聲流控技術(shù)突破傳統(tǒng)聲流體技術(shù)在納米生物顆粒濃縮及分離上尺寸限制

生物納米顆粒是指粒徑范圍為1-1000納米的生物微粒群（如細胞外泌體、病毒、脂質(zhì)體等）。由于其尺寸小，可以長期在其內(nèi)循環(huán)并且透過生物屏障。一方面可以作為體外診斷的標志物，用于某些特定疾病和癌癥的無創(chuàng)早期診斷；一方面可以作為藥物和疫苗的載體，在體內(nèi)遞送藥物，在細胞間進行物質(zhì)運輸，調(diào)控細胞功能等。然而，天然存在的生物納米顆粒容易受到復(fù)雜背景的干擾，影響其功能的發(fā)揮。因此，對生物納米顆粒物的提純和分離是開展相關(guān)應(yīng)用研究的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的超速離心、尺寸排阻色譜等實驗室分離方法存在樣本損失量大、回收率低、純度不夠高等問題。

近年來，通過精準設(shè)計微結(jié)構(gòu)和引入外源力場，微流控技術(shù)已成為分離和富集具有統(tǒng)一性質(zhì)（如大小、形狀、電荷）的納米顆粒群體的重要工具。盡管其展現(xiàn)出較好的通用性和可擴展性，但是由于生物納米顆粒物尺寸小，與背景溶液密度相近，膜結(jié)構(gòu)柔性脆弱，在真實樣本中濃度范圍寬、堵塞等問題，對操控技術(shù)的操控能力、生物兼容性和負載容量都提出了很高的要求，限制了微流控技術(shù)在生命科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣。近日，天津大學(xué)微納機電系統(tǒng)實驗室段學(xué)欣教授團隊開發(fā)了一種具備自適應(yīng)性、可自主伸縮的微流控技術(shù)，通過將圖形化的高頻聲波引入傳統(tǒng)微流道中，成功解決了這一難題，實現(xiàn)了對尺寸低至30納米的生物顆粒物的操控（富集、分離等）。

這種將聲波耦合進微流控芯片中實現(xiàn)操控的技術(shù)，稱為聲流控（Acoustofluidics）技術(shù)。其在高度限制的微環(huán)境中產(chǎn)生強大的聲波場和聲流體實現(xiàn)對粒子/流體的驅(qū)動，具備力場溫和、非接觸、無需預(yù)先標記等特點，是一種理想的生化顆粒物操控技術(shù)。但是，聲輻射力與顆粒直徑3次方成正比，因此顆粒尺寸越小，操控越困難，隨著粒子尺寸縮小至百納米水平，聲波驅(qū)動的主導(dǎo)地位將會被流體拖拽所取代，導(dǎo)致性能的快速劣化，這限制了聲流控技術(shù)在納米顆粒物操控中的應(yīng)用。

天津大學(xué)微納機電實驗室開發(fā)的虛擬微通道技術(shù)彌補了聲流控技術(shù)在納米尺度生物粒子操控的不足。該系統(tǒng)由特殊形狀設(shè)計的MEMS千兆赫茲（即10? Hz）體聲波諧振器與微流道集成設(shè)計而成（圖1）。每秒鐘振動十億次以上的聲波通過微型的聲學(xué)器件按照一定的方向和幾何形狀直接耦合進流體中，高效的聲波導(dǎo)入引發(fā)沿著器件邊界分布的高速旋轉(zhuǎn)的微尺度渦旋（速度可達米每秒量級），相互連接的高速聲流體渦旋組成了兩條對稱的虛擬通道。納米粒子在高速流體產(chǎn)生的拖拽力驅(qū)動下被卷入虛擬隧道中，通過與層流的配合，在虛擬流體動力學(xué)管壁的限制下完成聚焦、遷移和釋放（圖1C）。同時，利用不同大小的納米顆粒在虛擬隧道中穩(wěn)定性的差異，該方法可以實現(xiàn)對混合納米顆粒的連續(xù)式分離。該方法具有處理通量高、自動化處理的優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)聲流體技術(shù)在連續(xù)式納米生物顆粒濃縮及分離上的尺寸限制。

圖1 A）虛擬微通道技術(shù)概念圖；B）GHz體聲波諧振器與微流道實物圖；C） 熒光納米粒子在虛擬微通道中聚焦、偏轉(zhuǎn)和釋放。

該文通過有限元仿真配合模型顆粒物實驗，詳細討論了高頻聲流體效應(yīng)產(chǎn)生虛擬微流體隧道的原理，底層聲學(xué)器件設(shè)計過程及晶圓級制造工藝。表征了高頻聲波在流體中的行為，納米顆粒在進入虛擬隧道前、隧道中及離開隧道的流體行為等。系統(tǒng)研究了聲學(xué)器件形狀、器件振動頻率、聲波功率、層流速度、微流道結(jié)構(gòu)等對納米粒子操縱穩(wěn)定性的影響。獨特的振動模式和對虛擬通道的連續(xù)性設(shè)計打破了經(jīng)典聲流操控中聲流渦旋與側(cè)向流之間競爭關(guān)系，從而提升了操控性能。通過系統(tǒng)優(yōu)化，實現(xiàn)了對低至150nm顆粒的連續(xù)式聚焦篩分和對30nm顆粒的原位富集。

相比于濾膜或其他微結(jié)構(gòu)的操控方法，這種由流體和聲波組成的虛擬通道由于沒有實際的物理流道管壁，極大避免了傳統(tǒng)微流道中樣本堵塞的問題。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，面對不同濃度樣品時，虛擬通道會根據(jù)通道內(nèi)粒子相互作用的強度“自主的”擴張或收縮，這種特性被稱作“自適應(yīng)”性。自適應(yīng)性為該技術(shù)帶來了極好的樣本負載能力和聚焦能力。面對高濃度樣品時，虛擬通道的內(nèi)徑（inner diameter，ID）會帶來至多36倍的載量提高（圖2左）；當面對低濃度樣品是，內(nèi)徑收縮至約8微米以獲得最佳的富集倍數(shù)（圖2右）。論文詳細分析了隧道自適應(yīng)性產(chǎn)生的原因和適用范圍及其對不同顆粒物的濃縮、分離能力。

圖2 自適應(yīng)性（左）與原位富集效率（右）表征

最后，研究人員通過對未稀釋臨床血漿樣本中外泌體的純化，驗證了該技術(shù)在復(fù)雜生物樣品中工作穩(wěn)定性及生物兼容性。由于該微尺度聲學(xué)器件與傳統(tǒng)半導(dǎo)體CMOS工藝完全兼容，虛擬通道技術(shù)兼具聲學(xué)操控的主動靈活和流體動力學(xué)操控的溫和高效的優(yōu)勢，對復(fù)雜未知樣本的兼容性為開發(fā)自動化的外泌體處理裝置奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。具備自適應(yīng)能力的聲流體虛擬微通道技術(shù)作為一種通用的操控工具，有望快速應(yīng)用在生物及醫(yī)學(xué)樣品自動化處理、藥物載體制備和體外診斷等行業(yè)中。