聲流控技術突破傳統聲流體技術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、脂質體等）。由于其尺寸小，可以長期在其內循環并且透過生物屏障。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早期診斷；一方面可以作為藥物和疫苗的載體，在體內遞送藥物，在細胞間進行物質運輸，調控細胞功能等。然而，天然存在的生物納米顆粒容易受到復雜背景的干擾，影響其功能的發揮。因此，對生物納米顆粒物的提純和分離是開展相關應用研究的重要基礎。傳統的超速離心、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，通過精準設計微結構和引入外源力場，微流控技術已成為分離和富集具有統一性質（如大小、形狀、電荷）的納米顆粒群體的重要工具。盡管其展現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，膜結構柔性脆弱，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，限制了微流控技術在生命科學相關領域的應用和推廣。近日，天津大學微納機電系統實驗室段學欣教授團隊開發了一種具備自適應性、可自主伸縮的微流控技術，通過將圖形化的高頻聲波引入傳統微流道中，成功解決了這一難題，實現了對尺寸低至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操控的技術，稱為聲流控（Acoustofluidics）技術。其在高度限制的微環境中產生強大的聲波場和聲流體實現對粒子/流體的驅動，具備力場溫和、非接觸、無需預先標記等特點，是一種理想的生化顆粒物操控技術。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，聲波驅動的主導地位將會被流體拖拽所取代，導致性能的快速劣化，這限制了聲流控技術在納米顆粒物操控中的應用。

天津大學微納機電實驗室開發的虛擬微通道技術彌補了聲流控技術在納米尺度生物粒子操控的不足。該系統由特殊形狀設計的MEMS千兆赫茲（即10? Hz）體聲波諧振器與微流道集成設計而成（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，高效的聲波導入引發沿著器件邊界分布的高速旋轉的微尺度渦旋（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生的拖拽力驅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定性的差異，該方法可以實現對混合納米顆粒的連續式分離。該方法具有處理通量高、自動化處理的優勢，突破了傳統聲流體技術在連續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產生虛擬微流體隧道的原理，底層聲學器件設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。系統研究了聲學器件形狀、器件振動頻率、聲波功率、層流速度、微流道結構等對納米粒子操縱穩定性的影響。獨特的振動模式和對虛擬通道的連續性設計打破了經典聲流操控中聲流渦旋與側向流之間競爭關系，從而提升了操控性能。通過系統優化，實現了對低至150nm顆粒的連續式聚焦篩分和對30nm顆粒的原位富集。

相比于濾膜或其他微結構的操控方法，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，極大避免了傳統微流道中樣本堵塞的問題。另外，本研究發現，面對不同濃度樣品時，虛擬通道會根據通道內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”性。自適應性為該技術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，內徑收縮至約8微米以獲得最佳的富集倍數（圖2右）。論文詳細分析了隧道自適應性產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，驗證了該技術在復雜生物樣品中工作穩定性及生物兼容性。由于該微尺度聲學器件與傳統半導體CMOS工藝完全兼容，虛擬通道技術兼具聲學操控的主動靈活和流體動力學操控的溫和高效的優勢，對復雜未知樣本的兼容性為開發自動化的外泌體處理裝置奠定了良好的技術基礎。具備自適應能力的聲流體虛擬微通道技術作為一種通用的操控工具，有望快速應用在生物及醫學樣品自動化處理、藥物載體制備和體外診斷等行業中。