Onderzoekers gebruiken echografie om de oriëntatie van kleine deeltjes te regelen

Akoestische golven kunnen mogelijk bepalen hoe deeltjes zichzelf sorteren. Hoewel onderzoekers al jaren deeltjes kunnen scheiden op basis van hun vorm, bijvoorbeeld bacteriën van andere cellen, is het vermogen om hun beweging te controleren tot nu toe een grotendeels onopgelost probleem gebleven.

Met behulp van ultrasone technologie en een mondstuk hebben onderzoekers van Penn State verschillende deeltjes gescheiden, gecontroleerd en uitgeworpen op basis van hun vorm en verschillende eigenschappen. Ze publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Klein.

“We hebben een mondstuk met microkanalen ontworpen en ultrasone energie op het systeem toegepast”, aldus de overeenkomstige auteur Igor Aronson, de Penn State Dorothy Foehr Huck en J. Lloyd Huck Chair Professor of Biomedical Engineering en professor in scheikunde en wiskunde. “Het mondstuk speelt twee rollen: het concentreert de vloeistofstroom, iets wat andere onderzoekers hebben gedaan, maar daarnaast reflecteren de wanden van het mondstuk de akoestische golven van de ultrasone energie.”

Aronson en zijn medewerkers werkten met kleine materialen, nanostaafjes genaamd, die volgens Aronson enkele van de meest bestudeerde synthetische zelfrijdende deeltjes zijn. Omdat ze een vergelijkbare grootte hebben en een vergelijkbare zwemsnelheid hebben als bacteriën, zei Aronson, kunnen veel van de conclusies die worden getrokken uit het observeren van nanostaafjes worden toegepast op de beweging van bacteriën. Om deze reden worden ze vaak gebruikt als proof of concept voor toekomstige scheidingstaken.

In dit geval waren de nanostaafjes half platina en half goud. De onderzoekers plaatsten de nanostaafjes in een mondstuk, in de vorm van een miniatuurspuit, en voegden waterstofperoxide toe. De waterstofperoxide wordt afgebroken – of verbrand – op de platinahelft van elk nanostaafje, waardoor ze gedwongen worden te zwemmen in een imitatie van hoe bacteriën zich gedragen.

De onderzoekers pasten ultrageluid toe op het mondstuk, waardoor akoestische golven werden geproduceerd die, samen met de vloeistofstroom, de nanostaafjes konden scheiden, aggregeren of uit het mondstuk extruderen.

“Het scheidingsconcept is gebaseerd op het feit dat nanostaafjes en bolvormige deeltjes verschillende reacties hebben op akoestische straling en gegenereerde vloeistofstroom, ” zei Aronson. “Door de vorm van het mondstuk en de frequentie en amplitude van de akoestische straling te regelen, kunnen we deeltjes met verschillende vormen en materiaaleigenschappen dwingen zich anders te gedragen. Dit geldt vooral voor actieve deeltjes zoals nanostaafjes: ze kunnen autonoom zwemmen en hun controle is bijzonder uitdagend.”

Dit niveau van controle bij het scheiden van deeltjes was volgens de onderzoekers niet eerder aangetoond.

Aronson zei dat deze demonstratie implicaties heeft voor toekomstige technologieën, waaronder additive manufacturing, ook wel bekend als 3D-printen, en medicijnafgifte.

“Voor 3D-printen is het de bedoeling dat je bepaalde additieven aan de inkt kunt toevoegen, bijvoorbeeld nanostaafjes”, zei hij. “Dus nu kunnen we nanostaafjes scheiden van bolvormige deeltjes om slechts enkele in de afdruk te deponeren, zoals het deponeren van polymeren zonder nanostaafjes enzovoort, allemaal om de eigenschap van de afdruk te veranderen.”

Aronson zei dat dit principe ook van toepassing is op het printen van levende cellen, ook wel bioprinting genoemd.

“Potentiële toepassingen voor bioprinting zijn onder meer het ontwerpen van akoestische spuitmonden voor bio-inkjetachtige printers”, zei hij. “Door de akoestische straling in het mondstuk te beheersen, kunnen we mogelijk bepaalde soorten cellen extruderen, bijvoorbeeld stamcellen, en andere soorten vangen, bijvoorbeeld bacteriën. Het is een extra controle voor bioprints.”

Dit vermogen zou ook nuttig kunnen zijn voor het scheiden van bacteriën van cellen bij gerichte medicijnafgifte, zei Aronson. Het volgende plan van de onderzoekers is om levende bacteriën en cellen in een laboratoriumomgeving te mengen en ze vervolgens te scheiden en te controleren.