Des vortex acoustiques pour manipuler des cellules

Publié par Adrien le 17/01/2021 à 09:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs de l'IEMN et de l'INSP ont réalisé une pince acoustique qui permet de manipuler des cellules individuellement dans un microscope. Ces résultats, obtenus en créant une structure d'onde acoustique particulière - un vortex - sont publiés dans la revue Nature Communications.

Pouvoir manipuler une par une des cellules biologiques ouvre la voie à de multiples applications: l'analyse d'une cellule unique et de sa réponse à des sollicitations mécaniques, l'étude des interactions intercellulaires, l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) tissulaire... Pour ce type d'applications, les possibilités offertes par les pinces optiques, qui piègent des particules de taille micrométrique au centre d'un faisceau électromagnétique focalisé, restent limitées: l'intensité lumineuse nécessaire pour piéger des cellules et des effets photochimiques peuvent induire des dommages sur les cellules biologiques.


Une puce miniature (à gauche) produit un vortex acoustique dans lequel une cellule unique peut être piégée (au centre). Intégré dans un microscope, ce dispositif a permis de manipuler et positionner individuellement des cellules (à droite).
© IEMN (CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts de France/Centrale Lille).

C'est pourquoi des chercheurs et des chercheuses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des...) (IEMN, CNRS/Université de Lille/Université Polytechnique Hauts de France/Centrale Lille) et de l'Institut des nanosciences de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) (INSP, CNRS/Sorbonne Université) se sont tournés vers une autre solution, qui consiste à utiliser un phénomène analogue, mais produit cette fois par des ondes acoustiques.

En effet, à puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) égale, une onde acoustique (Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée...) exercera une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) beaucoup plus importante qu'une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) lumineuse. Cela tient au fait que la force (pression de radiation), en acoustique comme en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), est proportionnelle à l'intensité de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) divisée par sa vitesse (On distingue :). La vitesse d'une onde électromagnétique (environ 3,108 m/s) étant bien plus élevée que celle d'une onde acoustique (environ 1500 m/s dans un liquide), cette dernière exercera une force identique avec une puissance bien plus faible. De plus, les ondes acoustiques, utilisées par exemple en échographie médicale, n'ont pas d'effet nocif intrinsèque sur les tissus, en dessous de seuils mécaniques et thermiques relativement élevés.

Toutefois, pour développer une pince (Une pince est un dispositif mécanique ou un outil, ayant pour fonction de pincer quelque chose...) acoustique, plusieurs problèmes devaient être résolus. Il fallait d'abord assurer la sélectivité spatiale de la pince, c'est-à-dire sa capacité à déplacer une cellule unique parmi d'autres. Pour ce faire, il est nécessaire de localiser spatialement l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de l'onde. Mais contrairement aux pinces optiques, ce problème ne peut être résolu avec une simple onde focalisée: en effet la plupart des cellules sont éjectées du point (Graphie) focal, au lieu d'y être piégée. Les chercheurs ont donc utilisé une structure d'onde particulière, appelée vortex focalisé, qui permet de piéger une cellule au centre du faisceau. Il restait à concevoir un dispositif capable de produire ce vortex, et sous une forme suffisamment miniaturisée pour être intégrée dans un microscope.

En utilisant une technique standard de fabrication des semi-conducteurs, la lithographie, deux électrodes métalliques en forme de spirales ((voir page de discussion)) ont été déposées sur un substrat piézoélectrique dans les salles blanches de l'IEMN du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) RENATECH. Envoyer un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) électrique sinusoïdal sur ces électrodes permet alors de synthétiser le vortex acoustique. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) tient sur une puce de 3 mm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). Intégré dans un microscope standard, le dispositif a effectivement permis de déplacer avec précision des cellules, une par une, et sans les détériorer.

Les scientifiques ont montré que leur pince acoustique produisait une force dix fois plus élevée qu'une pince optique, en utilisant une puissance dix fois moindre. L'équipe travaille à accroître encore ces performances, ce qui ouvrirait la voie à de nouvelles recherches de pointe en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....), par exemple sur l'adhérence cellulaire. Par ailleurs, ils projettent de mettre au point, sur le même principe, une pince acoustique pour des manipulations en 3D. À plus long terme, un "modulateur spatial à ultrasons" (sur le modèle du modulateur spatial de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...), en optique) serait même capable de déplacer en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), et toujours de manière individuelle, des dizaines de cellules. Un ensemble de techniques innovantes qui pourraient faciliter le développement de l'impression 3D de tissus biologiques.

Références

Spatially selective manipulation of cells with single-beam acoustical tweezers
M. Baudoin, J.-L. Thomas, R.A. Sahely, J.-C. Gerbedoen, Z.Gong, A. Sivery, O. Bou Matar, N. Smagin, P. Favreau & A. Vlandas,
Nature Communications, 11, 4244 (2020)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-18000-y

Acoustic Tweezers for particles and fluid micromanipulation
M. Baudoin, J.-L. Thomas,
Annual Review of Fluid Mechanics, 52: 205-234 (2020)
DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010719-060154
Consulter l'article sur la base d'archives ouvertes HAL.

Folding a focalized acoustical vortex on a flat holographic transducer: miniaturized selective acoustical tweezer
M. Baudoin, J.-C. Gerbedoen, A. Riaud, O. Bou Matar, N. Smagin, J.-L. Thomas.
Science Advances 5: eaav1967 (2019)
DOI: 10.1126/sciadv.aav1967
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