傳統微流控芯片因其低成本、高效性和靈活性，已廣泛應用于腫瘤篩查、DNA擴增和病毒檢測等生物醫學(xué)領(lǐng)域。然而，這種傳統設計在尺寸受限、單一功能性以及微結構調控靈活性等方面存在局限性，使其在實(shí)際應用中面臨諸多挑戰。其中，不可預測的流體動(dòng)力學(xué)行為顯著(zhù)限制了其在被動(dòng)操控技術(shù)中的精度和效率。主動(dòng)操控技術(shù)，尤其是聲學(xué)操控，為克服這些限制提供了新思路。聲學(xué)操控主要分為表面聲波（SAW）和體聲波（BAW）兩種方式。SAW以其高頻特性，能夠實(shí)現高度精準的局部操控，但操作范圍有限且設備成本較高；而B(niǎo)AW則憑借其低頻傳播和深度穿透能力適合處理大體積樣本，但在精確定位和靈活操控方面表現不足。

近年來(lái)，低頻超聲與微結構結合的創(chuàng )新手段成為研究熱點(diǎn)。其中，微氣泡因其特別的共振特性，在局部操控中表現出優(yōu)異的穩定性和效率。然而，現有微氣泡系統仍面臨諸多挑戰，如體積不穩定性、振動(dòng)方向隨機性以及加工成本高昂等。此外，在多細胞類(lèi)型分離方面，傳統微流體分離芯片通常只能處理兩種細胞類(lèi)型，難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。因此，需要開(kāi)發(fā)一種具有更高穩定性、可控性和選擇性的微氣泡系統，以滿(mǎn)足精確、靈活和高效操控的需求。

基于此，南京大學(xué)現代工程與應用科學(xué)學(xué)院王光輝教授課題組設計開(kāi)發(fā)了一種基于3D打印技術(shù)的嵌入式微氣泡聲學(xué)超表面，突破性實(shí)現了對聲頻的選擇性操控。相關(guān)研究成果以“3D-printed Acoustic Metasurface with Encapsulated Micro-air-bubbles for Frequency-Selective Manipulation"為題發(fā)表在期刊《Lab on a chip》上。南京大學(xué)現代工程與應用科學(xué)學(xué)院博士研究生冀苗苗為本文第一作者，王光輝教授和張秀娟副教授為共同通訊作者，盧明輝教授參與合作研究。

該聲學(xué)超表面采用摩方精密microArch® S240 （精度：10 μm）3D 打印系統制備，通過(guò)在直徑和高度方向上的精準控制，實(shí)現了多種尺寸微孔結構的加工，從而為頻率選擇性設計提供了高度靈活性。研究團隊使用20 μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜對微孔結構表面進(jìn)行封裝，創(chuàng )新性地開(kāi)發(fā)出一種人造微氣泡結構，該結構能夠實(shí)現對微孔尺寸及其振動(dòng)模態(tài)的精準調控。在單孔模式下，該系統能夠精確操控粒子或細胞，包括模式1：聚集、模式2：旋轉和模式3：傳輸；在陣列模式下，可實(shí)現對運動(dòng)軌跡的選擇性調控。此研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)調節聲頻實(shí)現高精度和高靈活性微尺度操控的創(chuàng )新平臺。

圖1. 裝置的示意圖及操控效果。(a) 設備示意圖，插圖顯示封裝微氣泡的膨脹和收縮過(guò)程。(b) 單孔模式操控效果示意：聚集、旋轉和分離。(c) 多孔模式操控機理示意：微氣泡陣列超表面在不同激勵頻率下的響應。(d) 多孔模式操控效果示意：直線(xiàn)和曲線(xiàn)的受控軌跡傳輸。

首先，通過(guò)仿真建模揭示了振動(dòng)特性，發(fā)現振動(dòng)模態(tài)和頻率偏離對粒子行為具有顯著(zhù)影響，為頻率選擇性設計提供了理論支撐。結果表明，在共振頻率即模式1下，薄膜的振動(dòng)最高點(diǎn)位于中心，且振幅最大。此時(shí)，20 μm 聚苯乙烯（PS ）粒子在聲輻射力的作用下向中心聚集并保持穩定，未發(fā)生旋轉。當偏離共振頻率（±1 kHz）即模式2時(shí)，薄膜的最大振動(dòng)位置從中心向邊緣移動(dòng)。盡管振幅仍較大，但由于偏離共振條件下聲輻射力減弱，聲流力相對增強，但未占主導地位。此時(shí)，20 μm PS 粒子被推向非中心區域，并在聲流梯度作用下發(fā)生旋轉。當偏離共振頻率（±2 kHz）即模式3時(shí)，氣泡與薄膜之間的耦合效應顯著(zhù)減弱，導致聲輻射力大幅下降，薄膜振幅明顯減小，最大振動(dòng)位置繼續向邊緣移動(dòng)。與此同時(shí)，聲波能量更多地傳遞到流體中，使得聲流力占主導地位，從而促使20 μm PS 粒子沿薄膜表面傳輸。

圖2. 單孔振動(dòng)結構的理論模型和模擬結果。 (a) 圖 1a 中插圖的模擬模型示意圖。(b) L = 135 μm 時(shí)的位移-頻率關(guān)系。振動(dòng)結構在 35.4 kHz（一階模式）和 66.8 kHz（二階模式）處呈現出兩個(gè)顯著(zhù)的共振。(c) fR 為設計封裝微泡的模擬結果， fB 為與設計封裝微泡體積相同的傳統微泡的理論計算結果。(d) 三種操作模式下 20 μm PS 粒子受力、流線(xiàn)、位移和 聲輻射勢U 的示意圖。(e) 三種操縱模式下的流線(xiàn)模擬結果。(f) 和 (g) 為三種操縱模式下振動(dòng)位移和 聲輻射勢的模擬結果。

然后，利用多普勒激光測振儀驗證了薄膜的振動(dòng)特性。在 36 kHz 共振頻率下，薄膜的最大位移位于中心，振幅達到峰值；當頻率調整至 35 kHz 和 37 kHz 時(shí)，最大位移偏離中心，振幅有所降低；而在 34 kHz 和 38 kHz 時(shí)，振幅進(jìn)一步減小，最大位移位置顯著(zhù)偏離中心。x-y 平面的振動(dòng)測試結果也驗證了這一規律。此外，針對單孔振動(dòng)結構對 20 μm PS 粒子的操控實(shí)驗表明，在 36 kHz 激勵下，粒子被捕獲于薄膜中心；當頻率調整至 35 kHz 和 37 kHz 時(shí)，粒子捕獲位置偏離中心；而在 34 kHz 和 38 kHz 時(shí)，粒子實(shí)現傳輸。粒子的捕獲位置與薄膜的最大位移及低聲輻射勢一致，實(shí)驗結果與模擬預測高度吻合。

圖3. 薄膜振動(dòng)測試和 20 μm PS 粒子操作結果。(a) 36 kHz 下的薄膜振動(dòng)測試結果。(b) 不同頻率下 x-z 截面的振動(dòng)位移曲線(xiàn)。(c) 不同頻率下 x-y 截面的薄膜振動(dòng)測試結果，以及20 μm PS 粒子操作。

隨后，對振動(dòng)引發(fā)的聲流進(jìn)行了測試與驗證，結果與先前的分析一致。在模式1下實(shí)現了粒子的自組裝，為納米材料制造提供了潛在解決方案。此外，研究表明，進(jìn)一步減小微孔尺寸以提高共振頻率，有望捕獲更小尺寸的粒子或細胞，例如紅細胞。這表明該裝置不僅適用于本文所提到的應用，還具備更廣泛的生物和材料富集潛力。

圖4. 顆粒測試和分析結果。(a)-(c) 分別顯示模式1、模式2 和模式3 的流線(xiàn)結果。(d) 在模式1下實(shí)現的粒子自組裝。(e) 臨界粒子尺寸的計算和實(shí)驗結果。

在生物場(chǎng)景測試中，成功實(shí)現了對小鼠胚胎成纖維細胞（3T3-L1）的聚集、旋轉和傳輸。在模式1下，還成功實(shí)現了輪蟲(chóng)的中心聚集，展示了振動(dòng)結構對自由運動(dòng)生物體的有效操控能力。通過(guò)三種模態(tài)下的生物場(chǎng)景實(shí)驗，驗證了該技術(shù)在精確操作和處理活細胞及生物體方面的有效性。

圖5. 生物樣本在三種模式下的測試結果。(a) 模式1 ：3T3-L1 細胞聚集。(b) 模式 1：輪蟲(chóng)聚集。(c) 模式2：3T3-L1 細胞面外旋轉。(d) 模式3 中：3T3-L1 細胞分離。

基于單孔設計，研究團隊進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了陣列式多孔結構，并在模擬振動(dòng)分析后進(jìn)行了粒子傳輸測試。測試結果表明，通過(guò)利用微泡的特征頻率，可以實(shí)現粒子在微泡上方的選擇性傳輸。在 9 kHz 的低頻激勵下，粒子沿聲波傳播方向移動(dòng)，形成線(xiàn)性傳輸路徑。該結果驗證了不同頻率下微泡結構對粒子操控行為的顯著(zhù)差異（圖6）。

圖6. 微泡陣列超表面的模擬和粒子測試結果。(a)共振頻率模擬。(b) 微氣泡陣列超表面的特征頻率模擬結果及 20 μm PS 粒子在特定頻率下的相應軌跡。(c) 20 μm PS 粒子在 33 kHz 激發(fā)頻率下的運動(dòng)速度曲線(xiàn)。(d) 9 kHz激勵頻率下20 μm PS 粒子的模擬結果和運動(dòng)軌跡。

最后，對微泡陣列操縱細胞的能力和細胞完整性進(jìn)行驗證。結果表明，該裝置對細胞活性無(wú)明顯影響，且操作過(guò)程溫升始終控制在生理可接受范圍內，表現出良好的生物相容性。操作后5分鐘，染色結果顯示細胞活性仍保持為 95.4%。在 6 分鐘的操作過(guò)程中，樣品室采樣點(diǎn)的最大溫升不超過(guò) 1°C，從而排除了溫度變化對細胞操作和活力驗證結果的潛在影響。

圖7. 細胞運動(dòng)軌跡操作和活動(dòng)測試。(a) HUVECs 在 9 kHz 頻率下的運動(dòng)軌跡操作。(b) HUVECs 在 37 kHz 頻率下的運動(dòng)軌跡操作。(c) 在不同的激發(fā)信號應用時(shí)間（5 分鐘、10 分鐘、15 分鐘、20 分鐘）下評估細胞活性。(d）5 分鐘處理后的細胞染色結果。

圖8. 溫度測試示意圖和結果。(a) 溫度測試的取樣點(diǎn)。(b) 不同激勵頻率和電壓下的溫度變化（ΔT）。(c)-(e) 分別為激勵頻率為 36 kHz 時(shí)不同電壓下采樣點(diǎn)的溫度變化曲線(xiàn)。

總結：該研究創(chuàng )新性地結合3D打印技術(shù)與聲學(xué)操控，開(kāi)發(fā)出基于微氣泡的高靈活性聲學(xué)超表面，為頻率可調的操控提供了新思路。該系統在多細胞類(lèi)型分離、局部精準操控以及靈活性方面表現出顯著(zhù)優(yōu)勢。這一創(chuàng )新為開(kāi)發(fā)更高穩定性、可控性和選擇性的聲學(xué)操控系統奠定了基礎，為實(shí)際應用中的高效操控需求提供了潛在解決方案。通過(guò)調控陣列耦合結構與激勵頻率，該平臺能夠實(shí)現精準的多模態(tài)樣本處理，為生物醫學(xué)與藥物篩選等領(lǐng)域的復雜操作需求提供了新路徑，同時(shí)展示了與智能算法結合的廣闊應用前景。