微型尖銳結構在聲場激勵下實現聲流體芯片上非接觸、無損傷細胞搬運及三維旋轉操作

北京航空航天大學機械工程及自動化學院馮林教授課題組學生宋斌，近日在國際期刊《Biomicrofluidics》發表了一篇文章“On-chiprotational manipulation of microbeads and oocytes using acoustic microstreaming generated by oscillating asymmetrical microstructures”。研究人員在實驗過程中使用了深圳摩方材料科技有限公司微尺度3D打印設備S140，該設備具有10um精度的分辨率，94*52*45mm大小的三維加工尺寸。基於該設備加工了尖銳側邊和尖銳底面微結構，通過PDMS二次倒模並與玻璃基底鍵合形成聲流體芯片。該聲流體芯片通過正弦信號激勵壓電換能器振動，從而帶動芯片內微結構振動，並在其周圍產生局部微聲流，最終實現卵細胞的三維旋轉。該研究在細胞三維觀測、細胞分析及細胞微手術方面有重大研究意義。

（a）圖中聲流道長度15mm, 深度250μm，最小寬度200 μm。槽道內分佈著對稱的尖銳結構和斜坡陡坎結構：尖銳結構頂角20°，高度250 μm；斜坡陡坎斜角28°，高度80 μm。
聲流體芯片製備工藝如上圖所示，先通過深圳摩方（BMF）10μm精度的微立體光固化3D打印機S140打印出微米級別的尖銳側邊和尖銳底面微結構(最小尖端20°)，再倒模出純PDMS模具，然後經表面處理之後二次倒模獲得的PDMS尖銳側邊和尖銳底面微結構。最後把PDMS二次倒模的結構與玻璃基底鍵合形成聲流體芯片。

本研究聲流體芯片的實驗操作系統如上圖a所示，主要觀測系統和驅動系統兩部分組成。上圖b展示了聲流體芯片的概念圖，由受正弦信號激勵的壓電換能器振動，帶動尖銳側邊和尖銳底面微結構振動，從而在相應的微結構周圍產生微漩渦（如上圖c所示）。在由微漩渦產生的扭矩作用下，最終實現了細胞的三維旋轉。對應的微流道及微結構尺寸如上圖df所示。
細胞三維旋轉作為一項基本的細胞微手術技術，在單細胞分析等領域有著重大科學意義和工程意義。本文提出了一種基於聲波驅動微結構振動誘導產生微聲流以實現細胞搬運及三維旋轉的簡單有效的方法。細胞旋轉的方向和轉速均可以通過施加不同頻率和電壓來實現。本研究以單細胞為操作對象，以微流控芯片為手段，以高通量全自動化多功能微操作為目標，為促進我國在微操作技術領域的發展以及生物醫學工程交叉學科的革新，進一步為加強我國微納製造水平提供系統性方法。