Лекари използват акустични пинсети, за да манипулират човешки тъкани със звукови вълни

В може би не толкова далечно бъдеще, хирурзите ще могат да изпълнят редица медицински процедури, без да докосват пациента, благодарение на напредъка в технологията наречена акустични пинсети. С новата разработка те ще могат да програмират специализиран набор от мини-високоговорители, за да създадат сложно звуково поле, което ще „улавя“ и манипулира избрани обекти чрез акустични пинсети, като така ще постига желаната промяна в тъканите.

Постигнатият напредък в създаването на акустични пинсети от професор Брус Дринкуотър от катедрата по машинно инженерство в Университета в Бристол и неговият колега д-р Асиер Марзо, от Универсидад Публиа Де Навара в Испания, движат технологията към тази футуристична реалност. Последните разработки на екипа, публикувани на 17 декември в сборника с доклади от Испанската Национална академия на науките (PNAS), показват за първи път акустична левитация и манипулиране на множество обекти едновременно.

Професор Дринкуотър предвижда итерация на тази система, която в крайна сметка да се използва за акустично зашиване на вътрешни наранявания или за изпращане на лекарства конкретно към целевите органи.

„Сега имаме повече гъвкавост – няколко чифта ръце, за да се движат нещата и да се извършват сложни процедури, това отваря възможности, които просто не са съществували преди“, обяснява Дринкуотър.

Звукът упражнява малка акустична сила и чрез увеличаване на обема на ултразвуковите вълни, твърде високи, за да бъдат чути от хората, учените създават достатъчно силно звуково поле, което да движи малките обекти. Сега професор Дринкуотър и д-р Марзо са способнии ефективно да генерират звукови полета, които са достатъчно сложни, за да улавят множество обекти в целевите места.

Д-р Марзо обяснява: „Ние приложихме нов алгоритъм, който контролира 256 малки високоговорители. Това ни позволява да създадем сложни акустични полета, подобни на пинсети.“

Т.нар. акустични пинсети имат сходни възможности с оптичните пинсети, създадени от лауреатите на Нобелова награда през 2018, които използват лазери за улавяне и транспортиране на микрочастици. Въпреки това, акустичните пинсети имат предимство пред оптичните системи, когато става въпрос за работа в човешка тъкан.

Това е така, защото лазерите пътуват само през прозрачни среди, което ги прави трудни за използване и прилагане в биологична тъкан. От друга страна, ултразвукът се използва рутинно при сканиране на бременност и лечение на камъни в бъбреците, тъй като може безопасно и неинвазивно да проникне в биологичната тъкан.

Друго предимство е, че акустичните устройства са 100 000 пъти по-енергийно ефективни от оптичните системи.

Според професор Дринкуотър: „Оптичните пинсети са фантастична технология, но с тях винаги сме опасно близо до убиването на преместваните клетки, докато с акустичните пинсети ние прилагаме същите сили, но с по-малко енергия. Има много приложения, които изискват клетъчна манипулация и акустичните системи са идеални за тях“.

За да покажат точността на своята система, учените са прикрепили дву-милиметрови полистиренови сфери към парче нишка и като са използвали акустични пинсети, са „зашили” нишката в парче плат. Системата може също така едновременно да контролира 3D движението на до 25 от тези сфери във въздуха.

Екипът е убеден, че същата методология може да бъде адаптирана за манипулиране на частици във водна среда след приблизително една година. Учените се надяват, че скоро след това тя може да бъде адаптирана за използване и в биологични тъкани.

Д-р Марзо обяснява: „Гъвкавостта на ултразвуковите вълни ще ни позволи да работим на микрометрични скали, за да позиционираме клетките в 3D отпечатани сглобки или жива тъкан. Или в по-голям мащаб, за да левитираме реални пиксели, които да образуват физическа холограма в пространството.“

Този проект е финансиран от Британския съвет за изследвания в инженерните и физическите науки.