Mécanisme de fonctionnement de la plate-forme de centrifugation acoustofluidique. (A) Illustration du système de centrifugation acoustofluidique. La gouttelette est placée sur un anneau de PDMS qui confine la limite du fluide et est situé entre deux IDT inclinés. Au fur et à mesure que les SAW se propagent dans la gouttelette, l'interface liquide-air est déformée par la pression de rayonnement acoustique, et la goutte commence à tourner. Les particules à l'intérieur de la gouttelette suivront des trajectoires hélicoïdales (encart) sous l'influence à la fois du flux de vortex induit et de la gouttelette en rotation. (B) Une séquence d'images montrant la vue latérale d'une gouttelette rotative de 30 ul. Le SAW est activé à 0 s. La séquence montre que lorsque la gouttelette commence à tourner, il s'étire en une forme ellipsoïde concave, comme illustré en (A). La flèche jaune indique la position de référence qui tourne avec la gouttelette en rotation. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc0467
Les gouttelettes liquides ont récemment suscité un regain d'attention en tant que modèle simplifié pour une variété de phénomènes physiques fascinants à l'échelle du noyau cellulaire aux trous noirs stellaires. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Avancées scientifiques , Yuyang Gu et une équipe de scientifiques aux États-Unis ont présenté une technique de centrifugation acoustofluidique qui utilisait l'enchevêtrement de l'actionnement des ondes acoustiques et la rotation d'une gouttelette fluidique pour accomplir l'enrichissement et la séparation des nanoparticules. Ils ont combiné des méthodes de balayage acoustique et de rotation de gouttelettes pour obtenir des concentrations rapides de nanoparticules et une séparation basée sur la taille avec une résolution suffisante pour identifier et isoler les sous-populations d'exosomes.
Les exosomes sont des vésicules extracellulaires à l'échelle nanométrique qui peuvent transporter une cargaison moléculaire d'une cellule à l'autre et sont donc un vecteur/véhicule puissant dans la recherche biomédicale pour l'administration de médicaments et les applications de découverte biomoléculaire. L'équipe a caractérisé les mécanismes sous-jacents au processus à la fois numériquement et expérimentalement, ainsi que la capacité de traiter des échantillons biologiques dans les appareils. La méthode de centrifugation acoustofluidique a surmonté les limites existantes de la manipulation de bioparticules à l'échelle nanométrique dans les domaines multidisciplinaires de la biologie, chimie, ingénierie, science des matériaux et médecine.
Le système de centrifugation acoustofluidique
Les scientifiques des matériaux visent à manipuler des nanoparticules pour une variété d'applications biomédicales et biochimiques, notamment l'administration de gènes ou de médicaments, essais biologiques, diagnostics et réactions catalytiques. Il est donc nécessaire de réaliser les étapes de concentration ou de séparation des nanoparticules pour des applications de nanostructures dans des domaines multidisciplinaires. L'acoustofluidique vise à combiner l'acoustique et la microfluidique pour une conception de dispositif simpliste. Dans ce travail, Gu et al. a présenté un système de centrifugation acoustofluidique pour manipuler acoustiquement des particules de quelques nanomètres. La méthode a permis diverses fonctions, notamment la concentration de nanoparticules, séparation et transport.
Le système de base contenait une paire de transducteurs interdigités inclinés (IDT) et un anneau circulaire en polydiméthylsiloxane (PDMS) pour encapsuler une partie de la gouttelette et définir sa forme. L'équipe a généré des ondes acoustiques de surface (SAW) pour initier le mouvement de rotation des gouttelettes. Le processus a permis à Stokes de dériver le long d'un chemin circulaire fermé pour transférer la quantité de mouvement du fluide afin d'augmenter notablement la vitesse d'écoulement interne et le taux de cisaillement dans la gouttelette de plusieurs plis. D'après des simulations numériques, les ondes acoustiques pourraient faire tourner une gouttelette liquide avec un volume d'échantillon variable pour influencer les nanoparticules de différentes tailles résidant dans la gouttelette. L'équipe s'attend à traduire le travail à l'échelle micro/nano pour simplifier le processus de transfection afin d'automatiser le chargement de la cargaison de vésicules et d'accélérer les biopsies liquides.
Caractérisation de la rotation des gouttelettes et du mouvement des particules dans le dispositif de centrifugation acoustofluidique. (A) Une séquence d'images montrant la vue de dessus d'une gouttelette en rotation sous un microscope. (B) Séquence temporelle correspondante d'images empilées le long de la ligne a-a′, qui montre le spin périodique de la gouttelette ellipsoïde. (C) La vitesse instantanée en un point sur la gouttelette en rotation peut être extraite de cet ajustement normalisé du changement de distance en fonction du temps (B). (D) Vitesse de rotation des gouttelettes théorique et expérimentale [rotations par minute (RPM)] par rapport au changement de rayon des gouttelettes. Le volume (V) de la gouttelette fait référence au volume au-dessus de l'anneau PDMS. (E) trajectoires de particules théoriquement calculées et (F) observées expérimentalement montrant les modes de rotation double ; les particules tracent une trajectoire hélicoïdale lorsqu'elles s'approchent du centre de la gouttelette tout en tournant autour de leurs axes locaux. Barre d'échelle, 500 µm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc0467 
Gu et al. a placé une gouttelette sur un anneau de PDMS pour confiner la limite du fluide et l'a située entre deux transducteurs interdigitaux inclinés (IDT). Ils ont ensuite appliqué un signal électrique aux IDT inclinés pour générer deux ondes acoustiques de surface en déplacement pour se propager le long du substrat à partir de deux directions opposées pour entrer dans la gouttelette. Le processus a déformé l'interface liquide-air en raison de la pression de rayonnement acoustique et les gouttelettes ont commencé à tourner. Les particules à l'intérieur de la gouttelette ont suivi des trajectoires hélicoïdales en raison de l'influence du flux de vortex induit et des mouvements de rotation des gouttelettes. Les scientifiques ont obtenu une séquence d'images pour montrer la vue latérale d'une gouttelette rotative de 30 µL. Ils ont calculé la vitesse de rotation de la gouttelette en rotation à l'aide d'une transformée de Fourier de la forme d'onde et extrait la vitesse de la gouttelette de la forme d'onde et comparé la vitesse de rotation à la dynamique d'oscillation classique des gouttelettes.
Enrichissement rapide en nanoparticules par centrifugation acoustofluidique. (A) Trajectoire de particules simulée numériquement dans une gouttelette en rotation. Lorsque la goutte commence à tourner, les particules initialement réparties aléatoirement à l'intérieur de la goutte (à gauche) suivent une trajectoire hélicoïdale jusqu'à se concentrer au milieu de la goutte (à droite). (B) Images de fluorescence avant (à gauche) et après (à droite) l'activation du champ acoustique, qui montre l'enrichissement des particules de PS de 28 nm. Barre d'échelle, 50 µm. (C) Vitesse d'écoulement avec (résultat expérimental) et sans (résultat de simulation) filature de gouttelettes. (D) Tracé du taux de cisaillement moyen calculé à l'intérieur de la gouttelette en fonction de la vitesse. Le taux de cisaillement augmente avec une vitesse de filage plus élevée et atteint plusieurs fois le taux de cisaillement lorsqu'il n'y a pas de gouttelettes en rotation (streaming uniquement). (E) Organigramme montrant le processus d'enrichissement de l'ADN et d'amélioration du signal fluorescent dans une gouttelette en rotation. (F) Tracé de l'intensité de fluorescence de l'ADN mesurée en fonction du temps dans la gouttelette en rotation. Encarts :images de fluorescence avant et après amélioration du signal. Barre d'échelle, 50 µm. a.u., unités arbitraires. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc0467
La cinétique des gouttelettes et des nanoparticules au sein du dispositif
L'équipe a ensuite étudié la rotation des gouttelettes et le mouvement des particules dans le dispositif de centrifugation acoustofluidique à l'aide d'une séquence d'images. Les particules ont montré des modes de rotation doubles - traçant un chemin hélicoïdal à l'approche du centre de la gouttelette tout en tournant autour de leurs axes locaux. Ils ont utilisé une gamme de fréquences pour exciter la rotation des gouttelettes. Au fur et à mesure que la puissance appliquée augmente, la goutte a conservé sa forme d'équilibre puis a commencé à subir de petites oscillations jusqu'à ce que la puissance acoustique atteigne une valeur seuil, à quel point la gouttelette est entrée dans une filature stable. Des études antérieures ont montré comment les SAW (ondes acoustiques de surface) induisaient des tourbillons de flux acoustiques à l'intérieur d'une gouttelette, donc, l'équipe a analysé le mouvement des particules à l'intérieur de la gouttelette en rotation. Lors des expérimentations, les nanoparticules se sont déplacées le long de trajectoires hélicoïdales correspondant à un effet de dérive Stokes. Ils ont surveillé le mouvement de particules de 1 µm avec une caméra rapide et analysé les vidéos à l'aide de la vélocimétrie de suivi des particules pour observer les trajectoires hélicoïdales suivies par les particules. A chaque rotation de la goutte, les particules ont effectué une rotation locale tout en se rapprochant simultanément du centre global de la goutte le long de sa trajectoire hélicoïdale. De cette façon, le processus a poussé les particules vers l'intérieur pour concentrer les nanoparticules au centre de la gouttelette.
Concentration différentielle de nanoparticules par centrifugation acoustofluidique. (A) Résultats de simulation numérique montrant la différence dans les trajectoires des nanoparticules pour les particules avec des tailles de 100 nm (rouge) et 28 nm (bleu). Alors que les particules de 100 nm se concentrent au centre de la gouttelette en rotation, les particules de 28 nm suivent une trajectoire hélicoïdale mais restent réparties de manière aléatoire dans la gouttelette. GFP, protéine fluorescente verte. (B, C) Images au microscope montrant le résultat expérimental de la séparation des particules avec des particules de 100 (C) et 28 nm (B). Barre d'échelle, 100 µm. (D) Intensité de fluorescence le long de l'axe de la gouttelette montrant l'effet de concentration sur les particules de 100 nm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc0467
Enrichissement rapide des nanoparticules
A l'aide d'investigations numériques et expérimentales, l'équipe a montré comment les nanoparticules pouvaient être rapidement concentrées dans la gouttelette en rotation avec des tailles de particules aussi petites que 28 nm de diamètre. Une concentration rapide de nanoparticules pourrait également faciliter la détection d'échantillons biologiques marqués par fluorescence tels que des molécules d'ADN, que Gu et al. démontré dans ce travail. L'équipe a utilisé un colorant fluorescent pour détecter des échantillons d'ADN dans la gouttelette, et généré un signal acoustique pour la rotation des gouttelettes. Ils ont obtenu une amplification du signal et une détection améliorée du signal en fonction de la concentration d'ADN dans l'échantillon. Outre l'enrichissement rapide des nanoparticules, le système a également concentré de manière différentielle des nanoparticules de différentes tailles. Par exemple, l'interaction des paramètres acoustiques dont la fréquence et l'amplitude, et les dimensions des gouttelettes ont généré différentes trajectoires de particules au sein de la même gouttelette. Cependant, l'échelle de temps et la vitesse de migration pour atteindre une position spécifique variaient pour les particules dans la même gouttelette. Par exemple, lorsque des nanoparticules de deux tailles différentes étaient contenues dans une gouttelette en rotation, les plus grosses particules ont subi des forces de rayonnement acoustique plus élevées et des effets plus faibles du mouvement brownien.
Séparation et transport des particules via une centrifugeuse acoustofluidique à double goutte. (A) Schéma de la centrifugeuse acoustofluidique à double goutte. Cette fonctionnalité à double goutte est obtenue à l'aide d'une modulation par déplacement de fréquence binaire, ce qui implique un décalage séquentiel entre deux fréquences pour chaque IDT. Avec une fréquence de décalage élevée, deux gouttes peuvent être tournées simultanément. Les deux gouttes sont reliées par un microcanal, qui sert de passage pour le transport des particules. Ici, les fréquences spécifiques sont de 15,3 MHz (f4), 15,7 MHz (f3), 20,3 MHz (f2), et 21,7 MHz (f1), avec une fréquence de décalage de 100 kHz. (B) Une image composite montrant la trajectoire des particules à travers le canal central. (C) La transformée de Fourier du tracé de la forme d'onde d'un point fixe sur la gouttelette pendant qu'elle tourne, indiquant la fréquence de rotation maximale des deux gouttelettes avec des volumes différents. (D) Séquence d'images montrant la vue de dessus de la centrifugeuse acoustofluidique à double goutte. Images de fluorescence (E) avant et (F) après activation du signal acoustique, montrant la séparation et le transport des nanoparticules d'une gouttelette à une autre. En médaillon :Image de fluorescence du canal médian indiquant le processus de transport des particules. (G) Comparaison de la distribution de la taille des particules entre les échantillons avant et après séparation. L'échantillon d'origine, qui a été placé dans la goutte de droite, a deux pics à 28 et 100 nm. Après la séparation, la plupart des particules de 28 nm ont été séparées et ont été transportées vers la gouttelette gauche, qui n'a qu'un seul pic à 28 nm. Barres d'échelle, 200 µm. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.abc0467 
Un dispositif à goutte unique pourrait également nuire à la pureté des sous-ensembles de nanoparticules qu'ils contiennent au cours des processus de concentration différentielle et de récupération ; donc, Gu et al. a développé une centrifugeuse acoustofluidique à double goutte pour une séparation pratique des nanoparticules. À l'aide de l'appareil, ils ont excité deux paires d'ondes acoustiques de surface (SAW) pour se propager de manière asymétrique sur les flancs des deux gouttelettes pour provoquer des spins simultanés pour générer deux faisceaux acoustiques via un seul transducteur interdigital. L'équipe a utilisé une modulation par déplacement de fréquence pour basculer entre deux fréquences d'excitation et emplacements d'excitation différents, avec des applications pratiques pour la séparation de sous-populations d'exosomes. La méthode a permis un fractionnement rapide des échantillons d'exosomes en différentes sous-populations pour des mesures via une analyse de suivi des nanoparticules.
De cette façon, Yuyang Gu et ses collègues ont développé et démontré une plate-forme de centrifugation acoustofluidique pour enrichir ou séparer efficacement et rapidement des bioparticules à l'échelle nanométrique. Cette plate-forme peut considérablement simplifier la vitesse de traitement des échantillons, détection et réactions des réactifs dans diverses applications, y compris les diagnostics au point de service, essais biologiques et biomédecine.
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