Une technique qui facilitera les tests biomédicaux, le développement de médicaments et d’autres domaines
Des chercheurs de l’université de Binghamton, de l’université d’État de Caroline du Nord, de la faculté de médecine de Harvard et de l’université Duke ont observé un phénomène qui leur permet de créer un spin dans des gouttelettes liquides à l’aide d’ondes ultrasonores, qui manipulent les particules solides en suspension dans le liquide.
Cette découverte permettra aux chercheurs de mettre au point des technologies qui exploitent cette technique dans des domaines tels que les tests biomédicaux et le développement de médicaments.
« C’est une nouvelle physique que nous avons découverte. Personne ne l’avait jamais découverte auparavant », a déclaré le professeur adjoint Yuyang Gu, membre du corps enseignant du Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science de Binghamton.
Gu, qui a rejoint le département de génie mécanique du Watson College à l’automne 2024, est co-auteur d’un article récemment publié dans la revue Science Advances avec le professeur adjoint Chuyi Chen de la NCSU. Cette recherche s’inscrit dans la continuité des travaux qu’ils ont menés ensemble pendant leur doctorat à l’université Duke.
Ont également contribué à cet article le professeur Tony Jun Huang de l’université Duke, les doctorants Joseph Rufo, Jinxin Zhang, Kaichun Yang et Ying Chen de l’université Duke, ainsi que le professeur Luke P. Lee de la Harvard Medical School.
La recherche montre que la création d’ondes ultrasonores à la surface d’un substrat piézoélectrique peut induire une rotation dans une gouttelette de liquide reposant sur ce substrat. L’oscillation des ondes ultrasonores pousse le fluide à l’intérieur de la gouttelette à circuler en cercle, mais la tension superficielle de la gouttelette l’empêche de se répandre.
« Si nous plaçons des microparticules ou des nanoparticules à l’intérieur de la gouttelette, elles suivent une trajectoire hélicoïdale pour se rassembler en un point central », explique Gu. « Nous pouvons utiliser ce phénomène pour manipuler des particules en 3D. Et quelle que soit la taille des particules, elles peuvent être concentrées au fond de la gouttelette. Ce processus peut également aider à trier des échantillons biologiques, par exemple en concentrant des cellules ou des vésicules pour les tester. »
Gu et Chen ont écrit pour la première fois sur ce phénomène en 2021, mais pour développer des technologies qui l’utilisent, ils savaient qu’ils devaient comprendre exactement ce qui le provoquait.
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« Après avoir publié notre premier article, nous avons réalisé que même si ce phénomène était utile, nous ne comprenions pas entièrement son mécanisme. Cela signifiait que nous ne pouvions pas contrôler le système », ajoute Gu. « Si quelqu’un nous avait demandé : « Dans votre système, pourquoi les particules se déplacent-elles ainsi ? Ou quels sont les seuils de séparation ? », nous n’aurions pas su répondre. Nous avions besoin d’analyses supplémentaires pour comprendre le mécanisme de rotation des gouttelettes et la trajectoire des particules. »
L’un des aspects clés de ces résultats est que le mouvement des particules à l’intérieur de la gouttelette peut être influencé en manipulant la tension superficielle du liquide, le rayon de la gouttelette et les paramètres des ondes ultrasonores. Cela permet de régler de multiples façons la rotation du système et le comportement des particules.
« Nous avons découvert que des particules de tailles différentes peuvent être concentrées à des échelles de temps différentes », a encore indiqué M. Gu. « Si la particule mesure 100 nanomètres, elle se concentrera d’abord au milieu, tandis que les nanoparticules plus petites resteront réparties de manière aléatoire dans la gouttelette. Ensuite, si nous augmentons la vitesse de rotation, nous pouvons concentrer davantage les nanoparticules plus petites. »
Outre son utilité potentielle dans les applications biomédicales, cette nouvelle technique est également prometteuse pour explorer toute une série de questions liées à la physique des systèmes en rotation.
« Nous pouvons l’utiliser comme analogie avec les systèmes de la nature ou de la physique quantique », précise t-il. « Nous pouvons voir des similitudes avec la rotation des électrons ou d’autres phénomènes microscopiques. Le vortex à l’intérieur est également similaire à une tornade. »
Maintenant que ce dernier article est publié, les collaborateurs se tournent vers l’avenir pour déterminer la suite de leur technique des gouttelettes.
« La première chose que nous voulons faire est d’étendre le système », conclut le chercheur. « Nous voulons explorer des gouttelettes plus grandes et plus petites. Nous voulons explorer comment différents paramètres peuvent affecter le système. Nous voulons également étendre l’application. Si nous voulons l’utiliser pour une fonction de détection biologique, il s’agit d’une seule gouttelette. Le débit sera faible, ce qui peut ne pas être utile pour des applications pratiques. Nous pouvons potentiellement construire un réseau de 100 gouttelettes qui tournent avec toutes les nanoparticules concentrées au milieu. »
Article : « Acoustofluidic spin control for 3D particle manipulation in droplets » – DOI : 10.1126/sciadv.adx0269
