Ologrammi di fase per i tre

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9160 (2023) Citare questo articolo

Dettagli sulle metriche

Le forze della radiazione acustica possono manipolare a distanza le particelle. Le forze provenienti da un campo di onde stazionarie allineano le particelle su microscala lungo le posizioni nodali o antinodali del campo per formare modelli tridimensionali (3D). Questi modelli possono essere utilizzati per formare microstrutture 3D per applicazioni di ingegneria tissutale. Tuttavia, la generazione di onde stazionarie richiede più di un trasduttore o un riflettore, il che è difficile da implementare in vivo. Qui viene sviluppato e convalidato un metodo per manipolare le microsfere utilizzando un'onda viaggiante proveniente da un singolo trasduttore. La teoria della diffrazione e un approccio iterativo dello spettro angolare vengono impiegati per progettare ologrammi di fase per modellare il campo acustico. Il campo replica un'onda stazionaria e allinea le microsfere di polietilene nell'acqua, analoghe alle cellule in vivo, ai nodi di pressione. Utilizzando il potenziale di Gor'kov per calcolare le forze di radiazione sulle microsfere, le forze assiali vengono ridotte al minimo e le forze trasversali vengono massimizzate per creare modelli di particelle stabili. I campi di pressione degli ologrammi di fase e i modelli di aggregazione delle particelle risultanti corrispondono alle previsioni con un indice di somiglianza delle caratteristiche > 0,92, dove 1 è una corrispondenza perfetta. Le forze di radiazione risultanti sono paragonabili a quelle prodotte da un'onda stazionaria, il che suggerisce opportunità per l'implementazione in vivo della modellazione cellulare verso applicazioni di ingegneria tissutale.

La manipolazione remota delle microparticelle è importante per le applicazioni senza contatto, tra cui la micro e nanofabbricazione, le tecnologie lab-on-chip e l'ingegneria dei tessuti. L'ingegneria dei tessuti fornisce un approccio alternativo per sostituire organi o tessuti feriti o malati1,2. La modellazione spaziale delle cellule in microstrutture per formare assemblaggi bidimensionali e tridimensionali (2/3D) è essenziale per fornire una forma o struttura per la rigenerazione dei tessuti complessi3,4,5. Le disposizioni cellulari strutturali 3D hanno un maggiore successo nelle applicazioni di tessuti ingegnerizzati6,7,8. Sono stati utilizzati diversi metodi per modellare le cellule in vitro utilizzando modelli di matrice polimerica9 e bioprinting10. Questi metodi hanno i loro vantaggi e svantaggi. La bioprinting può ottenere forme desiderate complesse, ma la struttura cellulare è costruita punto per punto, un approccio dispendioso in termini di tempo che richiede una configurazione complessa10. Nel frattempo, i metodi basati su matrici modellano gli stampi modificando le proprietà della matrice, che è un metodo più rapido ma non è adatto a forme complesse11,12. Un metodo alternativo è la manipolazione acustica che è in grado di disporre a distanza un gran numero di cellule contemporaneamente senza contatto fisico diretto con le cellule13,14. Le cellule esposte a un campo acustico diffondono il campo producendo una forza di radiazione acustica che può riposizionare spazialmente la cellula15.

Le forze di radiazione acustica sono state applicate per un'ampia varietà di applicazioni di manipolazione remota, come microbolle16 o oggetti solidi in vivo17, o manipolazione selettiva di singole cellule18 o piccole particelle per la ricerca in vitro19. Di particolare interesse è l'uso delle forze di radiazione per spostare una massa di particelle formando strutture 3D. L'allineamento 3D più rapido e non invasivo delle microstrutture ha utilizzato un'onda stazionaria8,20,21,22 generata da un trasduttore e un riflettore o da più trasduttori uno di fronte all'altro. Questa configurazione forma piani alternati di ampiezza zero e alta pressione, noti come nodi e antinodi, che sono perpendicolari alla direzione di propagazione e sono distanziati a intervalli di mezza lunghezza d'onda. Le forze di radiazione acustica impartite da un'onda stazionaria dirigono le microparticelle o le cellule verso i nodi o gli antinodi del campo a seconda delle loro proprietà acustiche rispetto a quelle del mezzo circostante23. Per le applicazioni di ingegneria tissutale, la microstruttura 3D può essere mantenuta in posizione utilizzando fotopolimeri24,25 o un mezzo idrogel26,27,28,29,30. Questa tecnologia di modellazione acustica è promettente come strumento per l’ingegneria dei tessuti.