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現(xiàn)在生物學領(lǐng)域和醫(yī)學領(lǐng)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(shù)和藥物遞送等。其中，為了提高潛在生物醫(yī)學應用效率或滿足一些涉及到復雜技術(shù)的應用需求，迫切需要在微流控裝置中對微對象實現(xiàn)可控的多功能操控，如運輸、捕獲、旋轉(zhuǎn)等模式。然而，固定的設計和驅(qū)動模式使其難以在一個單一的設備有效地實現(xiàn)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(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)實現(xiàn)可控且高效的微對象運輸、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(fā)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(qū)微氣泡的理論模態(tài)與有限元仿真結(jié)果

基于所設計結(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)動頻率而不改變壓電換能器數(shù)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(xiàn)對單獨或群體生物樣本的多功能操控（圖三）。由于聲場的驅(qū)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(zhuǎn)模式的運動特點，研究團隊實現(xiàn)了對細胞樣本的三維重建，從而實現(xiàn)多視角的形態(tài)學復現(xiàn)與基本參數(shù)的測量估計。該系統(tǒng)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(tài)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(fā)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(fā)表于國際期刊《Lab on a chip》。

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https://doi.org/10.1039/D1LC00628B