μSonic-hand：基于声气液固相互作用的生物医学微观操控新突破

《SCIENCE ADVANCES》：μSonic-hand: Biomedical micromanipulation driven by acoustic gas-liquid-solid interactions

在生物医学微观操控领域，传统方法存在诸多局限，如成功率低、功能单一等。研究人员开展了 μSonic-hand（一种基于声气液固相互作用的微观操控方法）的研究。结果显示，该方法能实现多种液体和生物样本操控，具有广泛应用潜力，为生物医学研究带来新突破。

　　在生物医学的微观世界里，微观操控技术对于深入研究和精准治疗至关重要。然而，现有的微观操控方法却面临着重重困境。传统的基于直接机械接触的方法，由于微观尺度下显著的粘附力，导致释放过程困难，还可能频繁对活微生物造成损伤，使得在生物医学微观操控中的效率和成功率都很低。依赖电场、磁场和光场的操控方法，虽然试图解决释放难题，但它们严重依赖被操控物体的特定物理结构和性质，无法适用于多样的跨尺度生物样本。而且，强激光直接照射、电场的热效应以及外部磁性材料的侵入，都可能对活生物样本造成潜在损害，并且这些产生外部场的系统庞大复杂，难以部署在通用显微镜上。基于微流体芯片的流体动力学微观操控，虽然具有良好的生物相容性，但微流体芯片的封闭环境限制了其他功能单元的集成，内部固定的几何结构也限制了对多尺度物体的操作自由度。

为了突破这些困境，研究人员开展了 μSonic-hand（一种基于声气液固相互作用的多功能微观操控方法）的研究。研究表明，μSonic-hand 具有广泛的操作能力、固有的生物相容性和极低的成本，这一成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为生物医学科学的发展带来了新的曙光。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：构建了基于倒置显微镜的多功能生物微观操控系统，利用压电换能器发射声波，通过 3D 电动精密平台实现微移液管的空间定位。制备了特殊的微移液管，其末端带有气泡，用于产生气液多相系统。同时，借助科学互补金属氧化物半导体相机和共聚焦激光扫描显微镜进行监测和成像。

研究结果如下：

• 声驱动气液固相互作用：μSonic-hand 微观操控系统由声源、末端含气泡的微移液管和电动精密平台组成。压电换能器发射的声波与气泡共振，使气液界面产生振荡，形成三维轴对称微流（acoustic streaming）和声学辐射力（acoustic radiation force）。微流速度可通过调节施加在压电换能器上的正弦电压幅值来控制，而声学辐射力能吸引和捕获附近物体，实现气液固三相相互作用。
• 通过声学微流进行液体操控：μSonic-hand 能在开放环境中操控液体，解决了微流体芯片的局限性。实验表明，它可高效混合高粘度液体，如用其诱导的微流混合蛋清和水，混合效率显著提高。还能加速聚集纳米颗粒的分散，增强细胞膜通透性促进药物递送和基因治疗，以及从液体培养基中收获特定细胞，且具有 label free、低毒、成本效益高和可编程性强的优势。
• 通过声学辐射力进行 3D 运输：μSonic-hand 利用声学辐射力实现对微物体的捕获和运输。实验发现，微球直径和微移液管孔径大小会影响捕获成功率，输入电压幅值决定最大运输速度。该方法可对微球、单细胞和微组织等进行 3D 操控，如运输和排列 HeLa 细胞、虾卵和 3T3 细胞球等。
• 在 3D 轴对称微流中的多向旋转：μSonic-hand 通过可控的微流实现物体的 360° 旋转操作。旋转方向可通过精细调整物体在 3D 轴对称微流中的相对位置来控制，旋转速度可由输入电压幅值调节。实验展示了对多种生物样本的旋转操控，包括酵母细胞、HeLa 细胞、拟南芥花粉等，且细胞活力实验表明该操作对细胞毒性极小。
• 操控跨尺度的各种生物样本：μSonic-hand 可捕获和旋转从几微米到约 1 毫米的多种生物样本，如动物细胞、植物细胞、生殖细胞等。研究发现，样本的旋转速度与输入电压的平方成正比，且该方法能为许多微观生物医学应用提供稳定的多向旋转和可控的旋转速度。
• 在显微镜下 3D 成像中的应用：μSonic-hand 可实现对秀丽隐杆线虫（C. elegans）的多角度观察，助力分析其胚胎发育过程。同时，通过旋转生物微观样本，能增强激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）的 3D 成像能力，提高空间分辨率和观察深度。
• 在胚胎工程中的应用：在胚胎工程中，μSonic-hand 可显著改善对卵母细胞和胚胎的操控。以卵胞浆内单精子注射（ICSI）为例，它能实现卵母细胞的分类、排列和 3D 重定向，减少操作时间和机械接触，提高胚胎形成成功率。还可对早期胚胎进行旋转观察，用于长期 3D 形态监测和分级，在哺乳动物胚胎工程中展现出巨大潜力。

研究结论和讨论部分指出，μSonic-hand 具有显著优势。其广泛的操作能力体现在能对液体和个体实体进行多功能操作，且可操控跨尺度的生物样本，这是其他基于场力的微观操控方法难以实现的。极低的成本使其仅需在通用微观操控系统中添加一个 1 美元的压电换能器就能获得强大功能，易于在生物医学实验室部署。固有的生物相容性使其基于声流体动力学，不会对操作的生物物体造成损害，实验中细胞活力的检测结果也证实了这一点。此外，μSonic-hand 在高效固体试剂溶解、按需化学反应、细胞转染、单细胞局部表征和组织工程等方面具有潜在应用价值，并且有望借助声波的深穿透能力实现人体内的体内操控，为生物医学研究和治疗开辟了新的道路，推动了生物医学科学的发展。