vortex sphérique (bleu). Les résultats ont montré que puisque la pression de rayonnement était proportionnelle à l'intensité du faisceau, la sélectivité a été grandement améliorée par la focalisation axiale du faisceau par rapport aux tourbillons cylindriques. De cette façon, les scientifiques ont montré que la focalisation 3-D de l'énergie était un avantage majeur pour manipuler sélectivement les particules.

Pour démontrer la capacité de la pince acoustique à prélever une particule et à se déplacer indépendamment de ses voisines, Baudouin et al. particules de polystyrène monodispersées dispersées d'un rayon de 75 ± 2 µm à l'intérieur de la chambre microfluidique d'une hauteur de 300 µm. La pince à épiler a prélevé une particule spécifique en polystyrène, où la faible densité et compressibilité des particules contrastaient avec le liquide environnant. Selon un précédent rapport, la force de piégeage exercée sur les particules solides par un faisceau de Bessel de premier ordre dépendait fortement de la densité et/ou de la compressibilité contrastées; plus faible le contraste – plus faible la force de piégeage. Seules les particules piégées au centre du vortex se sont déplacées, tandis que les autres restaient immobiles. En utilisant la technique, les scientifiques ont démontré la capacité de la pince à épiler à positionner avec précision un ensemble de 18 particules de polystyrène d'un rayon de 75 ± 2 µm à partir d'une distribution aléatoire selon un schéma prescrit pour épeler « MOV » (Moving Objects with Vortices).

Au total, Baudouin et al. a levé les restrictions existantes des pincettes acoustiques qui avaient jusqu'à présent forcé un compromis entre la sélectivité et la miniaturisation ou l'intégration, empêchant leurs applications en microfluidique et en microbiologie. Ils ont surmonté les limitations grâce (1) au piégeage acoustique avec des vortex focalisés, (2) synthèse d'ondes holographiques avec IDT et (3) intégration des principes des lentilles de Fresnel au sein d'un seul, dispositif de miniaturisation compact et transparent.

En utilisant le microsystème, les scientifiques ont démontré la manipulation sans contact des particules dans un environnement de microscopie standard avec une sélectivité de pointe. En raison de la simplicité de la technologie et de l'évolutivité vers des fréquences plus élevées, l'œuvre peut ouvrir la voie à la manipulation individuelle et à l'assemblage in situ de micro-objets physiques et biologiques.

La démonstration rigoureuse d'un véritable piégeage 3D avec une onde progressive nécessitera l'élimination de toutes les ondes stationnaires pouvant apparaître à partir des réflexions d'ondes dans une configuration confinée. Les démonstrations pratiques de la capacité de piégeage 3D de la pince d'Archimède-Fermat présenteront une perspective intéressante en microrobotique, l'ingénierie tissulaire et la nanomédecine.

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