Acoustical tweezers based on acoustical vortices, for selective, 3D and contactless manipulation of micrometric particles and cells
Pinces acoustiques basées sur les vortex acoustiques pour la manipulation sélective, 3D et sans contact de particules micrométriques et de cellules
Résumé
Acoustical tweezers based on focused acoustical vortices open some tremendous perspectives for the in vitro and in vivo remote and selective manipulation of millimetric down to micrometric objects, with combined selectivity and applied forces out of reach with any other contactless manipulation technique. The first demonstration of 3D particle trapping and manipulation with acoustical vortices was achieved in 2016 with an array of transducers driven by programmable electronics. More recently it has been proposed to use holographic acoustical tweezers based on Archimedes-Fermat spiraling interdigitated transducers (S-IDTs) to design miniaturized acoustical tweezers compatible with a standard microscopy environment. In this PhD, we have explored the possibilities offered by these kinds of acoustical tweezers to address the following unsolved issues: 1) Manipulate selectively and organize human cells with large forces (200pN) without pre-tagging and without affecting the cells viability. 2) Create ultra-high frequency tweezers (250 MHz) with high spatial selectivity able to trap and position 4 microns individual microparticles with NanoNewton forces. 3) Manipulate microparticles in 3D in a free environment and translate them axially without motion of the transducer. These goals have been achieved by developing (i) a new numerical code based the combination of Finite Element simulation of the source and Angular Spectrum propagation of the wave and (ii) appropriate microfabrication procedures, which helped us design and fabricate tweezers with the good capabilities. This work open perspectives in microbiology to study cells interaction and their response to mechanical solicitation but also for acoustic forces spectroscopy.
Les pinces acoustiques basées sur les vortex acoustiques focalisées ouvrent de nouvelles perspectives pour la manipulation sans contact et sélective d’objets millimétriques à micrométriques, avec une sélectivité et des forces appliquées difficilement atteignables avec les autres méthodes. La première démonstration du piégeage et de la manipulation 3D d’une particule avec des vortex acoustiques a été effectuée en 2016 avec une matrice de transducteur ultrasonores pilotés par une électronique programmable. Récemment, il a été proposé d’utiliser des pinces acoustiques holographiques basées sur des transducteurs interdigités en spirales pour développer des pinces acoustiques miniaturisées compatibles avec un environnement de microscopie standard. Dans cette thèse, nous avons exploré les possibilités offertes par ce type de pince acoustiques pour adresser les problèmes suivants. 1) Manipuler sélectivement et organiser des cellules humaines avec des forces importantes (200 pN) sans pré-marquage et sans affecter la viabilité des cellules. 2) Créer des pinces acoustiques très haute fréquence (250 MHz) avec une forte sélectivité et capables de manipuler des microparticules de 4 microns avec des forces de l’ordre du NanoNewton. 4) Déplacer des microparticules en 3D dans un environnement libre et les translater axialement sans déplacement du transducteur. Ces objectifs ont été atteints en développant de nouvelles méthodes numériques et des procédure expérimentales adaptées, qui nous ont permis de concevoir des pinces acoustiques avec les capacités recherchées. Ce travail ouvre des perspectives dans le domaine de la microbiologie pour étudier les interactions cellulaires et leur réponse à des sollicitations mécanique, mais aussi pour la spectroscopie de force acoustique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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