Teknologi Star Wars di Kehidupan Nyata: Peneliti MIT Telah Menciptakan Miniatur “Tractor Beam” Untuk Menangkap Sel

Perangkat kecil ini menggunakan sinar cahaya yang sangat terfokus untuk menangkap dan memanipulasi sel.

MIT Para peneliti telah mengembangkan miniatur “tractor beam” berbasis chip, seperti yang diambil dari Millennium Falcon dalam film “Star Wars”, yang suatu hari nanti dapat membantu para ahli biologi dan dokter mempelajari DNAmengklasifikasikan sel, dan menyelidiki mekanisme penyakit.

Cukup kecil untuk ditampung di telapak tangan Anda, perangkat ini menggunakan berkas cahaya yang dipancarkan oleh chip silikon-fotonik untuk memanipulasi partikel yang berjarak beberapa milimeter dari permukaan chip. Cahaya dapat menembus kaca penutup yang melindungi sampel yang digunakan dalam eksperimen biologis, memungkinkan sel tetap berada dalam lingkungan steril.

Pinset optik tradisional, yang menjebak dan memanipulasi partikel menggunakan cahaya, biasanya memerlukan pengaturan mikroskop yang besar, namun pinset optik berbasis chip dapat menawarkan solusi yang lebih ringkas, dapat diproduksi secara massal, dapat diakses secara luas, dan throughput tinggi untuk manipulasi optik dalam eksperimen biologis.

Namun, pinset optik terintegrasi serupa lainnya hanya dapat menangkap dan memanipulasi sel yang sangat dekat atau langsung pada permukaan chip. Hal ini mencemari chip dan dapat memberikan tekanan pada sel, sehingga membatasi kompatibilitas dengan eksperimen biologis standar.

Dengan menggunakan sistem yang disebut array bertahap optik terintegrasi, para peneliti MIT telah mengembangkan modalitas baru untuk pinset optik terintegrasi yang memungkinkan menjebak dan mencabut sel lebih dari seratus kali lebih jauh dari permukaan chip.

“Pekerjaan ini membuka kemungkinan baru untuk penjepit optik berbasis chip dengan memungkinkan penjebakan dan penjepitan sel pada jarak yang jauh lebih jauh daripada yang ditunjukkan sebelumnya. Sangat menarik untuk memikirkan berbagai penerapan yang dapat dimungkinkan oleh teknologi ini,” kata Jelena Notaros, Profesor Pengembangan Karir Robert J. Shillman di bidang Teknik Elektro dan Ilmu Komputer (EECS), dan anggota Laboratorium Penelitian Elektronika.

Yang bergabung dengan Notaros dalam makalah ini adalah penulis utama dan mahasiswa pascasarjana EECS Tal Sneh; Sabrina Corsetti, seorang mahasiswa pascasarjana EECS; Milica Notaros PhD '23; Kruthika Kikkeri PhD '24; dan Joel Voldman, Profesor EECS William R. Brody. Penelitian ini baru-baru ini dipublikasikan di Komunikasi Alam.

Modalitas perangkap baru

Perangkap optik dan penjepit menggunakan sinar cahaya terfokus untuk menangkap dan memanipulasi partikel kecil. Gaya yang diberikan oleh pancaran sinar akan menarik mikropartikel menuju cahaya yang sangat terfokus di tengahnya, dan menangkapnya. Dengan mengarahkan pancaran cahaya, peneliti dapat menarik mikropartikel bersamanya, memungkinkan mereka memanipulasi objek kecil menggunakan gaya nonkontak.

Namun, pinset optik biasanya memerlukan pengaturan mikroskop besar di laboratorium, serta beberapa perangkat untuk membentuk dan mengontrol cahaya, sehingga membatasi di mana dan bagaimana penggunaannya.

“Dengan fotonik silikon, kita dapat menggunakan sistem berskala laboratorium yang besar ini dan mengintegrasikannya ke dalam sebuah chip. Hal ini menghadirkan solusi hebat bagi para ahli biologi, karena memberikan mereka fungsi perangkap optik dan penjepitan tanpa memerlukan pengaturan optik massal yang rumit,” kata Notaros.

Namun sejauh ini, pinset optik berbasis chip hanya mampu memancarkan cahaya sangat dekat dengan permukaan chip, sehingga perangkat sebelumnya hanya dapat menangkap partikel beberapa mikron dari permukaan chip. Spesimen biologi biasanya disimpan di lingkungan steril menggunakan kaca penutup yang tebalnya sekitar 150 mikron, jadi satu-satunya cara untuk memanipulasinya dengan chip tersebut adalah dengan mengeluarkan sel dan menempatkannya di permukaannya.

Namun, hal itu menyebabkan kontaminasi chip. Setiap kali percobaan baru dilakukan, chip tersebut harus dibuang dan sel-selnya harus dimasukkan ke dalam chip baru.

Untuk mengatasi tantangan tersebut, para peneliti MIT mengembangkan chip fotonik silikon yang memancarkan berkas cahaya yang terfokus sekitar 5 milimeter di atas permukaannya. Dengan cara ini, mereka dapat menangkap dan memanipulasi partikel biologis yang tertinggal di dalam kaca penutup steril, sehingga melindungi chip dan partikel dari kontaminasi.

Memanipulasi cahaya

Para peneliti mencapai hal ini dengan menggunakan sistem yang disebut array bertahap optik terintegrasi. Teknologi ini melibatkan serangkaian antena skala mikro yang dibuat pada sebuah chip menggunakan proses manufaktur semikonduktor. Dengan mengontrol sinyal optik yang dipancarkan oleh masing-masing antena secara elektronik, peneliti dapat membentuk dan mengarahkan pancaran cahaya yang dipancarkan oleh chip.

Termotivasi oleh aplikasi jangka panjang seperti lidarsebagian besar array bertahap optik terintegrasi sebelumnya tidak dirancang untuk menghasilkan sinar terfokus yang diperlukan untuk penjepitan optik. Tim MIT menemukan bahwa, dengan menciptakan pola fase spesifik untuk setiap antena, mereka dapat membentuk berkas cahaya yang sangat terfokus, yang dapat digunakan untuk menjebak optik dan mencabut beberapa milimeter dari permukaan chip.

“Belum ada yang pernah menciptakan pinset optik berbasis silikon-fotonik yang mampu menjebak mikropartikel pada jarak skala milimeter sebelumnya. Ini merupakan peningkatan yang beberapa kali lipat lebih tinggi dibandingkan demonstrasi sebelumnya,” kata Notaros.

Dengan memvariasikan panjang gelombang sinyal optik yang menggerakkan chip, para peneliti dapat mengarahkan sinar terfokus pada rentang yang lebih besar dari satu milimeter dan dengan skala mikro. ketepatan.

Untuk menguji perangkat mereka, para peneliti memulai dengan mencoba menangkap dan memanipulasi ukuran kecil polistiren bola. Begitu berhasil, mereka melanjutkan dengan menjebak dan mencabut sel kanker yang disediakan oleh kelompok Voldman.

“Ada banyak tantangan unik yang muncul dalam proses penerapan fotonik silikon pada biofisika,” tambah Sneh.

Para peneliti harus menentukan cara melacak pergerakan partikel sampel secara semi-otomatis, memastikan kekuatan perangkap yang tepat untuk menahan partikel di tempatnya, dan memproses data pascaproses secara efektif, misalnya.

Pada akhirnya, mereka mampu menunjukkan eksperimen sel pertama dengan pinset optik berkas tunggal.

Berdasarkan hasil ini, tim berharap dapat menyempurnakan sistem agar memungkinkan ketinggian fokus yang dapat disesuaikan untuk berkas cahaya. Mereka juga ingin menerapkan perangkat tersebut ke sistem biologis yang berbeda dan menggunakan beberapa lokasi perangkap secara bersamaan untuk memanipulasi partikel biologis dengan cara yang lebih kompleks.

Referensi: “Pencabutan optik mikropartikel dan sel menggunakan susunan bertahap optik berbasis silikon-fotonik” oleh Tal Sneh, Sabrina Corsetti, Milica Notaros, Kruthika Kikkeri, Joel Voldman dan Jelena Notaros, 3 Oktober 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-52273-x

Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation (NSF), MIT Frederick dan Barbara Cronin Fellowship, dan MIT Rolf G. Locher Endowed Fellowship.