【字体: 时间:2022年12月05日 来源:Science Advances

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  杜克大学的工程师开发了一种设备,可以利用声波在几分钟内分离和分类血液中最微小的颗粒。这项技术基于一种叫做“虚拟柱子”的概念,可能对科学研究和医疗应用都有好处。

   

Particle Separation    

一个声波在充满液体的通道中间形成一系列“虚拟柱子”,轻轻地将其中的纳米颗粒移动到一边。这项技术可以从生物液体中分离和分类具有重要医学意义的纳米颗粒,这些纳米颗粒可用于检测癌症或阿尔茨海默病等疾病。    

杜克大学的工程师们开发了一种设备,可以利用声波在几分钟内分离和分类血液中发现的最微小的颗粒。这项技术基于一种叫做“虚拟柱子”的概念,可能对科学研究和医疗应用都有好处。

被称为“细胞外小泡”(sEVs)的微小生物纳米颗粒从体内的每种细胞中释放出来,被认为在细胞间通讯和疾病传播中发挥着重要作用。这项新技术被称为“波柱激发共振声学纳米级分离”(简称ANSWER),它不仅能在10分钟内从生物液体中提取这些纳米颗粒,还能将它们按据信具有不同生物作用的大小分类。该研究结果于11月23日发表在《Science Advances》。

杜克大学William Bevan机械工程和材料科学特级教授Tony Jun Huang说:“这些纳米颗粒在医学诊断和治疗方面具有巨大潜力,但目前分离和分类它们的技术需要几个小时或几天,不一致,产量或纯度低,容易受到污染,有时还会损坏纳米颗粒。”

Huang说:“我们想让提取和分类高质量的sEVs像按一个按钮一样简单,得到所需的样本比洗个澡还要快。”

最近的研究表明,sEVs由几个大小不同的亚群组成(例如,小于50纳米、60 - 80纳米和90 - 150纳米)。人们认为,每种大小的鱼都有不同的生物学特性。

最近sEV亚群的发现让研究人员兴奋不已,因为它们有可能彻底改变非侵入性诊断领域,如癌症和阿尔茨海默病的早期检测。但这些颗粒还没有进入临床应用。

Huang说,这主要是由于分离和分离这些纳米级sEV亚群的困难。为了应对这一挑战,Huang和他的博士生Jinxin Zhang,以及加州大学洛杉矶分校、哈佛大学和马吉妇女研究所的合作者,开发了ANSWER平台。

该装置使用一对换能器来产生一种固定声波,这种声波会包围一个狭窄的、封闭的、充满液体的通道。声波通过通道壁“泄漏”到液体中心,并与原始的驻声波相互作用。通过对壁厚、通道大小和声音频率的精心设计,这种相互作用创造了一种共振,沿着通道的中心形成了“虚拟支子”。

每一个虚拟柱子本质上都是一个半鸡蛋形状的高压区域。当粒子试图越过柱子时,它们会被推到通道的边缘。粒子越大,推力越大。通过调整一系列虚拟柱子,在移动的纳米颗粒上产生细微的力,研究人员可以根据实验需要,根据大小将它们精确地分成不同的组。

加州大学洛杉矶分校口腔/头颈肿瘤研究中心主任David Wong表示:“ANSWER电动汽车分离技术是最先进的电动汽车精确分离技术,它将显著影响电动汽车诊断、预后和液体活检的水平。”

在这篇新论文中,研究人员演示了他们的ANSWER平台可以成功地将sEVs分为三个亚组,对光谱较大端纳米颗粒的准确率为96%,对最小端纳米颗粒的准确率为80%。他们还展示了系统的灵活性,通过对声波参数的简单更新来调整分组的数量和大小范围。每个实验只需要10分钟就能完成,而其他方法如超离心则需要数小时或数天。

“由于其无接触的特性,ANSWER为分离生物纳米颗粒提供了一种生物兼容的方法。”Zhang说。与具有固定分离截止直径的机械过滤方法不同,ANSWER提供了一种可调谐的纳米级分离方法,截止直径可以通过改变输入声功率来精确修改。”

未来,研究人员将继续改进ANSWER技术,使其能够有效地纯化其他生物相关纳米颗粒,如病毒、抗体和蛋白质。

A Solution to the Biophysical Fractionation of Extracellular Vesicles: Acoustic Nanoscale Separation via Wave-pillar Excitation Resonance (ANSWER)

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