傳統(tǒng)微流控芯片因其低成本、高效性和靈活性，已廣泛應用于腫瘤篩查、DNA擴增和病毒檢測等生物醫(yī)學領域。然而，這種傳統(tǒng)設計在尺寸受限、單一功能性以及微結(jié)構(gòu)調(diào)控靈活性等方面存在局限性，使其在實際應用中面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，不可預測的流體動力學行為顯著限制了其在被動操控技術(shù)中的精度和效率。主動操控技術(shù)，尤其是聲學操控，為克服這些限制提供了新思路。聲學操控主要分為表面聲波（SAW）和體聲波（BAW）兩種方式。SAW以其高頻特性，能夠?qū)崿F(xiàn)高度精準的局部操控，但操作范圍有限且設備成本較高；而BAW則憑借其低頻傳播和深度穿透能力適合處理大體積樣本，但在精確定位和靈活操控方面表現(xiàn)不足。

近年來，低頻超聲與微結(jié)構(gòu)結(jié)合的創(chuàng)新手段成為研究熱點。其中，微氣泡因其特別的共振特性，在局部操控中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和效率。然而，現(xiàn)有微氣泡系統(tǒng)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如體積不穩(wěn)定性、振動方向隨機性以及加工成本高昂等。此外，在多細胞類型分離方面，傳統(tǒng)微流體分離芯片通常只能處理兩種細胞類型，難以滿足實際需求。因此，需要開發(fā)一種具有更高穩(wěn)定性、可控性和選擇性的微氣泡系統(tǒng)，以滿足精確、靈活和高效操控的需求。

基于此，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院王光輝教授課題組設計開發(fā)了一種基于3D打印技術(shù)的嵌入式微氣泡聲學超表面，突破性實現(xiàn)了對聲頻的選擇性操控。相關研究成果以“3D-printed Acoustic Metasurface with Encapsulated Micro-air-bubbles for Frequency-Selective Manipulation"為題發(fā)表在期刊《Lab on a chip》上。南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院博士研究生冀苗苗為本文第一作者，王光輝教授和張秀娟副教授為共同通訊作者，盧明輝教授參與合作研究。

該聲學超表面采用摩方精密microArch® S240 （精度：10 μm）3D 打印系統(tǒng)制備，通過在直徑和高度方向上的精準控制，實現(xiàn)了多種尺寸微孔結(jié)構(gòu)的加工，從而為頻率選擇性設計提供了高度靈活性。研究團隊使用20 μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜對微孔結(jié)構(gòu)表面進行封裝，創(chuàng)新性地開發(fā)出一種人造微氣泡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對微孔尺寸及其振動模態(tài)的精準調(diào)控。在單孔模式下，該系統(tǒng)能夠精確操控粒子或細胞，包括模式1：聚集、模式2：旋轉(zhuǎn)和模式3：傳輸；在陣列模式下，可實現(xiàn)對運動軌跡的選擇性調(diào)控。此研究開發(fā)了一種通過調(diào)節(jié)聲頻實現(xiàn)高精度和高靈活性微尺度操控的創(chuàng)新平臺。

圖1. 裝置的示意圖及操控效果。(a) 設備示意圖，插圖顯示封裝微氣泡的膨脹和收縮過程。(b) 單孔模式操控效果示意：聚集、旋轉(zhuǎn)和分離。(c) 多孔模式操控機理示意：微氣泡陣列超表面在不同激勵頻率下的響應。(d) 多孔模式操控效果示意：直線和曲線的受控軌跡傳輸。

首先，通過仿真建模揭示了振動特性，發(fā)現(xiàn)振動模態(tài)和頻率偏離對粒子行為具有顯著影響，為頻率選擇性設計提供了理論支撐。結(jié)果表明，在共振頻率即模式1下，薄膜的振動最高點位于中心，且振幅最大。此時，20 μm 聚苯乙烯（PS ）粒子在聲輻射力的作用下向中心聚集并保持穩(wěn)定，未發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當偏離共振頻率（±1 kHz）即模式2時，薄膜的最大振動位置從中心向邊緣移動。盡管振幅仍較大，但由于偏離共振條件下聲輻射力減弱，聲流力相對增強，但未占主導地位。此時，20 μm PS 粒子被推向非中心區(qū)域，并在聲流梯度作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當偏離共振頻率（±2 kHz）即模式3時，氣泡與薄膜之間的耦合效應顯著減弱，導致聲輻射力大幅下降，薄膜振幅明顯減小，最大振動位置繼續(xù)向邊緣移動。與此同時，聲波能量更多地傳遞到流體中，使得聲流力占主導地位，從而促使20 μm PS 粒子沿薄膜表面?zhèn)鬏敗?/p>

圖2. 單孔振動結(jié)構(gòu)的理論模型和模擬結(jié)果。 (a) 圖 1a 中插圖的模擬模型示意圖。(b) L = 135 μm 時的位移-頻率關系。振動結(jié)構(gòu)在 35.4 kHz（一階模式）和 66.8 kHz（二階模式）處呈現(xiàn)出兩個顯著的共振。(c) fR 為設計封裝微泡的模擬結(jié)果， fB 為與設計封裝微泡體積相同的傳統(tǒng)微泡的理論計算結(jié)果。(d) 三種操作模式下 20 μm PS 粒子受力、流線、位移和 聲輻射勢U 的示意圖。(e) 三種操縱模式下的流線模擬結(jié)果。(f) 和 (g) 為三種操縱模式下振動位移和 聲輻射勢的模擬結(jié)果。

然后，利用多普勒激光測振儀驗證了薄膜的振動特性。在 36 kHz 共振頻率下，薄膜的最大位移位于中心，振幅達到峰值；當頻率調(diào)整至 35 kHz 和 37 kHz 時，最大位移偏離中心，振幅有所降低；而在 34 kHz 和 38 kHz 時，振幅進一步減小，最大位移位置顯著偏離中心。x-y 平面的振動測試結(jié)果也驗證了這一規(guī)律。此外，針對單孔振動結(jié)構(gòu)對 20 μm PS 粒子的操控實驗表明，在 36 kHz 激勵下，粒子被捕獲于薄膜中心；當頻率調(diào)整至 35 kHz 和 37 kHz 時，粒子捕獲位置偏離中心；而在 34 kHz 和 38 kHz 時，粒子實現(xiàn)傳輸。粒子的捕獲位置與薄膜的最大位移及低聲輻射勢一致，實驗結(jié)果與模擬預測高度吻合。

圖3. 薄膜振動測試和 20 μm PS 粒子操作結(jié)果。(a) 36 kHz 下的薄膜振動測試結(jié)果。(b) 不同頻率下 x-z 截面的振動位移曲線。(c) 不同頻率下 x-y 截面的薄膜振動測試結(jié)果，以及20 μm PS 粒子操作。

隨后，對振動引發(fā)的聲流進行了測試與驗證，結(jié)果與先前的分析一致。在模式1下實現(xiàn)了粒子的自組裝，為納米材料制造提供了潛在解決方案。此外，研究表明，進一步減小微孔尺寸以提高共振頻率，有望捕獲更小尺寸的粒子或細胞，例如紅細胞。這表明該裝置不僅適用于本文所提到的應用，還具備更廣泛的生物和材料富集潛力。

圖4. 顆粒測試和分析結(jié)果。(a)-(c) 分別顯示模式1、模式2 和模式3 的流線結(jié)果。(d) 在模式1下實現(xiàn)的粒子自組裝。(e) 臨界粒子尺寸的計算和實驗結(jié)果。

在生物場景測試中，成功實現(xiàn)了對小鼠胚胎成纖維細胞（3T3-L1）的聚集、旋轉(zhuǎn)和傳輸。在模式1下，還成功實現(xiàn)了輪蟲的中心聚集，展示了振動結(jié)構(gòu)對自由運動生物體的有效操控能力。通過三種模態(tài)下的生物場景實驗，驗證了該技術(shù)在精確操作和處理活細胞及生物體方面的有效性。

圖5. 生物樣本在三種模式下的測試結(jié)果。(a) 模式1 ：3T3-L1 細胞聚集。(b) 模式 1：輪蟲聚集。(c) 模式2：3T3-L1 細胞面外旋轉(zhuǎn)。(d) 模式3 中：3T3-L1 細胞分離。

基于單孔設計，研究團隊進一步開發(fā)了陣列式多孔結(jié)構(gòu)，并在模擬振動分析后進行了粒子傳輸測試。測試結(jié)果表明，通過利用微泡的特征頻率，可以實現(xiàn)粒子在微泡上方的選擇性傳輸。在 9 kHz 的低頻激勵下，粒子沿聲波傳播方向移動，形成線性傳輸路徑。該結(jié)果驗證了不同頻率下微泡結(jié)構(gòu)對粒子操控行為的顯著差異（圖6）。

圖6. 微泡陣列超表面的模擬和粒子測試結(jié)果。(a)共振頻率模擬。(b) 微氣泡陣列超表面的特征頻率模擬結(jié)果及 20 μm PS 粒子在特定頻率下的相應軌跡。(c) 20 μm PS 粒子在 33 kHz 激發(fā)頻率下的運動速度曲線。(d) 9 kHz激勵頻率下20 μm PS 粒子的模擬結(jié)果和運動軌跡。

最后，對微泡陣列操縱細胞的能力和細胞完整性進行驗證。結(jié)果表明，該裝置對細胞活性無明顯影響，且操作過程溫升始終控制在生理可接受范圍內(nèi)，表現(xiàn)出良好的生物相容性。操作后5分鐘，染色結(jié)果顯示細胞活性仍保持為 95.4%。在 6 分鐘的操作過程中，樣品室采樣點的最大溫升不超過 1°C，從而排除了溫度變化對細胞操作和活力驗證結(jié)果的潛在影響。

圖7. 細胞運動軌跡操作和活動測試。(a) HUVECs 在 9 kHz 頻率下的運動軌跡操作。(b) HUVECs 在 37 kHz 頻率下的運動軌跡操作。(c) 在不同的激發(fā)信號應用時間（5 分鐘、10 分鐘、15 分鐘、20 分鐘）下評估細胞活性。(d）5 分鐘處理后的細胞染色結(jié)果。

圖8. 溫度測試示意圖和結(jié)果。(a) 溫度測試的取樣點。(b) 不同激勵頻率和電壓下的溫度變化（ΔT）。(c)-(e) 分別為激勵頻率為 36 kHz 時不同電壓下采樣點的溫度變化曲線。

總結(jié)：該研究創(chuàng)新性地結(jié)合3D打印技術(shù)與聲學操控，開發(fā)出基于微氣泡的高靈活性聲學超表面，為頻率可調(diào)的操控提供了新思路。該系統(tǒng)在多細胞類型分離、局部精準操控以及靈活性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。這一創(chuàng)新為開發(fā)更高穩(wěn)定性、可控性和選擇性的聲學操控系統(tǒng)奠定了基礎，為實際應用中的高效操控需求提供了潛在解決方案。通過調(diào)控陣列耦合結(jié)構(gòu)與激勵頻率，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)精準的多模態(tài)樣本處理，為生物醫(yī)學與藥物篩選等領域的復雜操作需求提供了新路徑，同時展示了與智能算法結(jié)合的廣闊應用前景。