北理工“末端實驗室”登《PNAS》：實現聲流驅動的多功能微操作

微流控技術的核心是在微米尺度下實現流體的精準操控。該技術為相關研究提供了高效、低耗的技術支撐，在化學合成、生物研究、疾病診斷等領域具有重要應用價值。從技術發展來看，微流控系統主要分為兩類：一類是“芯片實驗室（Lab on a Chip, LoC）”，通過在微小芯片上刻蝕微通道實現流體操控與多步驟實驗集成，但其封閉環境導致樣品可及性差，制造成本較高，且樣品的加載與卸載需專業操作技能；另一類是開放式微流控裝置，雖解決了封閉系統的可及性問題，卻難以實現穩定的連續流泵送，因此在完成復雜、多步驟的實驗流程方面存在局限。

長期以來，科研領域面臨一項核心挑戰：如何在保持開放易操作特性的前提下，實現穩定可控的連續流泵送與多步驟集成操作。這一問題成為制約微流控技術在主流科研場景中的普及應用，而一項基于生物啟發的創新設計，正為破解這一難題提供了突破性思路。

近日，北京理工大學劉曉明教授團隊在《PNAS》期刊上在線發表了題為“Lab on an end: Micromanipulation using the acoustohydrodynamic pillar array as an end effector”的論著。該研究受到纖毛結構協同運動特點的啟發，設計了一種名為“Lab on an End（LoE，末端實驗室）”的聲學流體微柱陣列裝置，實現了微流體開放環境與時空連續流體操控的兼容，展現出對微尺度顆粒、生物目標及液體的跨尺度、多功能、靈活操縱能力。

首先，團隊利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D 打印技術（nanoArch? P140，精度：10 μm）制造了梳狀末端執行器。在超聲換能器的驅動下，末端執行器附近將產生聲場和局部聲流體現象。通過調制輸入信號的頻率和幅值，可使聲流體呈現面內傳送流、面外旋轉流以及基于聲輻射力的捕獲三種效應，進而實現對微目標的捕獲、平移、旋轉和雙向輸送等功能，操作目標涵蓋數微米的 HeLa 細胞至毫米尺度的斑馬魚幼苗。此外，3D打印梳狀末端的表面會產生較大毛細力，因此還能牽引液滴在疏水表面移動。

圖1. LoE的工作原理。

為驗證 LoE 操縱個體目標的能力，研究人員通過粒子示蹤驗證了上述三種聲學作用效應（圖 2A-2C），并進一步利用100 μm大小的聚苯乙烯（PS）顆粒驗證了其對目標的捕獲、平移、旋轉及雙向輸送能力（圖 2D-2G）。相較于其他末端執行器，LoE 還具備并行操縱能力，研究人員展示了通過同時操縱多個目標，將分散粒子排列為 “BIT” 圖案的能力（圖 2H）。

圖2. 個體微粒的微操縱。

在個體微粒操縱的基礎上，研究人員進一步探索了 LoE 在不同生物醫學、化學研究領域的應用。

第一，研究人員利用 LoE 完成了 “端到端” 輔助生殖體外細胞操縱流程。首先，利用 LoE 的捕獲功能捕獲散落各處的卵母細胞，并將其排列為一行（圖 3B）；其次，通過 LoE 的面內連續傳送流將捕獲的卵母細胞輸送至操縱窗口，并將顯微鏡視野聚焦于窗口內（圖 3C）；最后，借助 LoE 的面外連續旋轉流調整操縱窗口內卵母細胞的姿態，對其進行觀察與重新定向（圖 3D）。經重新定向的卵母細胞在胞漿內精子注射后可繼續發育為胚胎（圖 3E）；胚胎發育過程中，可通過 LoE 持續觀察其不同時期的狀態，并借助顯微視覺三維重建技術評估胚胎發育質量（圖 3F-3G）。上述多步復雜操作均可通過同一個末端執行器完成，體現了其利用 “時空連續流” 進行復雜多步驟處理的能力。

圖3. “端到端”輔助生殖體外細胞操縱。

第二，研究人員利用 LoE 開展了秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的形態學表征研究。末端執行器陣列在不同末端單元位置可產生穩定一致的時間連續流，確保了線蟲等大長徑比目標的穩定旋轉與輸送。研究人員還提出了一種線蟲局部共聚焦成像技術：通過 LoE 調整線蟲的位置與姿態，從不同角度對線蟲不同部位進行高精度成像，從而避免層析熒光信息受到不同平面熒光信號疊加的干擾（圖 4）。

圖4. 秀麗隱桿線蟲形態學表征。

第三，研究人員證實了 LoE 在液體操作中的優勢。與其他開放微流體平臺類似，LoE 可在疏水表面或油相介質中實現對水滴的穩定捕獲與運輸（圖 5A）。與其他設備不同的是，LoE 還能在聲流體作用下加速微尺度黏性流體的混合及固體顆粒物的溶解過程，有效解決了低雷諾數流體高濃度界面難以擴散的問題（圖 5B-5C）。研究人員還設計了 LoE 促進化學反應的實驗場景，尤其在傳統 LoC 芯片難以處理的含沉淀或氣體生成的化學反應中，LoE 展現出顯著優勢（圖 5D）。通過預編程設置，LoE 還能模擬微流體的 “序列化處理” 能力，執行多步驟復雜化學反應。

圖5. 液滴操縱和加速化學傳質。

此外，研究人員還驗證了 LoE 在單細胞及多細胞操作中的能力。研究選取生命科學領域經典的 HeLa 細胞系，首先證實了其對單細胞的捕獲、轉運、旋轉等操縱能力（圖 6A）。此外，LoE 還可作為高通量操縱工具，實現 HeLa 細胞的聚集成團（圖 6B），并具備細胞轉染及藥物遞送等功能（圖 6C-6D）。

圖6. 單細胞操縱、細胞成團、細胞轉染操縱。

總結：LoE 首次實現了 “開放易操作” 與 “連續流多步驟處理” 的兼顧 —— 既具備開放式裝置靈活便捷、成本低廉、上手快速的特點，又能像芯片實驗室一樣完成復雜實驗。該裝置無需專業操作技能，適用于普通實驗室，有望推動微流控技術在化學合成、生物研究、輔助生殖等領域的普及，為相關科研提供高效實用的工具，助力相關領域取得研究突破。

https://doi.org/10.1073/pnas.2505479122

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