Акустическая левитация — путь к бесконтактной хирургии

Голографические технологии в биологии и медицине

Ранее было известно, что в технологии, названной голографическим оптическим пинцетом, применяется сфокусированный свет для независимого манипулирования несколькими объектами без прямого контакта с ними. В современных условиях указанная технология находит свое применение в таких биомедицинских исследованиях и задачах, как измерение константы спирали ДНК, силы натяжения моторного белка кинезина или для акцепции вещества в тех или иных физических состояниях. В отличие от голографической оптической системы, технология акустического пинцета основана на применении силы звуковой волны для захвата частиц в большем масштабе — в объемах от микрометров до сантиметров. Однако предыдущие реализации подобной акустической технологии не обеспечивали возможность индивидуального контроля выполняемых манипуляций.

В инновационном исследовании, проведенном научными сотрудниками Факультета инженерии Бристольского университета (Faculty of Engineering, University of Bristol), Великобритания, и Публичного университета Наварры (The Public University of Navarre), Испания, была представлена практическая реализация голографического акустического пинцета. Применяя массив звуковых излучателей, ученые продемонстрировали возможность проектирования и генерации звукового поля для индивидуальной манипуляции набором из нескольких десятков частиц. Было показано, что подобная технология позволяет применять приложения в бесконтактной сборке как в микрометровом, так и в сантиметровом масштабе, а также создавать дисплеи, в которых пиксели являются левитирующими частицами. Статья по материалам исследования опубликована в издании «Proceedings of the National Academy of Sciences» 17 декабря 2018 г.

Оптика и акустика в медицине будущего

Комментируя практическую значимость своей работы, авторы объяснили, что разработка акустического пинцета основана на применении интенсивности звуковой волны для манипулирования веществом без непосредственно прямого контакта с ним. Технологию акустического пинцета отличают уникальные характеристики по сравнению с ранее успешно применяемыми оптическими пинцетами. В частности, акустический пинцет отличают такие особенности, как большая сила захвата на единицу входной мощности и способность манипулировать объектами от микрометра до сантиметровой шкалы. Кроме того, акустический пинцет позволяет охватить более широкий спектр образцов материалов в различных средах. По словам авторов, драматическим достижением в области оптических пинцетов стала разработка голографических оптических пинцетов, которые позволили осуществлять независимые манипуляции с несколькими частицами, что стало основой разработки ряда приложений для сборки трехмерных микроструктур и исследования морфометрических характеристик мягких тканей.

В новой работе, спустя 20 лет после разработки голографических оптических пинцетов ученые представили инновационную модель голографического акустического пинцета. В экспериментальном исследовании авторы продемонстрировали бортовую систему голографического акустического пинцета с частотными характеристиками ультразвукового диапазона (40 кГц), реализованную с использованием двух фазированных решеток с 256 излучателями, позволяющими манипулировать более чем 25 частицами миллиметрового диапазона одновременно. Ученые отметили, что при рассмотрении в масштабе длины волны голографический акустический пинцет обеспечивает возможности управления микрообъектами, аналогичные голографическому оптическому пинцету, однако сохраняя при этом свои уникальные характеристики. Результаты, полученные в экспериментальном исследовании, по мнению авторов, демонстрируют несомненные преимущества применения голографических акустических пинцетов в новых формах объемных дисплеев, в процессах сборки микрочастиц в микрометровом и миллиметровом масштабе, а также для позиционирования и ориентации нескольких объектов — например в биомедицинских технологиях и в бесконтактной микрохирургии в частности.

Перспективы акустических технологий в терапии и хирургии

Исследователи подчеркнули, что акустический пинцет обладает возможностями, аналогичными оптическим пинцетам — технологии, за которую авторам-разработчикам в 2018 г. была присуждена Нобелевская премия в области физики. Оптический пинцет основан на применении лазеров, улавливающих и транспортирующих микрочастицы. Тем не менее акустические пинцеты имеют преимущество перед оптическими системами, учитывая специфику тончайших манипуляций в тканях человека. Так, например, луч лазера распространяется лишь в прозрачных средах, что затрудняет их применение в биологических тканях. С другой стороны, ультразвук нашел свое широкое применение в медицинской диагностической, терапевтической и хирургической практике, поскольку может безопасно и неинвазивно проникать в биологические среды. Еще одним преимуществом акустических голографических пинцетов является то, что акустические устройства в 100 000 раз эффективнее по сравнению с оптическими системами.

В заключение профессор кафедры машиностроения Бристольского университета Брюс В. Дринкуотер (Bruce W. Drinkwater) отметил: «На первый взгляд, поистине, может казаться, что новейшие достижения физики направляют технологические разработки в сферы футуристически звучащей реальности. Однако в действительности технология акустического голографического пинцета предполагает, что эта система в конечном итоге будет использоваться для акустического сшивания внутренних повреждений или целевой доставки лекарств в те или иные органы тела человека. Оптический пинцет — это фантастическая технология, однако она всегда опасно близка к гибели перемещаемых клеток. Обращаясь к звуку, мы прикладываем те же силы, но с гораздо меньшим количеством связанной энергии. В настоящее время существует множество приложений, которые требуют клеточных манипуляций, и акустические системы идеально подходят для реализации этих целей».

• Marzo A., Drinkwater B.W. (2018) Holographic acoustic tweezers. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Dec. 17 [Epub. ahead of print].

Наталья Савельева-Кулик