微型尖銳結(jié)構(gòu)在聲場激勵下實現(xiàn)聲流體芯片上非接觸、無損傷細胞搬運

北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院馮林教授課題組學(xué)生宋斌，近日在國際期刊《Biomicrofluidics》發(fā)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(shè)備S140，該設(shè)備具有10um精度的分辨率，94*52*45mm大小的三維加工尺寸。基于該設(shè)備加工了尖銳側(cè)邊和尖銳底面微結(jié)構(gòu)，通過PDMS二次倒模并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(nèi)微結(jié)構(gòu)振動，并在其周圍產(chǎn)生局部微聲流，最終實現(xiàn)卵細胞的三維旋轉(zhuǎn)。該研究在細胞三維觀測、細胞分析及細胞微手術(shù)方面有重大研究意義。

（聲流體芯片制備工藝示意圖）

   （a）圖中聲流道長度15mm, 深度250μm，最小寬度200μm。槽道內(nèi)分布著對稱的尖銳結(jié)構(gòu)和斜坡陡坎結(jié)構(gòu)：尖銳結(jié)構(gòu)頂角20°，高度250μm；斜坡陡坎斜角28°，高度80μm。

聲流體芯片制備工藝如上圖所示，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(cè)邊和尖銳底面微結(jié)構(gòu)(最小尖.端20°)，再倒模出純PDMS模具，然后經(jīng)表面處理之后二次倒模獲得的PDMS尖銳側(cè)邊和尖銳底面微結(jié)構(gòu)。最后把PDMS二次倒模的結(jié)構(gòu)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(tǒng)如上圖a所示，主要觀測系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)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(cè)邊和尖銳底面微結(jié)構(gòu)振動，從而在相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生微漩渦（如上圖c所示）。在由微漩渦產(chǎn)生的扭矩作用下，最終實現(xiàn)了細胞的三維旋轉(zhuǎn)。對應(yīng)的微流道及微結(jié)構(gòu)尺寸如上圖d-f所示。

細胞三維旋轉(zhuǎn)作為一項基本的細胞微手術(shù)技術(shù)，在單細胞分析等領(lǐng)域有著重大科學(xué)意義和工程意義。本文提出了一種基于聲波驅(qū)動微結(jié)構(gòu)振動誘導(dǎo)產(chǎn)生微聲流以實現(xiàn)細胞搬運及三維旋轉(zhuǎn)的簡單有效的方法。細胞旋轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)速均可以通過施加不同頻率和電壓來實現(xiàn)。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(biāo)，為促進我國在微操作技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展以及生物醫(yī)學(xué)工程交叉學(xué)科的革新，進一步為加強我國微納制造水平提供系統(tǒng)性方法。

（BMFnanoArch®S140 System）