Les ondes acoustiques peuvent être en mesure de contrôler la façon dont les particules se trient. Alors que les chercheurs ont pu séparer les particules en fonction de leur forme – par exemple, les bactéries des autres cellules – pendant des années, la capacité de contrôler leur mouvement est restée un problème largement non résolu jusqu’à présent. En utilisant la technologie des ultrasons et une buse, les chercheurs de Penn State ont séparé, contrôlé et éjecté différentes particules en fonction de leur forme et de diverses propriétés.
Ils ont publié leurs résultats dans la revue Petit.
« Nous avons conçu une buse à microcanaux et appliqué de l’énergie ultrasonore au système », a déclaré l’auteur correspondant Igor Aronson, professeur titulaire de la chaire Penn State Dorothy Foehr Huck et J. Lloyd Huck en génie biomédical et professeur de chimie et de mathématiques. « La buse joue deux rôles. Elle concentre le flux de fluide, ce que d’autres chercheurs ont fait. Mais en plus de cela, les parois de la buse reflètent les ondes acoustiques de l’énergie ultrasonore. »
Aronson et ses collaborateurs ont travaillé avec de minuscules matériaux appelés nanorods, qui sont parmi les particules autopropulsées synthétiques les plus étudiées, selon Aronson. Parce qu’ils sont de taille similaire et ont une vitesse de nage similaire à celle des bactéries, a déclaré Aronson, bon nombre des conclusions tirées de l’observation des nanotiges peuvent être appliquées au mouvement des bactéries. Pour cette raison, ils sont souvent utilisés comme preuve de concept pour les futures tâches de séparation.
Dans ce cas, les nanotiges étaient à moitié en platine et à moitié en or. Les chercheurs ont placé les nanotiges dans une buse, en forme de seringue miniature, puis ont ajouté du peroxyde d’hydrogène. Le peroxyde d’hydrogène est décomposé – ou brûlé – sur la moitié de platine de chaque nanotige, les forçant à nager dans une imitation du comportement des bactéries.
Les chercheurs ont appliqué des ultrasons à la buse, produisant des ondes acoustiques qui, avec le flux de fluide, ont pu séparer les particules de nanorod, les agréger ou les extruder de la buse.
« Le concept de séparation repose sur le fait que les nanotiges et les particules sphériques ont des réponses différentes au rayonnement acoustique et au flux de fluide généré », a déclaré Aronson. « En contrôlant la forme de la buse ainsi que la fréquence et l’amplitude du rayonnement acoustique, nous pouvons contraindre des particules de différentes formes et propriétés matérielles à se comporter différemment. Cela s’applique en particulier aux particules actives telles que les nanorods : elles peuvent nager de manière autonome et leur le contrôle est particulièrement difficile. »
Ce niveau de contrôle dans la séparation des particules n’avait pas été démontré auparavant, selon les chercheurs.
Aronson a déclaré que cette démonstration a des implications pour les technologies futures, y compris la fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, et l’administration de médicaments.
« Pour l’impression 3D, l’idée est que vous pouvez ajouter certains additifs à l’encre, par exemple des nanorods », a-t-il déclaré. « Alors maintenant, nous pourrions séparer les nanorods des particules sphériques pour n’en déposer que quelques-uns dans l’impression, comme déposer des polymères sans nanorods et ainsi de suite, tout cela pour changer la propriété de l’impression. »
Aronson a déclaré que ce principe s’applique également à l’impression de cellules vivantes, connue sous le nom de bio-impression.
« Les applications potentielles de la bio-impression peuvent inclure la conception de buses acoustiques pour les imprimantes de type bio-jet d’encre », a-t-il déclaré. « En contrôlant le rayonnement acoustique dans la buse, nous pouvons potentiellement extruder certains types de cellules – par exemple, les cellules souches – et piéger d’autres types – par exemple, les bactéries. C’est un contrôle supplémentaire pour les bioprints. »
Cette capacité pourrait également être utile pour séparer les bactéries des cellules dans l’administration ciblée de médicaments, a déclaré Aronson. Les chercheurs prévoient ensuite de mélanger des bactéries et des cellules vivantes dans un laboratoire, puis de les séparer et de les contrôler.
Les autres auteurs de l’article sont Leonardo Dominguez Rubio, un étudiant diplômé du Penn State Department of Biomedical Engineering; Ayusman Sen, professeur de chimie Verne M. Willaman à Penn State ; et Matthew Collins, qui était un étudiant diplômé en chimie de Penn State au moment de ce travail.
Le département américain de l’énergie a soutenu ce travail.
