Учёные разработали акустическое 3D-удержание микрочастиц в текущей жидкости с помощью круговой полости

Исследовательская группа из Сучжоуского института биомедицинской инженерии и технологий (SIBET) Китайской академии наук разработала акустический чип для удержания, который обеспечивает трёхмерное (3D-удержание) клеток в непрерывно текущей среде с использованием круговой резонансной структуры.

Исследование, озаглавленное «Acoustic 3D trapping of microparticles in flowing liquid using circular cavity», опубликовано в журнале Sensors and Actuators A: Physical.

Удержание клеток имеет большое значение в биомедицинской инженерии, так как позволяет фиксировать, разделять, фильтровать и агломерировать клетки. Среди различных подходов акустическое удержание широко используется в биологических исследованиях, поскольку обеспечивает бесконтактное и биобезопасное манипулирование клетками.

Ультразвуковые стоячие волны можно разделить на стоячие объёмные акустические волны (BAW), генерируемые объёмным пьезоэлектрическим преобразователем, или стоячие поверхностные акустические волны (SAW), генерируемые монокристаллом ниобата лития (LiNbO₃) с нанесёнными встречно-штыревыми электродами. SAW могут манипулировать частицами с очень низким энергопотреблением, но обычно используются для сортировки в текущей жидкости и расположения частиц в стационарной жидкости из-за их в целом меньшей удерживающей силы по сравнению с BAW.

С другой стороны, акустический микропотоковый вихрь также можно применять для удержания клеток вблизи препятствия или микропузырьков. Конструкция микростолбиков или препятствий играет важную роль в повышении эффективности удержания. Однако некоторые ловушки не могут легко высвобождать частицы, а некоторые не обеспечивают фиксированного положения удержания.

Эффективность удержания в основном определяется удерживающей силой. В большинстве предыдущих исследований частицы обычно удерживаются в статической жидкости или жидкости, текущей с крайне низкой скоростью, либо процесс удержания занимает несколько секунд, что в основном связано с недостаточной удерживающей силой. Это снижает как эффективность удержания, так и пропускную способность, в то время как высокопроизводительное манипулирование клетками важно во многих биологических приложениях, таких как рамановская идентификация и захват наночастиц.

Исследователи создали стоячую акустическую волну в круговой микроструктуре, обеспечив достаточную силу для фиксации клеток в центре камеры. В то же время клетки вблизи дна микроканала фиксируются под действием силы излучения, генерируемой в направлении глубины.

Таким образом, формируется 3D-удержание клеток благодаря специальной конструкции микроканалов, приводимых в действие всего одной пьезоэлектрической пластинкой-преобразователем. Экспериментальные результаты показывают, что чип может обеспечивать удерживающую силу на уровне наноньютонов (nN) и время удержания на уровне миллисекунд (ms) для микроразмерных частиц, движущихся со скоростью на уровне мм/с.

Благодаря этому бесконтактному и биосовместимому методу удержания чип может применяться в различных сценариях биомедицинской инженерии, таких как органы-на-чипе, культивирование клеток, рамановский анализ и захват наночастиц.