세 가지를 위한 위상 홀로그램

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9160(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

음향 방사력은 입자를 원격으로 조작할 수 있습니다. 정재파 장의 힘은 장의 노드 또는 반대 노드 위치를 따라 미세 입자를 정렬하여 3차원(3D) 패턴을 형성합니다. 이러한 패턴은 조직 공학 응용 분야를 위한 3D 미세 구조를 형성하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 정재파 생성에는 하나 이상의 변환기 또는 반사기가 필요하므로 생체 내에서 구현하기가 어렵습니다. 여기에서는 단일 변환기의 진행파를 사용하여 미세구를 조작하는 방법이 개발되고 검증되었습니다. 회절 이론과 반복적인 각 스펙트럼 접근 방식을 사용하여 음장을 형성하는 위상 홀로그램을 설계합니다. 이 필드는 정재파를 복제하고 압력 노드에서 생체 내 세포와 유사한 물 속의 폴리에틸렌 미세구를 정렬합니다. Gor'kov 전위를 사용하여 미소구체에 대한 복사력을 계산하면 축방향 힘이 최소화되고 횡방향 힘이 최대화되어 안정적인 입자 패턴이 생성됩니다. 위상 홀로그램의 압력 필드와 결과 입자 집합 패턴은 기능 유사성 지수 > 0.92로 예측과 일치합니다. 여기서 1은 완벽한 일치입니다. 결과적인 방사선 힘은 정재파에서 생성된 힘과 유사하며, 이는 조직 공학 응용 분야에 대한 세포 패터닝의 생체 내 구현 기회를 제안합니다.

미세 입자의 원격 조작은 마이크로 및 나노 제조, 랩온칩 기술 및 조직 공학을 포함한 비접촉 응용 분야에 중요합니다. 조직 공학은 손상되거나 질병이 있는 기관이나 조직을 대체하는 대체 접근법을 제공합니다1,2. 2차원 및 3차원(2/3D) 어셈블리를 형성하기 위해 세포를 미세 구조로 공간적으로 패터닝하는 것은 복잡한 조직 재생을 위한 모양이나 구조를 제공하는 데 필수적입니다. 3D 구조적 세포 배열은 공학적 조직 응용 분야에서 더 높은 성공률을 보입니다6,7,8. 고분자 매트릭스 템플릿9 및 바이오프린팅10을 사용하여 시험관 내에서 세포를 패턴화하는 데 여러 가지 방법이 사용되었습니다. 이러한 방법에는 장점과 단점이 있습니다. 바이오프린팅은 원하는 복잡한 모양을 얻을 수 있지만 세포 구조는 복잡한 설정이 필요한 시간 소모적인 접근 방식인 단계별 방식으로 구성됩니다. 한편, 매트릭스 기반 방법은 매트릭스 특성을 변경하여 패턴을 형성하는데, 이는 더 빠른 방법이지만 복잡한 모양에는 적합하지 않습니다. 대체 방법은 세포와 직접적인 물리적 접촉 없이 동시에 많은 수의 세포를 원격으로 배열할 수 있는 음향 조작입니다. 음향 장에 노출된 세포는 필드를 산란시켜 세포를 공간적으로 재배치할 수 있는 음향 방사력으로 이어집니다.

음향 방사력은 미세 기포16 또는 생체 내 고체 물체17 또는 선택적 단일 세포18 또는 체외 연구19를 위한 작은 입자 조작과 같은 다양한 원격 조작 응용 분야에 적용되었습니다. 입자 덩어리를 3D 구조로 이동시키기 위해 복사력을 사용하는 것이 특히 중요합니다. 미세 구조의 가장 빠르고 비침습적인 3D 정렬은 변환기와 반사기 또는 서로 마주하는 여러 변환기에 의해 생성된 정재파8,20,21,22를 활용했습니다. 이 설정은 전파 방향에 수직이고 반파장 간격으로 이격되어 있는 노드 및 안티노드라고 알려진 0 및 높은 압력 진폭의 교번 평면을 형성합니다. 정재파에 의해 전달된 음향 방사력은 주변 매질의 음향 특성에 상대적인 음향 특성에 따라 필드의 노드 또는 반대 노드를 향해 미세 입자 또는 세포를 유도합니다. 조직 공학 응용 분야의 경우 3D 미세 구조는 포토폴리머24,25 또는 하이드로겔 매체26,27,28,29,30를 사용하여 제자리에 고정될 수 있습니다. 이 음향 패터닝 기술은 조직 공학을 위한 도구로서 유망합니다.