北理(li)工(gong)“末(mo)端(duan)實驗室(shi)”登(deng)《PNAS》，實現(xian)聲(sheng)流(liu)驅動(dong)的多(duo)功(gong)能微操作

微(wei)流控(kong)技術的核心是(shi)在(zai)微(wei)米尺度下實現(xian)流(liu)體(ti)的(de)精(jing)準(zhun)操控(kong)。該(gai)技術為相(xiang)關(guan)研究提(ti)供了(le)高(gao)效、低耗(hao)的技術支撐，在(zai)化學合成(cheng)、生(sheng)物研究、疾病診斷等領域(yu)具(ju)有重要(yao)應用價(jia)值。從(cong)技術發(fa)展來看，微(wei)流控(kong)系(xi)統(tong)主(zhu)要(yao)分為兩類：壹類(lei)是(shi)“芯片實驗室(shi)（Lab on a Chip, LoC）"，通過(guo)在微(wei)小芯片上(shang)刻(ke)蝕微(wei)通道實現(xian)流(liu)體(ti)操控(kong)與(yu)多(duo)步(bu)驟(zhou)實驗集(ji)成(cheng)，但(dan)其封閉(bi)環境(jing)導致樣(yang)品(pin)可及性(xing)差(cha)，制造成(cheng)本(ben)較高，且(qie)樣(yang)品(pin)的(de)加載與(yu)卸載需(xu)專業(ye)操作技能；另壹類(lei)是(shi)開放式微(wei)流(liu)控(kong)裝(zhuang)置，雖(sui)解(jie)決了封(feng)閉(bi)系統(tong)的(de)可及性(xing)問(wen)題，卻難(nan)以(yi)實現(xian)穩(wen)定(ding)的(de)連(lian)續(xu)流泵送(song)，因(yin)此(ci)在完(wan)成(cheng)復雜、多(duo)步(bu)驟(zhou)的實驗流(liu)程(cheng)方(fang)面(mian)存(cun)在局(ju)限(xian)。

長(chang)期以來(lai)，科(ke)研領域(yu)面(mian)臨壹項(xiang)核(he)心挑戰：如(ru)何在(zai)保(bao)持(chi)開(kai)放易操作特性(xing)的(de)前提(ti)下(xia)，實現(xian)穩(wen)定(ding)可控(kong)的(de)連(lian)續(xu)流泵送(song)與(yu)多(duo)步(bu)驟(zhou)集成(cheng)操作。這壹問(wen)題成(cheng)為制約(yue)微(wei)流(liu)控(kong)技術在主(zhu)流(liu)科研場(chang)景(jing)中的普(pu)及應用，而壹項(xiang)基(ji)於生(sheng)物啟發(fa)的創(chuang)新設計(ji)，正為破(po)解(jie)這壹難(nan)題(ti)提(ti)供了(le)突(tu)破(po)性(xing)思(si)路。

近日，北京(jing)理(li)工(gong)大學劉曉(xiao)明教授(shou)團隊(dui)在(zai)《PNAS》期刊上(shang)在線發(fa)表了題為“Lab on an end: Micromanipulation using the acoustohydrodynamic pillar array as an end effector" 的論(lun)著。該(gai)研究受到纖毛結構協同運(yun)動(dong)特點(dian)的啟發(fa)，設計(ji)了壹種(zhong)名為“Lab on an End（LoE，末(mo)端(duan)實驗室(shi)）" 的(de)聲學流體(ti)微(wei)柱(zhu)陣列(lie)裝(zhuang)置，實現(xian)了(le)微(wei)流(liu)體(ti)開(kai)放環境(jing)與時(shi)空連(lian)續(xu)流體(ti)操控(kong)的(de)兼(jian)容，展(zhan)現(xian)出對(dui)微(wei)尺(chi)度顆粒、生(sheng)物目(mu)標(biao)及液(ye)體(ti)的(de)跨尺度、多(duo)功(gong)能、靈(ling)活操縱能力。

首(shou)先(xian)，團隊(dui)利用摩(mo)方(fang)精(jing)密面(mian)投(tou)影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光刻(ke)（PμSL）3D 打(da)印(yin)技術（nanoArch® P140，精度：10 μm）制造了(le)梳狀末(mo)端(duan)執行器(qi)。在(zai)超(chao)聲(sheng)換(huan)能器(qi)的(de)驅動(dong)下，末(mo)端(duan)執行器(qi)附(fu)近將產(chan)生(sheng)聲場(chang)和(he)局部聲(sheng)流體現(xian)象。通過(guo)調制輸入(ru)信號的頻率和(he)幅(fu)值(zhi)，可使聲(sheng)流體(ti)呈(cheng)現(xian)面(mian)內傳送(song)流(liu)、面(mian)外旋(xuan)轉(zhuan)流以及基(ji)於聲(sheng)輻(fu)射(she)力的捕(bu)獲(huo)三(san)種(zhong)效應，進而實現(xian)對(dui)微(wei)目(mu)標(biao)的(de)捕(bu)獲(huo)、平移(yi)、旋(xuan)轉(zhuan)和(he)雙(shuang)向(xiang)輸送(song)等功(gong)能，操作目(mu)標(biao)涵(han)蓋數微(wei)米的 HeLa 細(xi)胞至(zhi)毫(hao)米尺度的斑(ban)馬(ma)魚(yu)幼苗。此(ci)外，3D打(da)印(yin)梳狀末(mo)端(duan)的表面(mian)會(hui)產(chan)生(sheng)較大毛細(xi)力，因此(ci)還(hai)能牽(qian)引(yin)液(ye)滴(di)在(zai)疏水(shui)表面(mian)移(yi)動(dong)。

為驗證(zheng) LoE 操縱個體(ti)目(mu)標(biao)的(de)能力，研究人員通過(guo)粒子示(shi)蹤驗(yan)證了上(shang)述三(san)種(zhong)聲學作用效(xiao)應（圖 2A-2C），並(bing)進壹步(bu)利用100 μm大(da)小(xiao)的聚苯(ben)乙烯(xi)（PS）顆粒驗(yan)證了其對(dui)目(mu)標(biao)的(de)捕(bu)獲(huo)、平移(yi)、旋(xuan)轉(zhuan)及雙(shuang)向(xiang)輸送(song)能力（圖 2D-2G）。相(xiang)較於其他末(mo)端(duan)執行器(qi)，LoE 還(hai)具(ju)備(bei)並行操縱能力，研究人員展(zhan)示(shi)了通過(guo)同時操縱多個目(mu)標(biao)，將分(fen)散粒(li)子排列為 “BIT" 圖案(an)的能力（圖 2H）。

在個體(ti)微粒操縱的基(ji)礎上(shang)，研究人員進壹步(bu)探(tan)索(suo)了 LoE 在(zai)不(bu)同生(sheng)物醫(yi)學、化學研究領域(yu)的(de)應用。

研究人員利用 LoE 完(wan)成(cheng)了(le) “端(duan)到端" 輔助生(sheng)殖(zhi)體(ti)外(wai)細(xi)胞操縱流程。首(shou)先(xian)，利用 LoE 的(de)捕(bu)獲(huo)功(gong)能捕(bu)獲(huo)散(san)落各(ge)處的(de)卵(luan)母細(xi)胞，並(bing)將其排列為壹行（圖(tu) 3B）；其次，通過(guo) LoE 的面(mian)內連(lian)續(xu)傳送(song)流(liu)將捕(bu)獲(huo)的(de)卵(luan)母細(xi)胞輸送(song)至(zhi)操縱窗口，並(bing)將顯微(wei)鏡(jing)視野(ye)聚(ju)焦於窗(chuang)口(kou)內（圖 3C）；最(zui)後(hou)，借助 LoE 的(de)面(mian)外連(lian)續(xu)旋(xuan)轉(zhuan)流調整操縱窗口內(nei)卵(luan)母細(xi)胞的(de)姿態(tai)，對(dui)其進行觀(guan)察(cha)與(yu)重(zhong)新定(ding)向(xiang)（圖(tu) 3D）。經(jing)重(zhong)新定(ding)向(xiang)的(de)卵(luan)母細(xi)胞在(zai)胞漿(jiang)內(nei)精子註射(she)後(hou)可繼續(xu)發(fa)育(yu)為胚胎(tai)（圖(tu) 3E）；胚(pei)胎(tai)發(fa)育(yu)過(guo)程中(zhong)，可通過(guo) LoE 持續(xu)觀(guan)察(cha)其不(bu)同時期的狀態，並(bing)借助顯微(wei)視覺(jiao)三維(wei)重(zhong)建技術評(ping)估(gu)胚胎(tai)發(fa)育(yu)質量（圖 3F-3G）。上(shang)述多(duo)步(bu)復雜操作均可通過(guo)同壹個末(mo)端(duan)執行器(qi)完(wan)成(cheng)，體(ti)現(xian)了(le)其利用 “時(shi)空連(lian)續(xu)流" 進行復雜多(duo)步(bu)驟(zhou)處理(li)的能力。

第(di)二，研究人員利用 LoE 開(kai)展(zhan)了秀麗隱(yin)桿線蟲(chong)（C. elegans）的(de)形態學表征研究。末(mo)端(duan)執行器(qi)陣(zhen)列(lie)在(zai)不(bu)同末(mo)端(duan)單元位(wei)置可產生(sheng)穩定壹致的時(shi)間(jian)連(lian)續(xu)流，確(que)保(bao)了(le)線蟲(chong)等大(da)長(chang)徑比目(mu)標(biao)的(de)穩定旋(xuan)轉(zhuan)與輸送(song)。研究人員還(hai)提(ti)出了(le)壹種(zhong)線蟲(chong)局(ju)部(bu)共聚焦成(cheng)像技術：通過(guo) LoE 調整線蟲(chong)的(de)位(wei)置與(yu)姿態(tai)，從不(bu)同角度(du)對(dui)線蟲(chong)不(bu)同部位(wei)進行高(gao)精(jing)度(du)成(cheng)像，從而避(bi)免層析熒光信(xin)息(xi)受(shou)到不(bu)同平面(mian)熒光信(xin)號疊加的(de)幹擾(rao)（圖(tu) 4）。

第(di)三，研究人員證(zheng)實了 LoE 在(zai)液(ye)體(ti)操作中的(de)優(you)勢(shi)。與(yu)其他開(kai)放微流體(ti)平臺類(lei)似，LoE 可在疏水(shui)表面(mian)或油(you)相(xiang)介(jie)質中實現(xian)對(dui)水(shui)滴的穩(wen)定(ding)捕(bu)獲(huo)與(yu)運(yun)輸（圖(tu) 5A）。與其他設備(bei)不(bu)同的是(shi)，LoE 還(hai)能在聲(sheng)流體(ti)作用下(xia)加速微尺(chi)度(du)黏性(xing)流(liu)體的(de)混合(he)及固(gu)體(ti)顆粒物的溶解(jie)過(guo)程，有效解(jie)決了低(di)雷(lei)諾(nuo)數(shu)流(liu)體高濃度界(jie)面(mian)難(nan)以(yi)擴散的問(wen)題（圖(tu) 5B-5C）。研究人員還(hai)設計(ji)了 LoE 促(cu)進化學反應的實驗場(chang)景(jing)，尤(you)其在傳統 LoC 芯片難(nan)以(yi)處理(li)的含(han)沈(chen)澱或氣(qi)體(ti)生(sheng)成(cheng)的(de)化學反應中，LoE 展(zhan)現(xian)出顯著(zhu)優(you)勢(shi)（圖(tu) 5D）。通過(guo)預編(bian)程設置，LoE 還(hai)能模擬微(wei)流(liu)體的 “序(xu)列(lie)化處理(li)" 能力，執行多(duo)步(bu)驟(zhou)復雜化學反應。

此(ci)外，研究人員還(hai)驗(yan)證了 LoE 在單細(xi)胞及多細(xi)胞操作中的(de)能力。研究選(xuan)取生(sheng)命科學領域(yu)經(jing)典(dian)的(de) HeLa 細(xi)胞系(xi)，首(shou)先(xian)證實了其對(dui)單細(xi)胞的(de)捕(bu)獲(huo)、轉(zhuan)運(yun)、旋(xuan)轉(zhuan)等操縱能力（圖 6A）。此(ci)外，LoE 還(hai)可作為高通量操縱工(gong)具，實現(xian) HeLa 細(xi)胞的(de)聚集(ji)成(cheng)團（圖(tu) 6B），並(bing)具備(bei)細(xi)胞轉(zhuan)染及藥物遞送(song)等功(gong)能（圖 6C-6D）。

總結：LoE 實現(xian)了(le) “開(kai)放易操作" 與 “連(lian)續(xu)流多(duo)步(bu)驟(zhou)處理(li)" 的兼(jian)顧 —— 既(ji)具(ju)備(bei)開放式裝(zhuang)置靈(ling)活便(bian)捷(jie)、成(cheng)本(ben)低(di)廉(lian)、上(shang)手快速的特點(dian)，又(you)能像芯片實驗室(shi)壹樣(yang)完(wan)成(cheng)復雜實驗。該(gai)裝(zhuang)置無(wu)需(xu)專業(ye)操作技能，適用(yong)於普(pu)通實驗室(shi)，有望(wang)推動(dong)微流(liu)控(kong)技術在化學合成(cheng)、生(sheng)物研究、輔助生(sheng)殖(zhi)等領域(yu)的(de)普及，為相(xiang)關(guan)科(ke)研提(ti)供高(gao)效(xiao)實用的(de)工(gong)具，助力相(xiang)關(guan)領域(yu)取得研究突(tu)破(po)。