Des ingénieurs mécaniciens de l'Université Duke ont fait la démonstration d'un ensemble de prototypes pour manipuler des particules et des cellules dans une boîte de Pétri à l'aide d'ondes sonores. Les appareils, connu dans la communauté scientifique sous le nom de "pince acoustique, " sont la première incursion dans la fabrication de ces types d'outils, qui étaient jusqu'à présent relégués à des laboratoires dotés d'équipements et d'expertises spécifiques, disponible pour une utilisation dans un large éventail de paramètres.

L'article décrivant la technologie paraît en ligne le 9 septembre dans la revue Avancées scientifiques .

Les pincettes acoustiques sont un puissant, ensemble polyvalent d'outils qui utilisent des ondes sonores pour manipuler des bioparticules allant des vésicules extracellulaires de la taille du nanomètre aux organismes multicellulaires de la taille du millimètre. Au cours des dernières décennies, les capacités des pincettes acoustiques se sont étendues du piégeage simpliste des particules à la rotation et à la translation précises des cellules et des organismes en trois dimensions.

« Les progrès récents ont conduit à de nombreuses avancées, outils polyvalents, " a déclaré Tony Jun Huang, le professeur distingué William Bevan de génie mécanique et de science des matériaux, qui travaille dans le domaine depuis plus d'une décennie. "Toutefois, à la fin de la journée, le succès de ce domaine dépend du fait que les utilisateurs finaux tels que les biologistes, les chimistes ou les cliniciens sont prêts à adopter cette technologie ou non. Ce document montre une étape vers un flux de travail beaucoup plus convivial pour faciliter l'adoption de cette technologie par les utilisateurs finaux. »

Dans leur première candidature, les pincettes acoustiques utilisaient des ondes sonores générées par les côtés opposés d'une puce ou d'une chambre microfluidique pour créer des nœuds où les cellules ou les microparticules sont piégées. Le déplacement des fronts d'onde des ondes sonores à travers les surfaces opposées de la chambre contrôlait la position d'une particule en deux dimensions, tout en ajustant les amplitudes des ondes sonores pourrait les pousser ou les tirer dans le troisième.

Des configurations plus avancées ont depuis été démontrées, où les ondes sonores se réverbèrent dans une chambre fluidique. Par exemple, selon l'application, des motifs peuvent être créés et modifiés pour séparer et manipuler plusieurs particules à la fois, ou des tourbillons peuvent être formés pour concentrer un groupe de particules.

Mais peu importe à quel point leurs capacités sont avancées, les pincettes acoustiques ont ainsi été reléguées aux démonstrations de prototypes et aux laboratoires dotés d'équipements spécialisés; très peu de biologistes ont encore adopté cette technologie.

"Notre objectif est de combler le fossé entre les innovations acoustiques et la paillasse biologique/clinique, " dit Huang.

Dans le journal, Huang et ses collègues démontrent trois configurations prototypes qui utilisent des transducteurs pour créer des ondes sonores qui manipulent les particules dans la plaque de culture cellulaire la plus courante trouvée dans les laboratoires biomédicaux, la boîte de Pétri.

Dans la première conception, un ensemble de quatre transducteurs, un de chaque côté de la boîte de Pétri, créer des ondes sonores qui interagissent les unes avec les autres pour créer un motif permanent dans l'échantillon liquide du plat. La configuration peut être utilisée pour la modélisation de cellules multi-configurations, études d'interaction cellule-cellule et construction de tissus en 3D.

La deuxième conception utilise un transducteur incliné envoyant une onde sonore inclinée sous la boîte de Pétri pour créer un bain à remous qui concentre le contenu de la boîte au centre. Cette capacité permettrait aux chercheurs de concentrer les bioparticules pour l'amélioration du signal et la construction de sphéroïdes à grandes cellules.

Dans la configuration finale, les transducteurs interdigités holographiques (deux transducteurs assemblés comme une fermeture à glissière) créent des ondes de type faisceau à haute fréquence sous la boîte de Pétri pour contrôler les particules à des emplacements spécifiques. En passant d'un modèle à l'autre, la configuration peut stimuler les cellules ainsi que concentrer et piéger les bioparticules.

Ensemble, les configurations présentent des pincettes acoustiques faciles à utiliser qui peuvent manipuler en douceur une grande variété de cellules et de particules sans les toucher ni les étiqueter. Les applications potentielles incluent les cellules de structuration et d'impression, séparer et trier les cellules, contrôler les interactions cellule-cellule, la construction de tissus et la rotation d'organismes multicellulaires.

"Le but de cette étude était de dupliquer certaines des fonctions précédentes de nos pinces acoustiques dans les boîtes de Pétri, " dit Huang, qui a également cofondé une entreprise pour poursuivre la commercialisation de la technologie. "Notre prochain objectif est de construire un prototype unique qui réalise toutes les capacités de ces trois configurations, sinon plus."