2018 erhielt Arthur Ashkin den Nobelpreis für Physik für seine Erfindung der optischen Pinzette , d. h. Laserstrahlen, mit denen mikroskopisch kleine Partikel manipuliert werden können. Obwohl sie für viele biologische Anwendungen nützlich sind, benötigen optische Pinzetten extrem kontrollierte statische Bedingungen, um richtig zu funktionieren.
"Optische Pinzetten erzeugen einen leuchtenden "Hotspot", um die Partikel einzufangen, ähnlich wie ein Ball, der in ein Loch fällt. Wenn sich aber andere Objekte in der Nähe befinden, ist dieses Loch schwer zu erzeugen und zu bewegen", sagt Romain Fleury, Leiter des Labors für Welleningenieurwesen an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL.
Romain Fleury und die postdoktoralen Forscher Bakhtiyar Orazbayev und Matthieu Malléjac haben die letzten vier Jahre damit verbracht, zu versuchen, Objekte in unkontrollierten dynamischen Umgebungen mithilfe von Schallwellen zu bewegen. Die von dem Team verwendete Methode, nämlich die Impulsformung der Wellen, ist völlig gleichgültig gegenüber der Umgebung eines Objekts oder sogar seinen physikalischen Eigenschaften. Die Position des Objekts ist die einzige Information, die benötigt wird. Die Schallwellen erledigen den Rest.
"In unseren Experimenten haben wir die Objekte nicht eingeklemmt, sondern sanft geschoben, so wie man einen Puck mit einem Hockeyschläger führt", erklärt Romain Fleury.
Die unkonventionelle Methode, die durch das Spark-Programm des Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF) finanziert wurde, wurde in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Bordeaux (Frankreich), der Nazarbayev-Universität (Kasachstan) und der Technischen Universität Wien (Österreich) in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Sehr einfach und sehr vielversprechend
Wenn in Romain Fleurys Analogie die Schallwellen der Hockeyschläger sind, dann ist ein schwimmendes Objekt wie ein Tischtennisball der Puck. In den Laborexperimenten schwamm der Ball auf der Oberfläche eines großen Wassertanks und seine Position wurde von einer Luftbildkamera erfasst. Schallwellen aus einer Reihe von Lautsprechern an beiden Enden des Tanks lenkten den Ball auf eine vorbestimmte Flugbahn, während eine zweite Reihe von Mikrofonen auf die Rückkopplung "hörte", die als Streumatrix bezeichnet wurde und von dem sich bewegenden Ball abprallte. In Kombination mit den Positionsdaten der Kamera ermöglichte diese Streumatrix dem Forschungsteam, in Echtzeit den optimalen Impuls der Schallwellen zu berechnen, wenn sie den Ball auf seiner Flugbahn antreiben."Die Methode beruht auf der Impulserhaltung, was sie extrem einfach und allgemein anwendbar macht. Deshalb ist sie so vielversprechend", sagt Romain Fleury.
Er fügt hinzu, dass die Wellenimpulsformung auf der optischen Technologie der Wellenfrontformung basiert, die zur Fokussierung von gestreutem Licht eingesetzt wird, dass dies jedoch die erste Anwendung dieses Konzepts auf die Bewegung eines Objekts ist. Außerdem beschränkt sich die Methode der Wissenschaftler nicht darauf, kugelförmige Objekte auf einer Bahn zu bewegen. Sie verwendeten sie auch, um Drehungen zu steuern und komplexere schwebende Objekte wie einen Origami-Lotus zu bewegen.
Bedingungen im Inneren des Organismus nachbilden
Nachdem es den Wissenschaftlern gelungen war, einen Tischtennisball zu steuern, führten sie weitere Experimente mit festen und beweglichen Hindernissen durch, die dem System Heterogenität hinzufügen sollten. Die erfolgreiche Bewegung des Balls um diese streuenden Objekte herum zeigte, dass die Formung des Wellenimpulses selbst in dynamischen und unkontrollierten Umgebungen wie dem menschlichen Körper zu guten Ergebnissen führen kann. Romain Fleury fügt hinzu, dass Schall ein besonders vielversprechendes Werkzeug für biomedizinische Anwendungen ist, da er harmlos und nicht invasiv ist."Einige Methoden zur Verabreichung von Medikamenten nutzen bereits Schallwellen, um verkapselte Medikamente freizusetzen. Diese Technik ist daher besonders interessant, um ein Medikament beispielsweise direkt auf Tumorzellen zu lenken."
Diese Methode könnte auch bei biologischen Analysen oder Anwendungen in der Gewebetechnik, bei denen die Manipulation von Zellen durch Berührung zu Schäden oder Verunreinigungen führen würde, die Situation verändern. Romain Fleury sieht auch Anwendungen des 3D-Drucks zur Formung des Wellenimpulses, z. B. um mikroskopisch kleine Partikel anzuordnen, bevor sie zu einem Objekt verfestigt werden.
Letztendlich, so die Wissenschaftler, könnte ihre Methode auch mit Licht funktionieren, aber ihr nächstes Ziel ist es, ihre schallbasierten Experimente von der Makro- auf die Mikroebene zu bringen. Sie haben bereits eine Finanzierung vom SNF erhalten, um Experimente unter dem Mikroskop durchzuführen, bei denen sie Ultraschallwellen verwenden, um Zellen zu bewegen.