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北航冯林课题组:基于多模态声驱微气泡的多功能微对象操控研究

发布时间:2022-03-23      点击次数:133



现代生物技术常常利用可调节的三维操控手段来实现在生物学领域和医学领域中对微纳米尺度的生物样品的控制与应用,例如细胞分析、细胞微手术和药物递送等。其中,为了提高潜在生物医学应用效率或满足一些涉及到复杂技术的应用需求,迫切需要在微流控装置中对微对象实现可控的多功能操控,如运输、捕获、旋转等模式。然而,固定的设计和驱动模式使其难以在一个单一的设备有效地实现多功能切换。


近日,北京航空航天大学机械工程学院仿生与微纳研究所冯林副教授等研发了一种基于声驱微气泡的模态可切换的多功能微操控系统,该系统能够在微流控芯片内实现可控且高效的微对象运输、三维旋转和公转等操控模式(图一)。


图一基于声驱振荡微气泡阵列的多模态操控系统示意图


通过采用面投影微立体光刻3D打印技术(nanoArch S140,摩方精密),研究团队设计制造了一种带有底面微孔阵列(直径100μm、深度100μm)的微流控芯片。由于液体存在表面张力,当液体通入微流道并流过底面微孔时,可以形成具有近似尺寸的微型气泡。当超声发生装置所形成的超声信号传递到微流道中,可以激励微型气泡膜振荡形成声微流。


图二声驱微气泡的理论模态与有限元仿真结果


基于所设计结构内气泡界面的相对灵活性,该装置可以在仅调节驱动频率而不改变压电换能器数量与气泡阵列设计的情况下切换微型气泡的振荡模式,进而实现对单独或群体生物样本的多功能操控(图三)。由于声场的驱动特性,该装置可以有效操控几微米到几百微米的不同生物样本,包括微颗粒、细胞、绿眼虫、螺旋藻等。此外,利用平面外旋转模式的运动特点,研究团队实现了对细胞样本的三维重建,从而实现多视角的形态学复现与基本参数的测量估计。该系统所提出的声学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,在进一步促进细胞研究和治疗等应用层面具有很大潜力。


图三不同控制模态下微对象的运动及定量分析


该项研究成果获得国家重点研发计划(No. 2019YFB1309700)及北京新星科技计划项目(No. Z191100001119003)支持,以“Versatile acoustic manipulation of micro-objects using mode-switchable oscillating bubbles: transportation, trapping, rotation, and revolution"为题发表于国际期刊《Lab on a chip》。

原文链接:
https://doi.org/10.1039/D1LC00628B