北航馮林課題組：基于多模態(tài)聲驅(qū)微氣泡的多功能微對象操控研究

現(xiàn)代生物技術(shù)常常利用可調(diào)節(jié)的三維操控手段來實(shí)現(xiàn)在生物學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中對微納米尺度的生物樣品的控制與應(yīng)用，例如細(xì)胞分析、細(xì)胞微手術(shù)和藥物遞送等。其中，為了提高潛在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用效率或滿足一些涉及到復(fù)雜技術(shù)的應(yīng)用需求，迫切需要在微流控裝置中對微對象實(shí)現(xiàn)可控的多功能操控，如運(yùn)輸、捕獲、旋轉(zhuǎn)等模式。然而，固定的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)模式使其難以在一個(gè)單一的設(shè)備有效地實(shí)現(xiàn)多功能切換。

近日，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院仿生與微納研究所馮林副教授等研發(fā)了一種基于聲驅(qū)微氣泡的模態(tài)可切換的多功能微操控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在微流控芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)可控且高效的微對象運(yùn)輸、三維旋轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)等操控模式（圖一）。

圖一基于聲驅(qū)振蕩微氣泡陣列的多模態(tài)操控系統(tǒng)示意圖

通過采用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S140，摩方精密），研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制造了一種帶有底面微孔陣列（直徑100μm、深度100μm）的微流控芯片。由于液體存在表面張力，當(dāng)液體通入微流道并流過底面微孔時(shí)，可以形成具有近似尺寸的微型氣泡。當(dāng)超聲發(fā)生裝置所形成的超聲信號傳遞到微流道中，可以激勵(lì)微型氣泡膜振蕩形成聲微流。

圖二聲驅(qū)微氣泡的理論模態(tài)與有限元仿真結(jié)果

基于所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)氣泡界面的相對靈活性，該裝置可以在僅調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)頻率而不改變壓電換能器數(shù)量與氣泡陣列設(shè)計(jì)的情況下切換微型氣泡的振蕩模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對單獨(dú)或群體生物樣本的多功能操控（圖三）。由于聲場的驅(qū)動(dòng)特性，該裝置可以有效操控幾微米到幾百微米的不同生物樣本，包括微顆粒、細(xì)胞、綠眼蟲、螺旋藻等。此外，利用平面外旋轉(zhuǎn)模式的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞樣本的三維重建，從而實(shí)現(xiàn)多視角的形態(tài)學(xué)復(fù)現(xiàn)與基本參數(shù)的測量估計(jì)。該系統(tǒng)所提出的聲學(xué)操控方式具有多功能性、可控性、高效性以及良好的生物兼容性，在進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞研究和治療等應(yīng)用層面具有很大潛力。

圖三不同控制模態(tài)下微對象的運(yùn)動(dòng)及定量分析

該項(xiàng)研究成果獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(No. 2019YFB1309700)及北京新星科技計(jì)劃項(xiàng)目(No. Z191100001119003)支持，以“Versatile acoustic manipulation of micro-objects using mode-switchable oscillating bubbles: transportation, trapping, rotation, and revolution"為題發(fā)表于國際期刊《Lab on a chip》。

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https://doi.org/10.1039/D1LC00628B