現代生物技術(shù)常常利用可調節的三維操控手段來(lái)實(shí)現在生物學(xué)領(lǐng)域和醫學(xué)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學(xué)應用效率或滿(mǎn)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(shí)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(dòng)模式使其難以在一個(gè)單一的設備有效地實(shí)現多功能切換。

近日，北京航空航天大學(xué)機械工程學(xué)院仿生與微納研究所馮林副教授等研發(fā)了一種基于聲驅微氣泡的模態(tài)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(shí)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(tài)操控系統示意圖

通過(guò)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(guò)底面微孔時(shí)，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。

圖二聲驅微氣泡的理論模態(tài)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(dòng)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(jìn)而實(shí)現對單獨或群體生物樣本的多功能操控（圖三）。由于聲場(chǎng)的驅動(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、細胞、綠眼蟲(chóng)、螺旋藻等。此外，利用平面外旋轉模式的運動(dòng)特點(diǎn)，研究團隊實(shí)現了對細胞樣本的三維重建，從而實(shí)現多視角的形態(tài)學(xué)復現與基本參數的測量估計。該系統所提出的聲學(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(dòng)及定量分析

該項研究成果獲得國家重點(diǎn)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