Hologramas de fase para os três

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9160 (2023) Citar este artigo

Detalhes das métricas

Forças de radiação acústica podem manipular partículas remotamente. As forças de um campo de onda estacionária alinham as partículas em microescala ao longo das localizações nodais ou antinodais do campo para formar padrões tridimensionais (3D). Esses padrões podem ser usados ​​para formar microestruturas 3D para aplicações de engenharia de tecidos. No entanto, a geração de ondas estacionárias requer mais de um transdutor ou refletor, o que é difícil de implementar in vivo. Aqui, um método é desenvolvido e validado para manipular microesferas usando uma onda viajante de um único transdutor. A teoria da difração e uma abordagem de espectro angular iterativo são empregadas para projetar hologramas de fase para moldar o campo acústico. O campo replica uma onda estacionária e alinha as microesferas de polietileno na água, que são análogas às células in vivo, nos nós de pressão. Usando o potencial de Gor'kov para calcular as forças de radiação nas microesferas, as forças axiais são minimizadas e as forças transversais são maximizadas para criar padrões de partículas estáveis. Os campos de pressão dos hologramas de fase e os padrões de agregação de partículas resultantes correspondem às previsões com um índice de similaridade de recursos > 0,92, onde 1 é uma correspondência perfeita. As forças de radiação resultantes são comparáveis ​​àquelas produzidas a partir de uma onda estacionária, o que sugere oportunidades para implementação in vivo de padronização celular para aplicações de engenharia de tecidos.

A manipulação remota de micropartículas é importante para aplicações sem contato, incluindo micro e nanofabricação, tecnologias de laboratório em chip e engenharia de tecidos. A engenharia de tecidos fornece uma abordagem alternativa para substituir órgãos ou tecidos lesionados ou doentes1,2. A padronização espacial das células em microestruturas para formar montagens bidimensionais e tridimensionais (2/3D) é essencial para fornecer uma forma ou estrutura para regeneração tecidual complexa3,4,5. Arranjos celulares estruturais 3D têm maior sucesso em aplicações de tecidos manipulados6,7,8. Vários métodos têm sido usados ​​para padronizar células in vitro usando matrizes poliméricas9 e bioprinting10. Esses métodos têm suas vantagens e desvantagens. A bioimpressão pode alcançar formas complexas desejadas, mas a estrutura celular é construída ponto a ponto, uma abordagem demorada que requer uma configuração complexa10. Enquanto isso, os métodos baseados em matriz modelam os moldes alterando as propriedades da matriz, que é um método mais rápido, mas não é adequado para formas complexas11,12. Um método alternativo é a manipulação acústica que é capaz de organizar remotamente um grande número de células simultaneamente sem contato físico direto com as células13,14. Células expostas a um campo acústico espalham o campo levando a uma força de radiação acústica que pode reposicionar espacialmente a célula15.

Forças de radiação acústica foram aplicadas para uma ampla variedade de aplicações de manipulação remota, como microbolhas16 ou objetos sólidos in vivo17, ou célula única seletiva18 ou manipulação de pequenas partículas para pesquisa in vitro19. O uso de forças de radiação para mover uma massa de partículas de estruturas 3D é de particular interesse. O alinhamento 3D mais rápido e não invasivo de microestruturas utilizou uma onda estacionária8,20,21,22 gerada por um transdutor e um refletor, ou vários transdutores voltados um para o outro. Esta configuração forma planos alternados de zero e alta amplitude de pressão, conhecidos como nós e anti-nós, que são perpendiculares à direção de propagação e são espaçados em intervalos de meio comprimento de onda. Forças de radiação acústica transmitidas por uma onda estacionária direcionam micropartículas ou células para os nodos ou antinodos do campo, dependendo de suas propriedades acústicas relativas às do meio circundante23. Para aplicações de engenharia de tecidos, a microestrutura 3D pode ser mantida em posição usando fotopolímeros24,25 ou um meio de hidrogel26,27,28,29,30. Essa tecnologia de padronização acústica é promissora como uma ferramenta para a engenharia de tecidos.