Tra le tecnologie un tempo relegate al futuribile prossimo venturo che oggi si affacciano al mondo reale, quella associata alla forza traente è forse la meno conosciuta.
La piattaforma operativa oggi disponibile, ben lontana dall'agire su una astronave come immaginò alla fine degli anni '60 Gene Roddenberry in Star Trek, è quella - ben più fattibile - delle acoustic tweezers, letteralmente pinzette/manipolatori acustici. Lo scopo? Spostare bioparticelle mediante onde sonore.
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| Siamo ben lontani dal raggio traente immaginato in Star Trek |
I primi test, condotti su oggetti sferici (dalle sfere di lattice alle uova di rana), hanno dati dimostrato la fattibilità di spostarli da un punto all'altro, una volta intrappolati all'interno di un campo acustico. Da allora, si è passati a ipotizzare applicazioni pratiche in ambito scientifico ed ingegneristico.
Antesignane ed ispiratrici di questi dispositivi sono le pinzette ottiche (sviluppate nel 1986), cioè apparati che sfruttano la luce per catturare e muovere oggetti microscopici, da virus su fino alle cellule. Al di là delle loro potenzialità, l'utilizzo delle pinzette ottiche si è scontrato con limiti intrinseci come la necessità di ottiche complesse e di laser ad alta potenza, particolare quest'ultimo che poco si adatta all'utilizzo su campioni biologici.
Dato che i tweeter ottici non erano la scelta ottimale per l'utilizzo in biologia si è guardato ad altre forze come la magnetica, l'optoelettronica, la plasmonica (una variante dell'ottica che si fonda sull'uso di campi elettromagnetici localmente potenziati), l''elettrocinetica o la idrodinamica.
Ciascuna di queste con vantaggi e limitazioni, sintetizzabili come segue:
- Le pinzette magnetiche e ottiche permettono una migliore risoluzione spaziale, ma non sono adatte a particelle più piccole di 100 nanometri (nm).
- Le pinzette plasmoniche richiedono una potenza laser contenuta e sono adatte per catturare particelle di dimensioni nanometriche. Il limite è che le intensità locali necessarie per intrappolare le particelle possono provocare il riscaldamento del fluido circostante (e a cascata la comparsa di moti convettivi), rendendo necessaria l'implementazione di un sistema di controllo termico.
- Le pinzette elettrocinetiche, basate sia sulle forze elettroforetiche che dielettroforetiche, sfruttano il campo elettrico e permettono di manipolare particelle di dimensioni comprese tra il nm e il mm. Il loro limite è nell'essere dipendenti dalla polarizzabilità dei bersagli e necessitano di medium a bassa conduttività, entrambi fattori non "amici" della fisiologia cellulare.
- Le pinzette optoelettroniche usano una sorgente di luce e un substrato fotoconduttivo per indurre la dielettroforesi, consentendo così una manipolazione dinamica pur con limitate richieste nella potenza ottica; necessitano di medium a bassa conduttività.
- Le pinzette idrodinamiche rappresentano forse l'approccio più semplice per la manipolazione delle particelle. il controllo del flusso del fluido permette di indirizzare le particelle all'interno di un microcanale, dove verranno poi ulteriormente separate in base alle caratteristiche cercate. Il punto debole è nell'assenza di un controllo fine.
- Le pinzette acustiche possono risolvere molti dei limiti delle precedenti tecniche. Poiché le onde acustiche nel range tra il kHz e il MHz sono facili da generare, rende "facile" manipolare particelle su 5 ordini di grandezza dimensionale (da 10-7 a 10-2 m). Inoltre, la potenza acustica applicata (da 10-2 a 10 W / cm2) e le frequenze usate (da 1 kHz a 500 MHz) sono simili a quelle in uso per la diagnostica ad ultrasuoni (2-18 MHz, meno di 1 W/cm2), da cui deriva una intrinseca sicurezza. Ad esempio, test di manipolazione acustica condotti su globuli rossi e embrioni di zebrafish per 30 minuti non provocano alcuna alterazione nella vitalità cellulare o nello sviluppo, rispettivamente.
I tweezers acustici offrono interessanti prospettive di impiego in biologia e biomedicina specie nell'isolamento di biomarkers quali macromolecole nanometriche, vescicole extracellulari e cellule.
Video di qualche anno fa in cui viene mostrato l'utilizzo di un prototipo di pinzette acustiche per muovere le cellule.
Passano gli anni e la tecnica fa passi da gigante permettendo di manipolare le particelle in 3D
Altro esempio di applicazione, questa volta macroscopica, è la levitazione di un oggetto ottenuta solo grazie alle onde acustiche. Per ulteriori dettagli sulla tecnica, vi rimando all'articolo pubblicato su Physical Review Letters a gennaio 2018.
Fonte
- Acoustic tweezers for the life sciences
Ozcelik et al. Nature Methods - 15 (2018) pp.1021–1028
Passano gli anni e la tecnica fa passi da gigante permettendo di manipolare le particelle in 3D
(credit: UpnaLab - Universidad Pública de Navarra)
Altro esempio di applicazione, questa volta macroscopica, è la levitazione di un oggetto ottenuta solo grazie alle onde acustiche. Per ulteriori dettagli sulla tecnica, vi rimando all'articolo pubblicato su Physical Review Letters a gennaio 2018.
(credit: UpnaLab) ,
Articolo precedente sul tema --> "Il raggio traente da costruire a casa")
Fonte
- Acoustic tweezers for the life sciences
Ozcelik et al. Nature Methods - 15 (2018) pp.1021–1028
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