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导读
声镊是基于声波的一种非接触式镊子。通过动态调制声波的强度和相位分布，声镊可实现多模式、实时、高精度的粒子操纵，例如三维粒子移动、粒子旋转和粒子聚集。此外，因声镊具有高生物兼容性的优点，该技术在操纵多尺度生物粒子方面受到广泛关注，如分离纳米尺度外泌体，打印微米尺度细胞，以及旋转毫米尺度斑马鱼幼体。然而，目前的声镊技术仍高度依赖于复杂的微流体平台，极大的阻碍了声镊技术的广泛应用。最近，杜克大学黄俊教授团队开发了一系列可精准操纵培养皿中生物粒子的多功能声镊技术，并将它们用于高精度移动及排列细胞、聚集微粒子、构建三维生物组织、刺激细胞以产生钙离子信号以及定点裂解细胞。该工作弥补了以往声镊技术的不足，且在细胞生物学、组织工程、再生医学等方面具有广泛的应用前景。该工作以Generating multifunctional acoustic tweezers in Petri dishes for contactless, precise manipulation of bioparticles为题，于2020年9月9号发表在Science Advances上。
该工作提出了三种在培养皿中建立多功能声镊的设计方法。第一种设计利用超声体波压电换能器阵列在培养皿内液体中建立空间周期性分布的驻波节点阵列 （图1）。因节点处Gor'kov 势能较低，液体内细胞会被移动至节点处，进而形成预定的细胞阵列。通过改变压电换能器阵列的空间分布以及激励信号电压与相位，驻波节点位置和分布得以调控，进而移动细胞或建立不同形态的细胞阵列。此外，该声镊技术可用于构建不同形态的生物组织，例如由纤维细胞构成的网络状、笼状以及束状纤维组织（图1）。
第二种设计利用斜入射体波或者漏声表面波在圆形培养皿内液体中建立非对称能量分布，进而引起培养皿内流体的切向速度及三维涡旋（图2）。该涡旋可逐渐将分散在培养皿中的微尺度粒子聚集在涡眼处。该粒子聚集功能可用于荧光信号增强及三维细胞团的构建。
为实现第三种设计，该工作提出一种高频全息声镊技术。通过把复杂的相位信息编入叉指换能器的电极结构中，该技术可构建高频高精度三维全息声场，如三维聚焦声束和涡旋声束（图3）。与先前的声全息技术相比，该技术可构建十兆赫兹及以上的全息声场。该技术可用于精准的刺激单个细胞以及裂解指定位置处的细胞（图4）。
图1. (A) 基于超声体波压电换能器阵列的声镊设计示意图。(B, C, 及D) 基于声镊技术构建的由纤维细胞组成的网络状、笼状以及束状纤维组织。
图2. (A) 基于声流涡旋的声镊设计示意图。(B, C, 及D) 时序照片显示分散在培养皿中的微粒子逐渐被声流涡旋聚集在涡眼处。
图3. (A) 用于激发高频聚焦声束的叉指换能器示意图。(B) 有限元模拟得到的聚焦声束相位及强度云图。(C) 用于激发高频涡旋声束的叉指换能器示意图。(D) 有限元模拟得到的涡旋声束相位及强度云图。
图4. (A, B, 及C) 时序照片显示指定位置处(红圈内)的细胞被迅速裂解。(D到H) 时序强度图显示声刺激引起的瞬时胞内钙离子浓度变化。
该工作提出了一系列可精准操纵培养皿中生物粒子的多功能声镊技术，并将它们用于高精度移动及排列细胞、微粒子聚集、构建多形貌（网络状、笼状、及纤维状）三维生物组织、刺激单个细胞以产生钙离子信号以及精准裂解指定位置细胞。该多功能声镊技术在细胞生物学、组织工程、再生医学等方面具有广泛的应用前景。
杜克大学机械工程与材料系田振华博士（现为密西西比州立大学助理教授）为该论文第一作者，黄俊教授为该论文通讯作者。
文章链接
https://advances.sciencemag.org/content/6/37/eabb0494.abstract
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