Nat. Commun.：杜克大学研究团队研发“声流驱动多相颗粒嵌入平台”，实现固体颗粒的油-水跨相操控

声流驱动多相颗粒嵌入系统：突破液滴注入技术的系统性瓶颈

在液滴微流控系统中，液滴注入技术作为实现微环境动态调控的关键手段，对复杂生化反应研究、人工细胞构建及生物合成等领域具有重要价值。然而当前技术仍面临固体物质跨油水两相动态输运的关键瓶颈：

当前技术亟需无需预处理的直接固体颗粒注入方案。此研究开发的声流驱动微颗粒嵌入平台，成功克服了跨相交互的限制，通过声波突破性地实现了多相操控与跨相运输。该平台通过声波与油水二相体系的耦合，在油水界面构建声学压力阱，驱动微米颗粒定向迁移进入液滴。这种方式突破固体颗粒嵌入的载体（如微液滴）依赖性，使声场力直接作用在固体颗粒上。因此，无论嵌入前后，声场均可对颗粒实现全周期的调控，为药物精准递送与按需释放提供了重要应用价值。

图1 声流驱动多相颗粒嵌入系统操作流程与固体嵌入机制示意图。（a）操作流程：将含有FC-40液滴的水相体系与悬浮于FC-40油相中的~15 μm微粒共同注入声流控频率关联微球嵌入（FAME）芯片。随后，聚焦式叉指换能器激发表面声波（SAW）脉冲，将微粒嵌入目标液滴。侧视与俯视图展示了FAME系统的微流道结构，顶部设计有液滴捕获孔阵列。（b）图示系统的核心结构及双模式嵌入机制。两种SAW频率（150 MHz与10 MHz）分别驱动微粒主动嵌入模式（左图）与液滴主动包裹模式（右图）。液滴表面红蓝渐变色阶表征行波的波峰（红）与波谷（蓝）动态分布。

创新技术：超声表面波与油水二相体系耦合

该工作深入探索了超声表面波在油水多相体系及界面的声场分布形式，揭示了颗粒嵌入的基本机理。并基于理论模型建立了高低频声波双模态驱动，实现颗粒嵌入（高频）与液滴包裹（低频）两种跨相运输机制，为人工细胞系统、药物投递、多步骤生化反应等生物医学微系统的应用开辟了新路径。研究团队实现了以下关键技术突破：

图2 声流驱动多相颗粒嵌入系统双模式机制数值模拟与实验验证。（a）液滴主动包裹机制。（i）机理分步解析：步骤1：微颗粒（橙色）在声压场(p_in)驱动下受F_P作用向液滴（天蓝色）运动并发生小面积挤压；步骤2：毛细力(F­_S)沿x轴的分量驱动微颗粒沿液滴表面滚动；步骤3：微颗粒在液滴尾缘被捕获，受F_S作用防止颗粒脱离，变形液滴产生的曳力（F­_W）将微颗粒拉入内部。(ii)声压场分布数值模拟：各阶段声学作用力（红色箭头）的分布特征。（b）颗粒主动嵌入机制。（i）机理分步解析：步骤1：与前一模式步骤1相同；步骤2：F_P持续作用对抗维持表面连续的F_S；步骤3：当F_P >> F_S（y轴分量）时，微粒突破毛细阻力侵入液滴。(ii) 声压场分布数值模拟：各阶段声学作用力的动态演化。（c）液滴主动包裹过程显微时序图。（d）颗粒主动嵌入过程图。比例尺：25 μm。

实验应用：声波驱动凝胶微球的动态嵌入和可控释放

研究团队开发了功能性凝胶微球，并使用声波驱动成功实现了微球的嵌入、声控解聚和嵌入后分子富集，验证了声波驱动多相颗粒嵌入芯片的多相操控和跨相运输能力：

琼脂糖凝胶微球的动态嵌入和声控解聚：

成功将10微米级别的琼脂糖（Agarose）微球在100毫秒内嵌入水相微液滴。通过继续施加声脉冲的方式，使琼脂糖在7秒内实现溶胀破裂，并将承载的纳米粒子或荧光分子释放。

图3 声流驱动多相颗粒嵌入平台实现功能化水凝胶微球动态嵌入与操控。（a）左侧：FITC标记琼脂糖微球嵌入液滴实现分子释放。右侧：立体复合PEG-PLA微球用于FITC分子捕获。（b）琼脂糖微球嵌入液滴及声波驱动微球溶胀破裂的显微动态过程。（c）声波脉冲循环次数与液滴内琼脂糖微球尺寸增长关系。（d）立体复合PEG-PLA微球的嵌入后分子捕获效能验证。嵌入前后的明场/荧光对比图像。比例尺：25 μm。

构建新一代生物医学微系统液滴声流控平台

未来，这项技术有望应用于以下领域：

生物/化学微反应器：以微液滴为反应器单元，通过声波驱动载有反应物、催化剂或抑制剂的颗粒嵌入液滴开启、催化或终止反应，实现精准、高效反应动态调节。

声流驱动多相颗粒嵌入平台的核心优势在于其开辟了液滴注入技术的全新研究路径，聚焦油水二相系统的跨相操控机制，突破了油水界面的障壁。此项技术为基于微液滴芯片的片上化学微反应、合成生物学研究、单细胞药物投递研究等提供了一种更加可靠、精准的方案，具有广泛的应用前景。该研究由Ruoyu Zhong、Xianchen Xu和Gianna Tutoni等共同作者完成，通讯作者为Tony Jun Huang（杜克大学）。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59146-x