科學(xué)家開發(fā)諧波聲鑷技術(shù)能實現(xiàn)高通量細胞的可逆配對和分離

近年來，“聲學(xué)鑷子”的研究取得了較大的進步。聲鑷器件通過壓電換能器產(chǎn)生和調(diào)控聲波，可以實現(xiàn)聲懸浮操控液體中的粒子或細胞，而不與它們接觸。

與光鑷技術(shù)（2018年諾貝爾物理學(xué)獎）相比， 采用超聲技術(shù)的聲鑷器件， 具有安全、無接觸、低能耗、技術(shù)簡便和小型化等優(yōu)點，在材料科學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。

然而，目前基于駐波的聲鑷器件只能同時捕獲和操縱一組粒子，無法有效的組裝并選擇性操控單個粒子，這極大地限制了聲鑷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

為了解決這個難題，杜克大學(xué)機械工程與材料科學(xué)系黃俊教授團隊開發(fā)出一種全新的聲學(xué)鑷子操縱平臺：HANDS。該平臺解決了傳統(tǒng)聲鑷技術(shù)空間分辨率低、選擇性差等問題，并首次實現(xiàn)聲波控制膠體物質(zhì)及細胞的精確組裝、可逆胞間配對和分離。

不僅如此，HANDS平臺還可以通過簡單的諧波信號調(diào)制，形成并操控單細胞陣列，或有選擇性地對陣列中兩個目標細胞的距離進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)單細胞的配對及分離。該團隊形象地將這一通過諧波調(diào)制實現(xiàn)的細胞操控過程，比喻為單細胞的“和聲二重奏”。

2022年3月24日，相關(guān)論文以《用于動態(tài)和選擇性粒子操縱的諧波聲學(xué)》為題發(fā)表。

在此之前，其實也有科學(xué)家嘗試用聲學(xué)換能器相控陣陣列及聲全息等方法，單獨操縱懸浮液中的毫米級粒子。

遺憾的是，由于空間分辨率的限制，這些策略無法對直徑約為10微米的單個細胞或微米級膠體粒子進行有效操控。

此外，聲波場的穩(wěn)態(tài)特性和聲流或渦流產(chǎn)生的狀況也無法預(yù)知。換而言之，這種方法很難通過調(diào)整相位和移動換能器，來實現(xiàn)膠體粒子的精確組裝、可逆胞間配對及分離。

而HANDS平臺可以提供一個更高空間分辨率的單細胞操控，比如可以通過高通量、精確、可編程和可重復(fù)的方式，對懸浮液中100多對細胞進行可逆配對和分離。

目前，聲鑷技術(shù)主要通過調(diào)節(jié)相位和移動換能器對細胞及粒子進行操縱，由于操控精度受聲學(xué)波場的限制，使得兩個粒子或者兩個細胞之間的距離遠大于半波長。

這導(dǎo)致這兩種方法不僅無法做到細胞的配對和分離，而且這兩種方法的效率也比較低，無法實現(xiàn)多個粒子的獨立控制或者同時控制。

楊樹杰表示：“我們所研究的諧波聲鑷技術(shù)，可將粒子的操控空間分辨率做到亞波長精度。從精度的角度來講，這要比當前的調(diào)節(jié)相位和移動換能器這兩種技術(shù)先進很多，實現(xiàn)更高精度及高效的操控是我們的一大技術(shù)亮點?！?/p>

該團隊提出的HANDS平臺技術(shù)，不僅能夠選擇性地操控某一對粒子，而且可以操控一個陣列，即同時實現(xiàn)100多對細胞的操控。更重要的是，該團隊采用一種非接觸的聲學(xué)操縱方式，類似于磁懸浮，可在液體里面操縱這些粒子和細胞。

具體來說，HANDS平臺基于微流體技術(shù)構(gòu)建而成， 本質(zhì)是微流體和聲學(xué)的交叉技術(shù)，可以對流體中的粒子和細胞進行高通量的精準操控。如在HANDS平臺器件中，先把粒子或者細胞導(dǎo)入懸浮液中，通過諧波聲鑷的控制，可以實現(xiàn)單細胞的排列，然后更進一步地進行配對及分離操控。

總之，HANDS平臺通過微流體和聲學(xué)技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)對單細胞精密的控制，成功讓100多對細胞實現(xiàn)可逆配對和分離。

關(guān)于如何解決膠體物質(zhì)的精確組裝、可逆的胞間配對和分離等問題，該研究成果也有提及，目前有兩種方法。第一種方法，聲換能器相控陣技術(shù);第二種方法，聲全息技術(shù)。

然而，這兩種方法都有一個局限性。由于當前微納加工技術(shù)的限制，這兩種技術(shù)只能實現(xiàn)毫米級別的粒子操控。黃俊團隊認為，“當前這兩種技術(shù)的控制精度，沒辦法做到微米甚至納米級的單細胞精準操控。

黃俊表示：“我們此次研究成果，主要探討微米甚至納米量級空間分辨率的操控。我們實現(xiàn)了顆粒以及單細胞的操縱，它們基本在2微米～10微米這種量級，我們的這個操縱精度比超聲換能相控陣列和聲全息技術(shù)的精度高1000倍左右。”

在生物力學(xué)或者是生物物理研究領(lǐng)域，科學(xué)家廣泛應(yīng)用原子力顯微鏡探針平臺來分析單細胞及其蛋白、DNA分子的力學(xué)特性。然而原子力顯微鏡探針平臺僅能同時檢測一對細胞。

例如，科學(xué)家首先需要在襯底上粘一個細胞，然后用這個探針再捕獲一個細胞，讓它們接觸、分開并重復(fù)這種配對分離測試，來研究細胞及其分子的生物力學(xué)特性。通過對病毒與細胞的力學(xué)特性分析，可以深入研究病毒跟細胞的結(jié)合、侵入物理機理。所以，可以重復(fù)的接觸和分離在細胞力學(xué)上是具有十分重要的意義。

楊樹杰表示：“我們提供的HANDS平臺可以實現(xiàn)1000多次的細胞間接觸和分離，證明諧波聲鑷平臺的穩(wěn)定性，為生物力學(xué)的科研團隊提供一個全新的工具。”

譬如，像探針這樣的平臺只能做一對細胞的配對的分離，如果重復(fù)做1000多次會出現(xiàn)很多問題，比如在配置的過程中，這些膠質(zhì)體會對細胞產(chǎn)生一定的影響，而且有可能出現(xiàn)細胞脫落或者細胞損傷。

而該團隊所提出的HANDS平臺不僅可以做一對細胞的配對和分離，還可以對上百對細胞進行配對和分離操控。

“ 臺上1分鐘， 臺下10年功”，這句話在科學(xué)家的身上同樣適用。該論文成功發(fā)表的背后，傾注了楊樹杰很大的心血，六年來，他一直在做HANDS平臺有關(guān)的研究，也遇到過許多科研方面的挑戰(zhàn)，在其導(dǎo)師黃俊教授的支持和指導(dǎo)下，反復(fù)試錯不斷地改進實驗方法。

楊樹杰認為，“挑戰(zhàn)，是大多數(shù)科研工作者的必經(jīng)之路，在困難面前信心與堅持尤為重要”，他進一步表示：“興趣是我做科研的最大驅(qū)動力，從當初僅有一個科研的想法，然后看到自己的研究項目完成了從0 ～ 1的突破，這是最具成就感的?！?/p>

該團隊將HANDS平臺的演示過程，形象地比喻為單細胞的“和聲二重奏”，相比于傳統(tǒng)的聲電技術(shù)，通過多個諧波技術(shù)來實現(xiàn)這種控制。

這種非接觸的聲學(xué)操控就像人手一樣輕柔， 由于手的英文首字母是H，對應(yīng)諧波的英文首字母，故該團隊將他們開發(fā)的諧波聲鑷平臺命名為“HANDS”。

值得關(guān)注的是，HANDS平臺技術(shù)應(yīng)用范圍也非常廣泛，比如可以在應(yīng)用材料領(lǐng)域，對膠體晶體進行生產(chǎn)制作，對非接觸聲學(xué)操控技術(shù)方面的膠體顆粒組裝機理研究也大有幫助;在醫(yī)療領(lǐng)域，能夠去篩選藥物或者免疫細胞解決部分抗癌問題。

未來，該團隊將繼續(xù)專注聲學(xué)鑷子相關(guān)項目的研究，進一步服務(wù)于各種各樣的領(lǐng)域，如材料科學(xué)、軟凝聚態(tài)物理、生物物理學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)等。