Les pinces optiques manipulent de petites choses comme des cellules et des nanoparticules à l’aide de lasers. Bien qu’ils puissent ressembler à des rayons tracteurs de science-fiction, le fait est que leur développement a valu aux scientifiques un prix Nobel en 2018.
Les scientifiques ont désormais utilisé des superordinateurs pour rendre l’utilisation des pinces optiques moreover sûre sur les cellules vivantes, avec des applications dans le traitement du most cancers, la surveillance de l’environnement, etc.
« Nous pensons que nos recherches constituent un pas de furthermore vers l’industrialisation des pinces optiques dans des applications biologiques, en particulier dans la chirurgie cellulaire sélective et l’administration ciblée de médicaments », a déclaré Pavana Kollipara, récemment diplômée de l’Université du Texas à Austin. Kollipara a co-écrit une étude sur les pincettes optiques publiée en août 2023 dans Nature Communications, rédigée juste avant de terminer son doctorat en génie mécanique sous la course d’un autre co-auteur de l’étude, Yuebing Zheng de l’UT Austin, l’auteur correspondant de l’article.
Les pinces optiques piègent et déplacent les petites particules auto la lumière a un élan qui peut être transféré à une particule impactée. La lumière intensifiée des lasers l’amplifie.
Kollipara et ses collègues ont poussé la pince optique encore plus loin en développant une méthode permettant de maintenir la particule ciblée au frais, à l’aide d’un dissipateur thermique et d’un refroidisseur thermoélectrique. Leur méthode, appelée pince optothermophorétique hypothermique (HOTT), permet de piéger à faible puissance divers colloïdes et cellules biologiques dans leurs fluides natifs.
Cette dernière avancée pourrait aider à surmonter les problèmes des pinces à lumière laser actuelles, car elles brûlent trop l’échantillon pour les apps biologiques.
« L’idée principale de ce travail est uncomplicated », a déclaré Kollipara. « Si l’échantillon est endommagé à result in de la chaleur, refroidissez-le simplement, puis chauffez-le avec le faisceau laser. Finalement, lorsque la cible, telle qu’une cellule biologique, est piégée, la température est toujours proche de la température ambiante. de 27 à 34 °C. Vous pouvez le piéger à une puissance laser inférieure et contrôler la température, éliminant ainsi les photons ou les dommages thermiques sur les cellules.
L’équipe scientifique a testé leur HOTT sur des globules rouges humains, sensibles aux changements de température.
« En utilisant des pinces optiques conventionnelles, la construction cellulaire est endommagée et elles meurent immédiatement. Nous avons démontré que, quel que soit le style de remedy dans laquelle les cellules sont dispersées, notre system peut les piéger et les manipuler en toute sécurité. C’était l’une des principales découvertes de l’étude. l’étude », a déclaré Kollipara.
Une autre conclusion s’applique aux applications d’administration de médicaments. Les vésicules plasmoniques, de minuscules bio-conteneurs recouverts de nanoparticules d’or, ont été piégées sans être réputées déplacées vers différents endroits à l’intérieur d’une answer, de la même manière que pour guider des médicaments vers une tumeur cancéreuse ciblée. Une fois qu’ils atteignent la cible du most cancers, ils sont frappés par un faisceau laser secondaire pour ouvrir la cargaison de médicament.
« L’administration de médicaments induite par laser est importante vehicle nous pouvons concentrer et administrer des médicaments sur une cible particulière. De cette façon, la quantité de médicaments consommée par un affected individual diminue considérablement et vous pouvez spécifier à quels endroits vous pouvez administrer le médicament », a ajouté Kollipara.
Des simulations sur superordinateur étaient nécessaires pour calculer les amplitudes de pressure 3D à grande échelle sur les particules à partir des champs optiques, thermophorétiques et thermoélectriques obtenus à une puissance laser particulière. Alors qu’il était doctorant à l’UT Austin, Kollipara a reçu des allocations pour le Stampede2 du TACC, une ressource stratégique nationale partagée par des milliers de scientifiques financés par la Countrywide Science Foundation.
« Le système est si complexe en termes de coûts de calcul que nos postes de travail locaux ne peuvent pas le prendre en charge. Nous aurions besoin d’exécuter une simulation pendant des jours pour obtenir un seul stage de données, et nous en avons besoin de milliers. TACC nous a aidé dans notre analyse et génère des résultats de plusieurs ordres de grandeur in addition rapides que tout ce que nous avons », a déclaré Kollipara.
Moreover largement et pas directement pour cette étude, la recherche sur les biocapteurs plasmiques de Kollipara a également utilisé le système Lonestar5 de TACC pour exécuter des simulations as well as approfondies. Lonestar5 et maintenant Lonestar6 servent spécifiquement les scientifiques du système UT through la cyberinfrastructure de recherche de l’Université du Texas (UTRC).
« Construire un modèle compliqué à lui seul ne suffit pas », a déclaré Kollipara : « Vous devez vous assurer qu’il fonctionne correctement grâce à l’expérimentation. Les ordinateurs portables ne suffisent pas pour les besoins de la recherche et du développement intensifs. C’est là que les ressources de calcul intensif comme celles du TACC aider les chercheurs à accélérer la recherche et le développement et à répondre aux besoins humains. »
