Roma – Sviluppato un “raggio traente” in miniatura, basato su un chip, come quello che cattura il Millennium Falcon nel film “Guerre Stellari”, che un giorno potrebbe aiutare biologi e medici a studiare il DNA, classificare le cellule e indagare sui meccanismi delle malattie. A farlo i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology, MIT. Descritto su Nature Communications, il dispositivo, abbastanza piccolo da stare nel palmo di una mano, utilizza un fascio di luce emesso da un chip di silicio-fotonica per manipolare particelle a millimetri di distanza dalla superficie del chip. La luce può penetrare i vetrini che proteggono i campioni utilizzati negli esperimenti biologici, consentendo alle cellule di rimanere in un ambiente sterile. Le pinzette ottiche tradizionali, che intrappolano e manipolano le particelle usando la luce, richiedono di solito ingombranti configurazioni per microscopi, ma le pinzette ottiche basate su chip potrebbero offrire una soluzione più compatta, producibile in serie, ampiamente accessibile e ad alto rendimento per la manipolazione ottica negli esperimenti biologici. Tuttavia, altre pinzette ottiche integrate simili possono catturare e manipolare solo cellule molto vicine o direttamente sulla superficie del chip. Questo contamina il chip e può stressare le cellule, limitando la compatibilità con gli esperimenti biologici standard. Utilizzando un sistema, chiamato phased array ottico integrato, i ricercatori del MIT hanno sviluppato una nuova modalità per le pinzette ottiche integrate che consente di catturare e pinzare le cellule a una distanza più che centuplicata dalla superficie del chip. “Questo lavoro apre nuove possibilità per le pinzette ottiche basate su chip, consentendo di intrappolare e pinzare le cellule a distanze molto maggiori rispetto a quanto dimostrato in precedenza”, ha detto Jelena Notaros, Robert J. Shillman Career Development Professor in Electrical Engineering and Computer Science, EECS, e membro del Research Laboratory of Electronics. “È emozionante pensare alle diverse applicazioni che potrebbero essere rese possibili da questa tecnologia”, ha continuato Notaros. Le trappole e le pinzette ottiche utilizzano un fascio di luce focalizzato per catturare e manipolare piccole particelle. Le forze esercitate dal fascio tirano le microparticelle verso la luce intensamente focalizzata al centro, catturandole. Orientando il fascio di luce, i ricercatori possono trascinare le microparticelle con sé, consentendo loro di manipolare oggetti minuscoli utilizzando forze senza contatto. Tuttavia, le pinzette ottiche richiedono tradizionalmente un grande microscopio in laboratorio, oltre a molteplici dispositivi per formare e controllare la luce, il che limita dove e come possono essere utilizzate. “Con la fotonica del silicio, possiamo prendere questo grande sistema, tipicamente da laboratorio, e integrarlo in un chip: ciò rappresenta un’ottima soluzione per i biologi, in quanto fornisce loro funzionalità di cattura e pinzatura ottica senza l’onere di una complicata configurazione ottica di massa”, ha affermato Notaros. Finora, però, le pinzette ottiche basate su chip erano in grado di emettere luce solo molto vicino alla superficie del chip; quindi, questi dispositivi precedenti potevano catturare particelle solo a pochi micron dalla superficie del chip. I campioni biologici sono tipicamente conservati in ambienti sterili utilizzando vetrini di circa 150 micron di spessore; quindi, l’unico modo per manipolarli con un chip di questo tipo è estrarre le cellule e posizionarle sulla sua superficie. Tuttavia, questo porta alla contaminazione del chip. Ogni volta che si fa un nuovo esperimento, il chip deve essere buttato via e le cellule devono essere messe su un nuovo chip. Per superare queste sfide, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un chip fotonico in silicio che emette un fascio di luce che si concentra a circa 5 millimetri dalla sua superficie. In questo modo, possono catturare e manipolare le particelle biologiche che rimangono all’interno di un vetrino di copertura sterile, proteggendo sia il chip che le particelle dalla contaminazione. I ricercatori hanno ottenuto questo risultato utilizzando un sistema chiamato “phased array ottico integrato”. Questa tecnologia prevede una serie di antenne in microscala fabbricate su un chip con processi di produzione di semiconduttori. Controllando elettronicamente il segnale ottico emesso da ciascuna antenna, gli scienziati possono modellare e orientare il fascio di luce emesso dal chip. Motivati da applicazioni a lungo raggio come il lidar, la maggior parte dei precedenti phased array ottici integrati non erano progettati per generare i fasci strettamente focalizzati necessari per il tweezing ottico. La squadra di ricerca del MIT ha scoperto che, creando schemi di fase specifici per ciascuna antenna, è possibile formare un fascio di luce intensamente focalizzato, che può essere utilizzato per la cattura e la pinzatura ottica a millimetri dalla superficie del chip. “Nessuno prima d’ora aveva creato pinzette ottiche basate sulla fotonica del silicio in grado di intrappolare microparticelle a una distanza millimetrica”, ha dichiarato Notaros. “Si tratta di un miglioramento di diversi ordini di grandezza rispetto alle dimostrazioni precedenti”, ha spiegato Notaros. Variando la lunghezza d’onda del segnale ottico che alimenta il chip, i ricercatori hanno potuto orientare il fascio focalizzato su una distanza superiore al millimetro e con una precisione da microscala. Per testare il loro dispositivo, i ricercatori hanno iniziato cercando di catturare e manipolare minuscole sfere di polistirene. Una volta riusciti nell’intento, sono passati a intrappolare e pinzare le cellule tumorali fornite dal gruppo di Joel Voldman, professore di EECS William R. Brody, che ha preso parte allo studio. “Nel processo di applicazione della fotonica del silicio alla biofisica sono emerse molte sfide uniche”, ha aggiunto Tal Sneh, studente laureato in EECS. I ricercatori hanno dovuto determinare come tracciare il movimento delle particelle del campione in modo semiautomatico, accertare la forza della trappola appropriata per mantenere le particelle in posizione e, ad esempio, elaborare efficacemente i dati. Alla fine, sono stati in grado di mostrare i primi esperimenti cellulari con le pinzette ottiche a raggio singolo. Sulla base di questi risultati, il gruppo di ricerca spera di perfezionare il sistema per consentire la regolazione dell’altezza focale del fascio di luce. Inoltre, è volontà degli scienziati applicare il dispositivo a diversi sistemi biologici e utilizzare più siti di trappola allo stesso tempo per manipolare le particelle biologiche in modi più complessi.(30Science.com)
