Vätskedroppar har nyligen fått förnyad uppmärksamhet som en förenklad modell för en mängd fascinerande fysikaliska fenomen i skalan från cellkärnan till stjärnsvarta hål. I en ny rapport som nu publiceras i Vetenskapens framsteg , Yuyang Gu och ett team av forskare i USA presenterade en akustofluidisk centrifugeringsteknik som använde intrassling av akustisk vågaktivering och spinn av en vätskedroppe för att åstadkomma anrikning och separation av nanopartiklar. De kombinerade akustisk scanning och droppspinningsmetoder för att uppnå snabba nanopartikelkoncentrationer och storleksbaserad separation med en upplösning tillräcklig för att identifiera och isolera exosomsubpopulationer.

Exosomer är extracellulära vesiklar i nanoskala som kan bära molekylär last från cell till cell och är därför en kraftfull vektor/vehikel inom biomedicinsk forskning för läkemedelsleverans och biomolekylära upptäcktsapplikationer. Teamet karakteriserade de mekanismer som ligger bakom processen både numeriskt och experimentellt, tillsammans med förmågan att bearbeta biologiska prover i enheterna. Den akustofluidiska centrifugmetoden övervann befintliga gränser för manipulation av biopartiklar i nanoskala över multidisciplinära biologifält, kemi, teknik, materialvetenskap och medicin.

Det akustoffluidiska centrifugsystemet

Materialforskare syftar till att manipulera nanopartiklar för en mängd olika biomedicinska och biokemiska tillämpningar inklusive gen- eller läkemedelsleverans, bioanalyser, diagnostik och katalytiska reaktioner. Det är därför nödvändigt att utföra stegen för koncentration eller separation av nanopartiklar för tillämpningar av nanostrukturer över multidisciplinära områden. Acoustofluidics syftar till att kombinera akustik och mikrofluidik för en förenklad enhetsdesign. I det här arbetet, Gu et al. presenterade ett akustofluidiskt centrifugsystem för att akustiskt manipulera partiklar med storlekar ner till några nanometer. Metoden tillät olika funktioner inklusive nanopartikelkoncentration, separation och transport.

Det grundläggande systemet innehöll ett par lutande interdigitala omvandlare (IDT) och en cirkulär polydimetylsiloxan (PDMS) ring för att kapsla in en del av droppen och definiera dess form. Teamet genererade akustiska ytvågor (SAW) för att initiera droppsnurrande rörelse. Processen gjorde det möjligt för Stokes att driva längs en cirkulär stängd bana för att överföra momentum av vätskan för att avsevärt öka den inre strömningshastigheten och skjuvhastigheten i droppen med många veck. Enligt numeriska simuleringar, de akustiska vågorna kunde rotera en vätskedroppe med en variabel provvolym för att påverka nanopartiklar av olika storlekar som finns i droppen. Teamet förväntar sig att översätta arbetet på mikro-/nanoskala för att förenkla processen för transfektion för att automatisera vesikellastning och för att påskynda flytande biopsier.

Gu et al. placerade en droppe på en PDMS-ring för att begränsa vätskegränsen och placerade den mellan två lutande interdigitala givare (IDT). De applicerade sedan en elektrisk signal till de lutande IDT:erna för att generera två akustiska rörelsevågor på ytan för att fortplanta sig längs substratet från två motsatta riktningar för att komma in i droppen. Processen deformerade vätske-luftgränsytan som ett resultat av akustiskt strålningstryck och dropparna började snurra. Partiklarna inuti droppen följde spiralformade banor på grund av inverkan av inducerad virvelströmning och droppsnurrande rörelser. Forskarna fick en sekvens av bilder för att visa sidovyn av en 30 µL roterande droppe. De beräknade rotationshastigheten för den snurrande droppen med hjälp av en Fourier-transform av vågformen och extraherade dropphastigheten från vågformen och jämförde rotationshastigheten med klassisk droppsvängningsdynamik.

Kinetiken för dropparna och nanopartiklarna i enheten

Teamet studerade sedan droppsnurrandet och partikelrörelsen i den akustofluidiska centrifuganordningen med hjälp av en sekvens av bilder. Partiklarna visade dubbla rotationslägen - spårade en spiralformad bana när de närmade sig droppens centrum samtidigt som de roterade runt sina lokala axlar. De använde en rad frekvenser för att excitera dropparnas spinn. När den applicerade effekten ökade, droppen behöll sin jämviktsform och började sedan uppleva små svängningar tills den akustiska kraften nådde ett tröskelvärde, vid vilken tidpunkt droppen gick in i stabil spinning. Tidigare studier har visat hur SAWs (akustiska ytvågor) inducerade akustiska strömvirvlar inuti en droppe, därför, teamet analyserade rörelsen av partiklar inuti den snurrande droppen. Under experimenten, nanopartiklarna rörde sig längs spiralformade banor motsvarande en Stokes-drifteffekt. De övervakade rörelsen av 1 µm partiklar med en snabb kamera och analyserade videorna med hjälp av partikelspårningshastighet för att observera de spiralformade banorna som partiklarna följde. Med varje rotation av droppen, partiklarna gjorde en lokal rotation samtidigt som de rörde sig närmare droppens globala centrum längs dess spiralformade bana. På det här sättet, processen pressade partiklarna inåt för att koncentrera nanopartiklar till droppcentret.

Snabb anrikning av nanopartiklar

Med hjälp av numeriska och experimentella undersökningar, teamet visade hur nanopartiklar snabbt kunde koncentreras i den snurrande droppen med partikelstorlekar så små som 28 nm i diameter. Snabb koncentration av nanopartiklar kan också underlätta upptäckten av fluorescensmärkta bioprover som DNA-molekyler, vilket Gu et al. visat i detta arbete. Teamet använde ett fluorescerande färgämne för att detektera DNA-prover i droppen, och genererade en akustisk signal för droppspinn. De uppnådde signalförstärkning och förbättrad signaldetektion baserat på koncentrationen av DNA i provet. Förutom den snabba anrikningen av nanopartiklar, systemet också differentiellt koncentrerade nanopartiklar av varierande storlek. Till exempel, samspelet mellan akustiska parametrar inklusive frekvens och amplitud, och droppdimensionerna genererade olika partikelbanor inom samma droppe. Dock, tidsskalan och migrationshastigheten för att nå en specifik position varierade för partiklar inom samma droppe. Till exempel, när nanopartiklar av två olika storlekar fanns i en snurrande droppe, de större partiklarna upplevde högre akustiska strålningskrafter och mindre effekter från Brownsk rörelse.

En enhet med en enda droppe kan också negativt påverka renheten hos undergrupper av nanopartiklar som finns i dem under processerna för differentiell koncentration och återvinning; därför, Gu et al. utvecklat en dubbeldroppsbaserad akustofluidisk centrifug för praktisk separation av nanopartiklar. Använda enheten, de exciterade två par av akustiska ytvågor (SAW) för att fortplanta sig asymmetriskt över de två dropparnas flanker för att orsaka samtidiga spinn för att generera två akustiska strålar via en enda interdigital givare. Teamet använde en frekvensskiftnyckel för att växla mellan två olika excitationsfrekvenser och exciteringsplatser, med praktiska tillämpningar för exosom subpopulationsseparation. Metoden möjliggjorde snabb fraktionering av exosomprover till olika subpopulationer för mätningar via nanopartikelspårningsanalys.

På det här sättet, Yuyang Gu och kollegor utvecklade och demonstrerade en akustofluidisk centrifugplattform för att effektivt och snabbt berika eller separera biopartiklar i nanoskala. Denna plattform kan avsevärt förenkla hastigheten för provbearbetning, detektion och reagensreaktioner över olika applikationer, inklusive diagnostik på vårdställen, bioanalyser och biomedicin.

© 2021 Science X Network