可自主伸缩的声学虚拟微流控技术

生物纳米颗粒是指粒径范围为 1-1000 纳米的生物微粒群（如细胞外泌体、病毒、脂质体等等）。由于其尺寸小，可以长期在其内循环并且透过生物屏障。一方面可以作为体外诊断的标志物，用于某些特定疾病和癌症的无创早期诊断；一方面可以作为药物和疫苗的载体，在体内递送药物，在细胞间进行物质运输，调控细胞功能等。然而，天然存在的生物纳米颗粒容易受到复杂背景的干扰，影响其功能的发挥。因此，对生物纳米颗粒物的提纯和分离是开展相关应用研究的重要基础。传统的超速离心、尺寸排阻色谱等实验室分离方法存在样本损失量大、回收率低、纯度不够高等问题。

近年来，通过精准设计微结构和引入外源力场，微流控技术已成为分离和富集具有统一性质(如大小、形状、电荷)的纳米颗粒群体的重要工具。尽管其展现出较好的通用性和可扩展性，但是由于生物纳米颗粒物尺寸小，与背景溶液密度相近，膜结构柔性脆弱，在真实样本中浓度范围宽、堵塞等问题，对操控技术的操控能力、生物兼容性和负载容量都提出了很高的要求，限制了微流控技术在生命科学相关领域的应用和推广。近日，天津大学微纳机电系统实验室段学欣教授团队开发了一种具备自适应性、可自主伸缩的微流体技术，通过将图形化的高频声波引入传统微流道中，成功解决了这一难题，实现了对尺寸低至30纳米的生物颗粒物的操控（富集、分离等）。相关研究成果发表在交叉科学领域旗舰杂志《科学•进展》（Science Advances）上，该项研究同时得到了天津医科大学肿瘤医院任秀宝教授团队的协助。

这种将声波耦合进微流控芯片中实现操控的技术，称为声流控（Acoustofluidics）技术。其在高度限制的微环境中产生强大的声波场和声流体实现对粒子/流体的驱动，具备力场温和、非接触、无需预先标记等特点，是一种理想的生化颗粒物操控技术。但是，声辐射力与颗粒直径3次方成正比，因此颗粒尺寸越小，操控越困难，随着粒子尺寸缩小至百纳米水平，声波驱动的主导地位将会被流体拖拽所取代，导致性能的快速劣化，这限制了声流控技术在纳米颗粒物操控中的应用。

天津大学微纳机电实验室开发的虚拟微通道技术弥补了声流控技术在纳米尺度生物粒子操控的不足。该系统由特殊形状设计的MEMS千兆赫兹（即109 Hz）体声波谐振器与微流道集成设计而成（图1）。每秒钟振动十亿次以上的声波通过微型的声学器件按照一定的方向和几何形状直接耦合进流体中，高效的声波导入引发沿着器件边界分布的高速旋转的微尺度涡旋（速度可达米每秒量级），相互连接的高速声流体涡旋组成了两条对称的虚拟通道。纳米粒子在高速流体产生的拖拽力驱动下被卷入虚拟隧道中，通过与层流的配合，在虚拟流体动力学管壁的限制下完成聚焦、迁移和释放（图1C）。同时，利用不同大小的纳米颗粒在虚拟隧道中稳定性的差异，该方法可以实现对混合纳米颗粒的连续式分离。该方法具有处理通量高、自动化处理的优势，突破了传统声流体技术在连续式纳米生物颗粒浓缩及分离上的尺寸限制。

图1. A) 虚拟微通道技术概念图。B) GHz体声波谐振器与微流道实物图。C) 荧光纳米粒子在虚拟微通道中聚焦、偏转和释放。

该文通过有限元仿真配合模型颗粒物实验，详细讨论了高频声流体效应产生虚拟微流体隧道的原理，底层声学器件设计过程及晶圆级制造工艺。表征了高频声波在流体中的行为，纳米颗粒在进入虚拟隧道前、隧道中及离开隧道的流体行为等。系统研究了声学器件形状、器件振动频率、声波功率、层流速度、微流道结构等对纳米粒子操纵稳定性的影响。独特的振动模式和对虚拟通道的连续性设计打破了经典声流操控中声流涡旋与侧向流之间竞争关系，从而提升了操控性能。通过系统优化，实现了对低至150 nm颗粒的连续式聚焦筛分和对30 nm颗粒的原位富集。

相比于滤膜或其他微结构的操控方法，这种由流体和声波组成的虚拟通道由于没有实际的物理流道管壁，极大避免了传统微流道中样本堵塞的问题。另外，本研究发现，面对不同浓度样品时，虚拟通道会根据通道内粒子相互作用的强度“自主的”扩张或收缩，这种特性被称作“自适应”性。自适应性为该技术带来了极好的样本负载能力和聚焦能力。面对高浓度样品时，虚拟通道的内径（inner diameter, ID）会带来至多36倍的载量提高（图2左）；当面对低浓度样品是，内径收缩至约8微米以获得最佳的富集倍数（图2右）。论文详细分析了隧道自适应性产生的原因和适用范围及其对不同颗粒物的浓缩、分离能力。

图2. 自适应性（左）与原位富集效率（右）表征。

最后，作者通过对未稀释临床血浆样本中外泌体的纯化，验证了该技术在复杂生物样品中工作稳定性及生物兼容性。由于该微尺度声学器件与传统半导体CMOS工艺完全兼容，虚拟通道技术兼具声学操控的主动灵活和流体动力学操控的温和高效的优势，对复杂未知样本的兼容性为开发自动化的外泌体处理装置奠定了良好的技术基础。具备自适应能力的声流体虚拟微通道技术作为一种通用的操控工具，有望快速应用在生物及医学样品自动化处理、药物载体制备和体外诊断等行业中。

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