傳統(tǒng)微流控芯片因其低成本,、高效性和靈活性，已廣泛應(yīng)用于腫瘤篩查,、DNA擴(kuò)增和病毒檢測(cè)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,。然而，這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在尺寸受限,、單一功能性以及微結(jié)構(gòu)調(diào)控靈活性等方面存在局限性,，使其在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)。其中,，不可預(yù)測(cè)的流體動(dòng)力學(xué)行為顯著限制了其在被動(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?qū)崿F(xiàn)高度精準(zhǔn)的局部操控,，但操作范圍有限且設(shè)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(xiàn)不足,。

近年來(lái),，低頻超聲與微結(jié)構(gòu)結(jié)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(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和效率。然而,，現(xiàn)有微氣泡系統(tǒng)仍面臨諸多挑戰(zhàn),，如體積不穩(wěn)定性、振動(dòng)方向隨機(jī)性以及加工成本高昂等,。此外,，在多細(xì)胞類型分離方面，傳統(tǒng)微流體分離芯片通常只能處理兩種細(xì)胞類型,，難以滿足實(shí)際需求。因此,，需要開(kāi)發(fā)一種具有更高穩(wěn)定性,、可控性和選擇性的微氣泡系統(tǒng)，以滿足精確,、靈活和高效操控的需求,。

基于此，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院王光輝教授課題組設(shè)計(jì)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(xiàn)了對(duì)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(xiàn)代工程與應(yīng)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(tǒng)制備,，通過(guò)在直徑和高度方向上的精準(zhǔn)控制,，實(shí)現(xiàn)了多種尺寸微孔結(jié)構(gòu)的加工，從而為頻率選擇性設(shè)計(jì)提供了高度靈活性,。研究團(tuán)隊(duì)使用20 μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜對(duì)微孔結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微孔尺寸及其振動(dòng)模態(tài)的精準(zhǔn)調(diào)控,。在單孔模式下,，該系統(tǒng)能夠精確操控粒子或細(xì)胞，包括模式1：聚集,、模式2：旋轉(zhuǎn)和模式3：傳輸,；在陣列模式下,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇性調(diào)控。此研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)調(diào)節(jié)聲頻實(shí)現(xiàn)高精度和高靈活性微尺度操控的創(chuàng)新平臺(tái),。

圖1. 裝置的示意圖及操控效果,。(a) 設(shè)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(zhuǎn)和分離。(c) 多孔模式操控機(jī)理示意：微氣泡陣列超表面在不同激勵(lì)頻率下的響應(yīng),。(d) 多孔模式操控效果示意：直線和曲線的受控軌跡傳輸,。

首先，通過(guò)仿真建模揭示了振動(dòng)特性,，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)模態(tài)和頻率偏離對(duì)粒子行為具有顯著影響,，為頻率選擇性設(shè)計(jì)提供了理論支撐。結(jié)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(wěn)定，未發(fā)生旋轉(zhuǎn),。當(dāng)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(duì)增強(qiáng)，但未占主導(dǎo)地位,。此時(shí),，20 μm PS 粒子被推向非中心區(qū)域，并在聲流梯度作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn),。當(dāng)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(yīng)顯著減弱，導(dǎo)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(xù)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(dǎo)地位，從而促使20 μm PS 粒子沿薄膜表面?zhèn)鬏敗?/p>

圖2. 單孔振動(dòng)結(jié)構(gòu)的理論模型和模擬結(jié)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(jié)構(gòu)在 35.4 kHz（一階模式）和 66.8 kHz（二階模式）處呈現(xiàn)出兩個(gè)顯著的共振。(c) fR 為設(shè)計(jì)封裝微泡的模擬結(jié)果,， fB 為與設(shè)計(jì)封裝微泡體積相同的傳統(tǒng)微泡的理論計(jì)算結(jié)果,。(d) 三種操作模式下 20 μm PS 粒子受力、流線,、位移和 聲輻射勢(shì)U 的示意圖,。(e) 三種操縱模式下的流線模擬結(jié)果。(f) 和 (g) 為三種操縱模式下振動(dòng)位移和 聲輻射勢(shì)的模擬結(jié)果,。

然后,，利用多普勒激光測(cè)振儀驗(yàn)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(dá)到峰值；當(dāng)頻率調(diào)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,，最大位移位置顯著偏離中心。x-y 平面的振動(dòng)測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了這一規(guī)律,。此外,，針對(duì)單孔振動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì) 20 μm PS 粒子的操控實(shí)驗(yàn)表明,，在 36 kHz 激勵(lì)下,，粒子被捕獲于薄膜中心；當(dāng)頻率調(diào)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(xiàn)傳輸,。粒子的捕獲位置與薄膜的最大位移及低聲輻射勢(shì)一致,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬預(yù)測(cè)高度吻合。

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

隨后，對(duì)振動(dòng)引發(fā)的聲流進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證,，結(jié)果與先前的分析一致,。在模式1下實(shí)現(xiàn)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(xì)胞,，例如紅細(xì)胞,。這表明該裝置不僅適用于本文所提到的應(yīng)用，還具備更廣泛的生物和材料富集潛力,。

圖4. 顆粒測(cè)試和分析結(jié)果,。(a)-(c) 分別顯示模式1、模式2 和模式3 的流線結(jié)果,。(d) 在模式1下實(shí)現(xiàn)的粒子自組裝,。(e) 臨界粒子尺寸的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

在生物場(chǎng)景測(cè)試中,，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（3T3-L1）的聚集,、旋轉(zhuǎn)和傳輸。在模式1下,，還成功實(shí)現(xiàn)了輪蟲(chóng)的中心聚集,，展示了振動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)自由運(yùn)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(yàn),，驗(yàn)證了該技術(shù)在精確操作和處理活細(xì)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(cè)試結(jié)果。(a) 模式1 ：3T3-L1 細(xì)胞聚集,。(b) 模式 1：輪蟲(chóng)聚集,。(c) 模式2：3T3-L1 細(xì)胞面外旋轉(zhuǎn)。(d) 模式3 中：3T3-L1 細(xì)胞分離,。

基于單孔設(shè)計(jì),，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了陣列式多孔結(jié)構(gòu)，并在模擬振動(dòng)分析后進(jìn)行了粒子傳輸測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果表明,，通過(guò)利用微泡的特征頻率，可以實(shí)現(xiàn)粒子在微泡上方的選擇性傳輸,。在 9 kHz 的低頻激勵(lì)下,，粒子沿聲波傳播方向移動(dòng)，形成線性傳輸路徑,。該結(jié)果驗(yàn)證了不同頻率下微泡結(jié)構(gòu)對(duì)粒子操控行為的顯著差異（圖6）,。

圖6. 微泡陣列超表面的模擬和粒子測(cè)試結(jié)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(jié)果及 20 μm PS 粒子在特定頻率下的相應(yīng)軌跡,。(c) 20 μm PS 粒子在 33 kHz 激發(fā)頻率下的運(yùn)動(dòng)速度曲線,。(d) 9 kHz激勵(lì)頻率下20 μm PS 粒子的模擬結(jié)果和運(yùn)動(dòng)軌跡。

最后,，對(duì)微泡陣列操縱細(xì)胞的能力和細(xì)胞完整性進(jìn)行驗(yàn)證,。結(jié)果表明，該裝置對(duì)細(xì)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(nèi),，表現(xiàn)出良好的生物相容性。操作后5分鐘,，染色結(jié)果顯示細(xì)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(duì)細(xì)胞操作和活力驗(yàn)證結(jié)果的潛在影響,。

圖7. 細(xì)胞運(yùn)動(dòng)軌跡操作和活動(dòng)測(cè)試。(a) HUVECs 在 9 kHz 頻率下的運(yùn)動(dòng)軌跡操作,。(b) HUVECs 在 37 kHz 頻率下的運(yùn)動(dòng)軌跡操作,。(c) 在不同的激發(fā)信號(hào)應(yīng)用時(shí)間（5 分鐘、10 分鐘,、15 分鐘,、20 分鐘）下評(píng)估細(xì)胞活性。(d）5 分鐘處理后的細(xì)胞染色結(jié)果,。

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

總結(jié)：該研究創(chuàng)新性地結(jié)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(diào)的操控提供了新思路,。該系統(tǒng)在多細(xì)胞類型分離,、局部精準(zhǔn)操控以及靈活性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),。這一創(chuàng)新為開(kāi)發(fā)更高穩(wěn)定性、可控性和選擇性的聲學(xué)操控系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ),，為實(shí)際應(yīng)用中的高效操控需求提供了潛在解決方案,。通過(guò)調(diào)控陣列耦合結(jié)構(gòu)與激勵(lì)頻率，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的多模態(tài)樣本處理,，為生物醫(yī)學(xué)與藥物篩選等領(lǐng)域的復(fù)雜操作需求提供了新路徑,，同時(shí)展示了與智能算法結(jié)合的廣闊應(yīng)用前景。