La nueva plataforma permite cinco tipos de manipulación optotérmica programable de micro y nanopartículas

(Proyector de Nanowerk) El Premio Nobel de Física 2018 se otorgó por inventos revolucionarios en el campo de la física láser, y la mitad se destinó a Arthur Ashkin «por pinzas ópticas y su aplicación a sistemas biológicos». Lo que Ashkin descubrió en la década de 1970 fue que la presión de radiación, la capacidad de la luz para aplicar presión para mover objetos pequeños, podría usarse para confinar partículas pequeñas (consulte el artículo original de 1970: «Aceleración y atrapamiento de partículas por presión de radiación»). .

A lo largo de los años, los investigadores en los campos de la biología y la química también han desarrollado técnicas para utilizar ondas de sonido (pinzas acústicas) y fuerza magnética (pinzas magnéticas) para capturar y mover objetos pequeños sin tocarlos. Si bien ambos tipos de pinzas ofrecen capacidad de manipulación multimodal, los sistemas de pinzas ópticas existentes y otras técnicas de manipulación óptica solo ofrecen manipulación de modo único o modo dual (es decir, traslación y rotación) y normalmente requieren perfiles de intensidad diseñados y dinámicas de polarización complejas. Los modos limitados y estos requisitos dificultan la manipulación óptica para realizar tareas complejas y realistas (como la nanocirugía).

Es la limitación de las pinzas ópticas lo que motiva a un grupo de investigadores de la Universidad de Texas en Austin a desarrollar un método de manipulación optotérmico integral para la manipulación versátil de varios micro y nano objetos. El objetivo final de su trabajo es expandir los modos de manipulación de las pinzas ópticas para desarrollar plataformas de manipulación óptica en sistemas robóticos capaces de realizar una variedad de tareas de forma autónoma.

Cómo informa el equipo ahora ACS nano («Manipulación optotérmica multimodal programable de partículas sintéticas y células biológicas»), desarrollaron una plataforma optotérmica con cinco modos de manipulación (impresión, extracción, rotación, rodadura y disparo) utilizando un único rayo láser gaussiano. El cambio entre los diferentes modos se logra simplemente ajustando la potencia óptica o la distancia entre el láser y el objeto y puede automatizarse mediante programación de software.

Esta nueva técnica de manipulación multimodal se basa en la coordinación de múltiples fuerzas térmicas en lugar de interacciones luz-materia, es decir, el mecanismo de las pinzas ópticas tradicionales.

«Nuestra plataforma de manipulación multimodal se puede utilizar para micropartículas y nanopartículas sintéticas, así como para células vivas, y también demostramos su potencial prometedor en la caracterización de una sola célula», dijo Hongru Ding, asistente de investigación en el grupo de investigación de Yuebing Zheng y el primero en la publicación. autor, le dice a Nanowerk. «Esperamos que esta plataforma optotérmica multimodal programable contribuya a varios estudios y aplicaciones fundamentales en biología celular, nanotecnología, robótica y fotónica».

Como se muestra en la Figura 1 a continuación, la manipulación multimodal se basa en la sinergia de tres fuerzas térmicas: fuerza de agotamiento (FD), fuerza termoeléctrica (FTE) y fuerza electrocinética (Fmi) – generado en un campo de temperatura no uniforme al irradiar un sustrato absorbente de luz con un rayo láser de baja potencia. FD y FTE se utilizan para controlar el movimiento de traslación del objetivo y Fmi sirve para controlar el movimiento giratorio. Figura 1. Principio de funcionamiento de una plataforma de manipulación optotérmica multimodal. (a) Principio de funcionamiento del modo pinzas: (i) un campo de temperatura no uniforme. (ii) molécula de PEG, proteína BSA, Na+ y cl– iones (iii)-(iv) Para mayor claridad, solo se trazan cinco líneas de gradiente de temperatura (flechas con guiones blancos) para mostrar las direcciones del gradiente de temperatura, con la barra de color insertada (arriba) que indica la magnitud de la temperatura. (b) La impresión de la partícula se logra mediante una F mejoradaD impulsada por una mayor potencia láser de entrada. D se define como la distancia entre el rayo láser y la partícula. Cuando la partícula está a cierta distancia del punto láser, un par electrocinético (Mmi) también se puede generar (flecha negra curva). Por lo tanto, al modular la distancia entre el rayo láser y la partícula (es decir, aumentando D paso a paso), la partícula puede exhibir rotación (c), balanceo (d), así como disparar sin ninguna rotación (e), que se debe a la direccional y el cambio de tamaño de FDFTEy Fmi. Intensidad óptica: 0,1 mW/µm2. (Reimpreso con permiso de la American Chemical Society) (haga clic en la imagen para ampliar)

Como se muestra en la Figura 1 anterior, esta técnica de manipulación optotérmica funciona en detalle de la siguiente manera: en el campo de temperatura no uniforme, las moléculas de PEG, Na+ y cl– Los iones se difunden en la región fría y crean gradientes de concentración (i). El gradiente de concentración de PEG da como resultado una presión osmótica desequilibrada y, por lo tanto, una fuerza hacia abajo (FD) sobre la partícula (flecha amarilla). N / A+ y cl– Los iones se separan durante el proceso de termoforesis, que crea un campo termoeléctrico que ejerce una fuerza repulsiva (FTE) sobre la partícula.

Además, el campo de temperatura influye en la disociación de los grupos funcionales carboxilo y, por lo tanto, en una carga superficial desigual en la partícula, como se muestra en la barra de color del recuadro. Con moléculas de BSA sobre él, el sustrato también muestra una carga superficial no uniforme (iii y iv) que ejerce una fuerza hacia afuera (Fmi) sobre la partícula (flecha rosa). La partícula queda atrapada en la región caliente (modo pinzas) cuando FD es mayor que la suma de FTE y Fmi. En particular, la fuerza TE y la fuerza de agotamiento fijan el objeto en el espacio, mientras que la interacción termoelectrocinética entre el objeto y el sustrato impulsa la rotación.

«La adhesión de un receptor a un ligando en las superficies celulares interviene en la comunicación célula-célula y célula-entorno y desempeña un papel fundamental en una variedad de eventos celulares que involucran proteínas, carbohidratos y fosfolípidos», explica Ding. “Por ejemplo, el primer paso en la respuesta inflamatoria es la adhesión rodante (es decir, rodadura seguida de adhesión) de las células hematopoyéticas a las superficies de los vasos en los sitios infectados o lesionados. Los hongos y las bacterias infectan a un huésped rodando cerca del endotelio y luego adhiriéndose a las células epiteliales a través de la fuerza adhesiva entre las superficies celulares».

«La mayoría de los ensayos de células individuales existentes pueden medir con precisión la adhesión celular dominada por las fuerzas de tracción», continúa. “Sin embargo, no pueden capturar la cinética de corte de las celdas rodantes. Con la capacidad de controlar de forma versátil tanto los movimientos de traslación como de rotación de las células con una resolución nanométrica, nuestra plataforma multimodal de micro/nanomanipulación ofrece un enfoque eficaz para cerrar esta brecha. » Figura 2. Manipulación multimodal de células para caracterización superficial tridimensional in situ con resolución subcelular. ( a ) Imágenes ópticas esquemáticas y de resolución temporal que muestran la rotación y la presión de la célula de levadura objetivo (la flecha blanca es un eje de tiempo). Una vez impresa sobre el sustrato, la celda no se movió. Recuadro de (ii): la imagen fluorescente de la célula de levadura objetivo tomada en ese momento, que muestra la posición de la región del estigma de la yema (es decir, la región de color verde claro). (b) Imágenes ópticas esquemáticas (i) y secuenciales (ii-vii) que muestran el arranque y el giro de la célula de levadura de sonda, lo que permite que la célula de sonda se acerque al objetivo de manera eficiente. (c) y (d) Esquemas (i) e imágenes ópticas secuenciales (ii-iv) de la rotación de la celda sonda contactando la celda objetivo en los diferentes sitios que nos permiten capturar la cinética de corte de la adhesión celular dominada por interacciones hidrofóbicas . Las flechas lineales y curvas en las representaciones esquemáticas de (a)-(d) indican movimientos de traslación y rotación. Barra de escala: 10 µm. (e) Tasas de rotación medidas de la celda de la sonda en contacto con la celda objetivo en los seis sitios en las regiones sin cicatrices (marcadas por los puntos rojos en el recuadro). La región de la cicatriz se volvió hacia arriba como lo indica la región azul en el recuadro esquemático. ( f ) Tasas de rotación medidas de las células de sonda que contactan con las células objetivo en sitios en regiones sin estigma y con estigma de yema. Recuadro: un esquema ilustrativo de la caracterización tridimensional de la superficie celular en resolución subcelular. Regiones azules: cicatrices de brotes; puntos rojos – páginas de contacto. La línea discontinua y la flecha de la curva indican la dirección de rotación de la celda de la sonda. #1-#3 son almohadillas que no cicatrizan; #5 es un área parcialmente curada; #4 y #7 son sitios de cicatriz única; # 6 es un punto de doble cicatriz. Las velocidades de rotación se obtuvieron a partir de 4 pares de células de levadura. (Reimpreso con permiso de la American Chemical Society) (haga clic en la imagen para ampliar)

La plataforma de manipulación multimodal optotérmica actual del equipo es principalmente una plataforma quirúrgica bidimensional debido a la necesidad de un sustrato que absorba la luz. Sin embargo, ya han comenzado a desarrollar una plataforma de manipulación tridimensional utilizando fibras ópticas recubiertas de capas fototérmicas.

Ding señala que la manipulación multimodal de las células in vitro en biofluidos nativos (por ejemplo, plasma) es posible siempre que los biofluidos contengan iones y biomoléculas para formar campos eléctricos y osmóticos. «Al usar la química superficial para modificar los sustratos optotérmicos para que tengan carga positiva o negativa, se puede aplicar la plataforma para manipular partículas sintéticas y células vivas con cualquier tipo de carga superficial», señala.

«Creemos que nuestra plataforma versátil servirá como una poderosa caja de herramientas para aplicaciones en ciencia coloidal, biología celular, nanomateriales y micro/nanorobótica, trabajando en modo único o multimodo», concluye. Mediante

Miguel
Berger
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Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©




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