Фазовые голограммы на троих

Sep 06, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9160 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Силы акустического излучения могут удаленно манипулировать частицами. Силы поля стоячей волны выравнивают микромасштабные частицы вдоль узловых или антиузловых положений поля, образуя трехмерные (3D) узоры. Эти шаблоны можно использовать для формирования трехмерных микроструктур для приложений тканевой инженерии. Однако для генерации стоячей волны требуется более одного преобразователя или отражателя, что сложно реализовать in vivo. Здесь разрабатывается и апробируется метод манипулирования микросферами с использованием бегущей волны от одного преобразователя. Теория дифракции и подход итерационного углового спектра используются для создания фазовых голограмм для формирования акустического поля. Поле воспроизводит стоячую волну и выравнивает полиэтиленовые микросферы в воде, аналогичные клеткам in vivo, в узлах давления. Используя потенциал Горькова для расчета радиационных сил на микросферах, осевые силы сводятся к минимуму, а поперечные силы максимальны для создания стабильных структур частиц. Поля давления на фазовых голограммах и полученные в результате закономерности агрегации частиц соответствуют предсказаниям с индексом сходства признаков > 0,92, где 1 — идеальное совпадение. Возникающие в результате радиационные силы сравнимы с силами, создаваемыми стоячей волной, что открывает возможности для реализации in vivo формирования клеточного паттерна для применения в тканевой инженерии.

Дистанционное манипулирование микрочастицами важно для бесконтактных применений, включая микро- и нанопроизводство, технологии «лаборатория на чипе» и тканевую инженерию. Тканевая инженерия обеспечивает альтернативный подход к замене поврежденных или больных органов или тканей1,2. Пространственное формирование паттернов клеток в микроструктурах для формирования двух- и трехмерных (2/3D) ансамблей имеет важное значение для обеспечения формы или структуры для сложной регенерации тканей3,4,5. 3D-структурные клеточные структуры имеют больший успех в приложениях для инженерных тканей6,7,8. Было использовано несколько методов для формирования рисунка клеток in vitro с использованием шаблонов полимерной матрицы9 и биопечати10. Эти методы имеют свои преимущества и недостатки. Биопечать позволяет добиться сложных желаемых форм, но клеточная структура строится поэтапно, а это трудоемкий подход, требующий сложной настройки10. Между тем, матричные методы формируют модели путем изменения свойств матрицы, что является более быстрым методом, но не подходит для сложных форм11,12. Альтернативным методом является акустическая манипуляция, позволяющая удаленно расположить большое количество клеток одновременно без прямого физического контакта с клетками13,14. Клетки, подвергшиеся воздействию акустического поля, рассеивают это поле, что приводит к возникновению силы акустического излучения, которая может перемещать клетку в пространстве15.

Силы акустического излучения применялись для широкого спектра применений для удаленных манипуляций, таких как микропузырьки16 или твердые объекты in vivo17, или селективные манипуляции с отдельными клетками18 или небольшими частицами для исследований in vitro19. Особый интерес представляет использование радиационных сил для перемещения массы частиц из трехмерных структур. Для наиболее быстрого и неинвазивного трехмерного выравнивания микроструктур использовалась стоячая волна8,20,21,22, генерируемая датчиком и отражателем или несколькими датчиками, обращенными друг к другу. Эта установка образует чередующиеся плоскости нулевой и высокой амплитуды давления, известные как узлы и пучности, которые перпендикулярны направлению распространения и расположены с интервалом в полволны. Силы акустического излучения, создаваемые стоячей волной, направляют микрочастицы или клетки к узлам или пучностям поля в зависимости от их акустических свойств по отношению к свойствам окружающей среды23. В тканевой инженерии трехмерную микроструктуру можно удерживать на месте с помощью фотополимеров24,25 или гидрогелевой среды26,27,28,29,30. Эта технология создания акустического рисунка перспективна в качестве инструмента тканевой инженерии.