北航馮(feng)林(lin)課(ke)題(ti)組：基(ji)於(yu)多模態(tai)聲(sheng)驅微(wei)氣泡的(de)多功(gong)能微(wei)對(dui)象操(cao)控(kong)研究(jiu)

現代(dai)生物技術常常利用(yong)可(ke)調節(jie)的(de)三(san)維操控(kong)手段來(lai)實(shi)現在生物學領域(yu)和醫學領域(yu)中對微納(na)米(mi)尺(chi)度的(de)生物樣(yang)品的(de)控(kong)制與應(ying)用(yong)，例如(ru)細(xi)胞(bao)分析(xi)、細(xi)胞(bao)微手(shou)術和藥(yao)物遞送等。其(qi)中(zhong)，為了提(ti)高(gao)潛在生物醫學應(ying)用(yong)效(xiao)率或(huo)滿(man)足(zu)壹(yi)些涉及(ji)到(dao)復雜(za)技術的(de)應(ying)用(yong)需(xu)求(qiu)，迫(po)切需(xu)要(yao)在微(wei)流(liu)控(kong)裝置中(zhong)對(dui)微(wei)對(dui)象實(shi)現可(ke)控(kong)的(de)多功(gong)能操(cao)控(kong)，如運(yun)輸、捕(bu)獲(huo)、旋轉等模式。然(ran)而(er)，固(gu)定的(de)設(she)計和驅(qu)動模式使其(qi)難以在壹(yi)個單(dan)壹的(de)設(she)備有效(xiao)地實現多功(gong)能切(qie)換(huan)。

近日(ri)，北京航空(kong)航天(tian)大學(xue)機(ji)械工(gong)程學(xue)院仿生與(yu)微(wei)納(na)研究(jiu)所(suo)馮(feng)林(lin)副(fu)教授等研發了(le)壹種(zhong)基(ji)於(yu)聲驅微氣(qi)泡的(de)模態(tai)可(ke)切換(huan)的(de)多功(gong)能微(wei)操(cao)控(kong)系統(tong)，該系統(tong)能(neng)夠(gou)在微(wei)流(liu)控(kong)芯片內(nei)實現可(ke)控(kong)且(qie)高效(xiao)的(de)微(wei)對象運(yun)輸、三(san)維旋轉和公(gong)轉等操控(kong)模式（圖(tu)壹(yi)）。

圖(tu)壹(yi)基(ji)於(yu)聲驅振(zhen)蕩微(wei)氣泡陣(zhen)列(lie)的(de)多模態(tai)操(cao)控(kong)系統(tong)示意(yi)圖(tu)

通(tong)過(guo)采用(yong)面(mian)投(tou)影(ying)微立(li)體光刻3D打印技術（nanoArch S140，摩方精密），研究(jiu)團(tuan)隊設(she)計制造(zao)了壹(yi)種帶(dai)有底(di)面(mian)微孔陣(zhen)列(lie)（直徑100μm、深度100μm）的(de)微(wei)流(liu)控(kong)芯片。由於(yu)液(ye)體存在表面(mian)張力(li)，當(dang)液(ye)體通(tong)入(ru)微流(liu)道並流(liu)過(guo)底(di)面(mian)微孔時，可(ke)以形(xing)成具有近似尺寸(cun)的(de)微(wei)型氣(qi)泡。當(dang)超聲(sheng)發生裝(zhuang)置(zhi)所(suo)形(xing)成的(de)超(chao)聲信號傳遞(di)到(dao)微(wei)流(liu)道中，可(ke)以激(ji)勵微型氣(qi)泡膜(mo)振(zhen)蕩形(xing)成聲微流(liu)。

圖(tu)二(er)聲驅微氣(qi)泡的(de)理(li)論模態(tai)與(yu)有限元(yuan)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)

基(ji)於(yu)所設計結構(gou)內(nei)氣泡界(jie)面(mian)的(de)相(xiang)對靈(ling)活性(xing)，該裝置可以在僅(jin)調節(jie)驅(qu)動頻率而(er)不(bu)改變(bian)壓(ya)電(dian)換能器數量(liang)與(yu)氣泡陣(zhen)列(lie)設計的(de)情(qing)況下(xia)切換(huan)微型氣(qi)泡的(de)振(zhen)蕩模式，進而(er)實(shi)現對(dui)單(dan)獨(du)或(huo)群(qun)體生物樣(yang)本的(de)多功(gong)能操(cao)控(kong)（圖(tu)三(san)）。由於(yu)聲場(chang)的(de)驅(qu)動特性(xing)，該裝置可以有效(xiao)操(cao)控(kong)幾微米(mi)到(dao)幾百(bai)微米(mi)的(de)不(bu)同生物樣(yang)本，包(bao)括微(wei)顆粒(li)、細(xi)胞(bao)、綠(lv)眼(yan)蟲、螺(luo)旋藻等。此外(wai)，利用(yong)平(ping)面(mian)外(wai)旋轉模式的(de)運(yun)動特點(dian)，研究(jiu)團(tuan)隊實(shi)現了(le)對(dui)細(xi)胞(bao)樣(yang)本的(de)三(san)維重建，從而(er)實(shi)現多視(shi)角的(de)形(xing)態(tai)學(xue)復現與(yu)基(ji)本(ben)參(can)數的(de)測(ce)量(liang)估(gu)計。該系統(tong)所(suo)提(ti)出(chu)的(de)聲(sheng)學操控(kong)方式具有多功(gong)能性(xing)、可(ke)控(kong)性、高效(xiao)性(xing)以及(ji)良好的(de)生物兼容(rong)性(xing)，在進壹(yi)步(bu)促(cu)進細(xi)胞(bao)研究(jiu)和(he)治(zhi)療(liao)等應(ying)用(yong)層面(mian)具有很(hen)大潛(qian)力(li)。

圖(tu)三(san)不同控(kong)制模態(tai)下(xia)微對(dui)象的(de)運(yun)動及定(ding)量(liang)分(fen)析

該項(xiang)研究(jiu)成果獲(huo)得(de)國(guo)家重點(dian)研發計劃(No. 2019YFB1309700)及(ji)北京新(xin)星科技計劃項(xiang)目(mu)(No. Z191100001119003)支(zhi)持，以“Versatile acoustic manipulation of micro-objects using mode-switchable oscillating bubbles: transportation, trapping, rotation, and revolution"為(wei)題(ti)發表於(yu)國(guo)際期刊(kan)《Lab on a chip》。

原(yuan)文鏈接(jie)：
https://doi.org/10.1039/D1LC00628B