Bei der Untersuchung der Ausbreitung von Krebs oder des Verhaltens eines Virus wie dem, das COVID-19 verursacht, besteht die Ironie darin, dass der Umgang mit diesen schädlichen Krankheitserregern eine behutsame Vorgehensweise erfordert. Insbesondere im Fall von COVID überleben die Partikel den Kontakt mit Oberflächen nicht gut. Um ein lebendes Virus zu beobachten und zu bewegen, halten Methoden, die keinen physischen Kontakt herstellen, diese zerstörerischen, aber winzigen Objekte länger am Leben, sodass mehr Zeit für ihre Untersuchung bleibt.
Zhenhua Tian, Assistenzprofessor an der Virginia Tech, hat einen Ansatz entwickelt, bei dem zwei Arten von Energie zum Bewegen von Mikropartikeln verwendet werden und der neuartige Anwendungsmöglichkeiten für die Diagnose, Behandlung und Prävention der Ausbreitung von Krankheiten bietet.
Durch die Kombination von Schallwellen mit elektrischen Feldern haben Tian und sein Team ein neues mikroskopisches Gerät entwickelt, mit dem kleine Partikel berührungslos erfasst und bearbeitet werden können. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte.
„Dies ist die erste Studie dieser Art“, sagte Tian. „Andere, darunter auch mein Team, haben gezeigt, wie Schallwellen Partikel steuern können. Auch elektrische Felder werden häufig für denselben Zweck eingesetzt. Dies ist die erste Studie, die beides kombiniert.“
Welle auf Welle
Für diese einzigartige Technik kombinierten Tian und sein Forschungsteam zwei Energieformen. Die erste ist akustische Energie, die stehende Wellen nutzt. Diese akustischen Wellen liegen außerhalb des für Menschen hörbaren Schallbereichs und sind so konstruiert, dass sie sich entlang der flachen Oberflächen kleiner Chips bewegen, die mit winzigen akustischen Emittern ausgestattet sind.
Die Schallenergie bewegt sich wie die Energie eines Erdbebens, jedoch in einem viel kleineren Maßstab. Obwohl sie unsichtbar sind, werden Ultraschallwellen normalerweise als Berge und Täler visualisiert. Wie häufig dieses Auf- und Ab-Muster auftritt, wird als Frequenz bezeichnet.
Für dieses Projekt sendete Tians Team zwei Wellen unterschiedlicher Frequenz aus, die sich kreuzten. Wenn sich die Wellen kreuzen, entstehen durch ihre Überlappung gitterartige Energiemuster, die aus vielen Energietälern bestehen, die als akustische Brunnen bezeichnet werden.
Wenn Mikropartikel auf diese Vertiefungen treffen, werden sie gefangen und setzen sich in der Mitte ab. Dort bleiben sie – geschützt genug, um untersucht zu werden – bis eine andere Kraft einwirkt. Elektrische Felder sorgen für die zweite Kraft.
Elektrische Felder in akustischen Brunnen
Um die Bewegung von Partikeln in akustischen Brunnen zu kontrollieren, ist eine andere Art von Energie erforderlich. Und hier kommen elektrische Felder ins Spiel.
Wo sich Schallwellen in Bergen und Tälern ausbreiten, können mit mikroskopischen Elektroden elektrische Felder erzeugt werden. Durch die Überlagerung eines elektrischen Felds mit einem akustischen Brunnen gelang es Tians Team, die im Brunnen gefangenen Mikropartikel präzise zu bewegen. Anstatt in der Mitte des Brunnens unbeweglich zu bleiben, ermöglicht ihnen die durch das elektrische Feld erzeugte Kraft, sich um die Mitte des Brunnens zu bewegen.
Darüber hinaus entstehen durch die Kreuzung der Schallwellen mehrere Vertiefungen, was zu einer fast unsichtbaren Eierkartonform führt. Die Vertiefungen sind gitterförmig verteilt, sodass mehrere Partikel gleichzeitig erfasst werden können. Wenn elektrische Felder verwendet werden, um die Partikel in ihnen zu bewegen, kann jedes Partikel separat gesteuert werden, wodurch die Voraussetzungen für komplexe Bewegungen geschaffen werden.
Arbeiten in den Wellen
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind vielfältig. Forscher, die im Mikromaßstab arbeiten, werden neue Möglichkeiten für ihre Arbeit haben, und die Fähigkeit, mit empfindlichem Material wie Viruspartikeln umzugehen, öffnet neue Türen.
„Wir können uns vorstellen, mit dieser Methode viele verschiedene Probleme zu lösen“, sagte Tian.
„Forscher, die Zellen präzise manipulieren und ihre Interaktion untereinander testen möchten, wie etwa die Interaktion zwischen weißen Blutkörperchen und Krebszellen, können dies tun, ohne dass die Zellen irgendetwas anderes als einander berühren. Wenn Sie untersuchen möchten, wie ein Virus wie COVID in eine Zelle eindringt, könnten Sie diese Methode anwenden, um sie zusammenzubringen oder ihre Distanz zu kontrollieren.“
Weitere Informationen:
Liang Shen et al., Akusto-dielektrische Pinzetten ermöglichen die unabhängige Manipulation mehrerer Partikel, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado8992