基于多模態聲驅微氣泡的多功能微對象操控研究

現代生物技術常常利用可調節的三維操控手段來實現在生物學領域和醫學領域中對微納米尺度的生物樣品的控制與應用，例如細胞分析、細胞微手術和藥物遞送等。其中，為了提高潛在生物醫學應用效率或滿足一些涉及到復雜技術的應用需求，迫切需要在微流控裝置中對微對象實現可控的多功能操控，如運輸、捕獲、旋轉等模式。然而，固定的設計和驅動模式使其難以在一個單一的設備有效地實現多功能切換。

近日，北京航空航天大學機械工程學院仿生與微納研究所馮林副教授等研發了一種基于聲驅微氣泡的模態可切換的多功能微操控系統，該系統能夠在微流控芯片內實現可控且高效的微對象運輸、三維旋轉和公轉等操控模式（圖一）。

圖一 基于聲驅振蕩微氣泡陣列的多模態操控系統示意圖

通過采用面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch S140微流控3D打印設備，摩方精密），研究團隊設計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，當液體通入微流道并流過底面微孔時，可以形成具有近似尺寸的微型氣泡。當超聲發生裝置所形成的超聲信號傳遞到微流道中，可以激勵微型氣泡膜振蕩形成聲微流。

圖二 聲驅微氣泡的理論模態與有限元仿真結果

基于所設計結構內氣泡界面的相對靈活性，該裝置可以在僅調節驅動頻率而不改變壓電換能器數量與氣泡陣列設計的情況下切換微型氣泡的振蕩模式，進而實現對單獨或群體生物樣本的多功能操控（圖三）。由于聲場的驅動特性，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、細胞、綠眼蟲、螺旋藻等。此外，利用平面外旋轉模式的運動特點，研究團隊實現了對細胞樣本的三維重建，從而實現多視角的形態學復現與基本參數的測量估計。該系統所提出的聲學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，在進一步促進細胞研究和治療等應用層面具有很大潛力。

圖三 不同控制模態下微對象的運動及定量分析

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

原文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D1LC00628B