科学家利用圆形腔开发出流动液体中微粒的声学3D捕获技术

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所(SIBET)的研究团队开发了一种声学捕获芯片，可以在具有圆形共振结构的连续流动介质中对细胞进行三维(3D)捕获。

该研究题为“使用圆形腔体对流动液体中的微粒进行声学3D捕获”，已发表在《传感器和执行器A：物理》杂志上。

细胞捕获在生物医学工程中非常重要，因为它能够实现细胞的夹紧、分离、过滤和聚集。在不同的捕获方法中，声捕获已广泛应用于生物学研究，因为它可以提供非接触式和生物安全的细胞操作。

超声波驻波可进一步分为由体压电换能器产生的体声驻波(BAW)，或由叉指电极蚀刻的单晶铌酸锂(LiNbO3)产生的表面声驻波(SAW)。SAW可以以非常低的能耗操纵颗粒，但由于与BAW相比其总体夹紧力较小，因此通常用于流动液体中的分选和静止液体中的颗粒排列。

另一方面，声学微流涡流也可用于捕获障碍物或微泡附近的细胞。微柱或障碍物的设计对于提高捕获效率起着重要作用。然而，有些捕集器不能轻易释放颗粒，有些捕集器不能提供固定的捕集位置。

捕获效率基本上由捕获力决定。在以往的大多数研究中，颗粒通常被捕获在静态流体或极低速流动的流体中，或者捕获过程需要几秒钟，这主要是由于捕获力不足造成的。这降低了捕获效率和通量，而高通量细胞操作在许多生物应用中非常重要，例如拉曼识别和纳米颗粒捕获。

研究人员在圆形微结构中建立了驻声波，提供足够的力将细胞夹紧在腔室的中心。同时，微通道底部附近的细胞在深度方向产生的辐射力的作用下被夹紧。

因此，通过仅由一个压电板换能器驱动的特殊微通道设计形成了3D细胞限制。实验结果表明，该芯片能够对以毫米/秒级速度运动的微米级颗粒提供纳牛顿(nN)级的捕获力和毫秒(ms)级的捕获时间。

通过这种非接触且生物相容性的捕获方法，该芯片可应用于器官芯片、细胞培养、拉曼分析和纳米颗粒捕获等多种生物医学工程场景。