科學家開發諧波聲鑷技術能實現高通量細胞的可逆配對和分離

近年來，“聲學鑷子”的研究取得了較大的進步。聲鑷器件通過壓電換能器產生和調控聲波，可以實現聲懸浮操控液體中的粒子或細胞，而不與它們接觸。

與光鑷技術（2018年諾貝爾物理學獎）相比， 采用超聲技術的聲鑷器件， 具有安全、無接觸、低能耗、技術簡便和小型化等優點，在材料科學、生物學、物理學等領域具有明顯優勢。

然而，目前基于駐波的聲鑷器件只能同時捕獲和操縱一組粒子，無法有效的組裝并選擇性操控單個粒子，這極大地限制了聲鑷技術的發展和應用。

為了解決這個難題，杜克大學機械工程與材料科學系黃俊教授團隊開發出一種全新的聲學鑷子操縱平臺：HANDS。該平臺解決了傳統聲鑷技術空間分辨率低、選擇性差等問題，并首次實現聲波控制膠體物質及細胞的精確組裝、可逆胞間配對和分離。

不僅如此，HANDS平臺還可以通過簡單的諧波信號調制，形成并操控單細胞陣列，或有選擇性地對陣列中兩個目標細胞的距離進行調節，實現單細胞的配對及分離。該團隊形象地將這一通過諧波調制實現的細胞操控過程，比喻為單細胞的“和聲二重奏”。

2022年3月24日，相關論文以《用于動態和選擇性粒子操縱的諧波聲學》為題發表。

在此之前，其實也有科學家嘗試用聲學換能器相控陣陣列及聲全息等方法，單獨操縱懸浮液中的毫米級粒子。

遺憾的是，由于空間分辨率的限制，這些策略無法對直徑約為10微米的單個細胞或微米級膠體粒子進行有效操控。

此外，聲波場的穩態特性和聲流或渦流產生的狀況也無法預知。換而言之，這種方法很難通過調整相位和移動換能器，來實現膠體粒子的精確組裝、可逆胞間配對及分離。

而HANDS平臺可以提供一個更高空間分辨率的單細胞操控，比如可以通過高通量、精確、可編程和可重復的方式，對懸浮液中100多對細胞進行可逆配對和分離。

目前，聲鑷技術主要通過調節相位和移動換能器對細胞及粒子進行操縱，由于操控精度受聲學波場的限制，使得兩個粒子或者兩個細胞之間的距離遠大于半波長。

這導致這兩種方法不僅無法做到細胞的配對和分離，而且這兩種方法的效率也比較低，無法實現多個粒子的獨立控制或者同時控制。

楊樹杰表示：“我們所研究的諧波聲鑷技術，可將粒子的操控空間分辨率做到亞波長精度。從精度的角度來講，這要比當前的調節相位和移動換能器這兩種技術先進很多，實現更高精度及高效的操控是我們的一大技術亮點。”

該團隊提出的HANDS平臺技術，不僅能夠選擇性地操控某一對粒子，而且可以操控一個陣列，即同時實現100多對細胞的操控。更重要的是，該團隊采用一種非接觸的聲學操縱方式，類似于磁懸浮，可在液體里面操縱這些粒子和細胞。

具體來說，HANDS平臺基于微流體技術構建而成， 本質是微流體和聲學的交叉技術，可以對流體中的粒子和細胞進行高通量的精準操控。如在HANDS平臺器件中，先把粒子或者細胞導入懸浮液中，通過諧波聲鑷的控制，可以實現單細胞的排列，然后更進一步地進行配對及分離操控。

總之，HANDS平臺通過微流體和聲學技術的結合，可以實現對單細胞精密的控制，成功讓100多對細胞實現可逆配對和分離。

關于如何解決膠體物質的精確組裝、可逆的胞間配對和分離等問題，該研究成果也有提及，目前有兩種方法。第一種方法，聲換能器相控陣技術;第二種方法，聲全息技術。

然而，這兩種方法都有一個局限性。由于當前微納加工技術的限制，這兩種技術只能實現毫米級別的粒子操控。黃俊團隊認為，“當前這兩種技術的控制精度，沒辦法做到微米甚至納米級的單細胞精準操控。

黃俊表示：“我們此次研究成果，主要探討微米甚至納米量級空間分辨率的操控。我們實現了顆粒以及單細胞的操縱，它們基本在2微米～10微米這種量級，我們的這個操縱精度比超聲換能相控陣列和聲全息技術的精度高1000倍左右。”

在生物力學或者是生物物理研究領域，科學家廣泛應用原子力顯微鏡探針平臺來分析單細胞及其蛋白、DNA分子的力學特性。然而原子力顯微鏡探針平臺僅能同時檢測一對細胞。

例如，科學家首先需要在襯底上粘一個細胞，然后用這個探針再捕獲一個細胞，讓它們接觸、分開并重復這種配對分離測試，來研究細胞及其分子的生物力學特性。通過對病毒與細胞的力學特性分析，可以深入研究病毒跟細胞的結合、侵入物理機理。所以，可以重復的接觸和分離在細胞力學上是具有十分重要的意義。

楊樹杰表示：“我們提供的HANDS平臺可以實現1000多次的細胞間接觸和分離，證明諧波聲鑷平臺的穩定性，為生物力學的科研團隊提供一個全新的工具。”

譬如，像探針這樣的平臺只能做一對細胞的配對的分離，如果重復做1000多次會出現很多問題，比如在配置的過程中，這些膠質體會對細胞產生一定的影響，而且有可能出現細胞脫落或者細胞損傷。

而該團隊所提出的HANDS平臺不僅可以做一對細胞的配對和分離，還可以對上百對細胞進行配對和分離操控。

“ 臺上1分鐘， 臺下10年功”，這句話在科學家的身上同樣適用。該論文成功發表的背后，傾注了楊樹杰很大的心血，六年來，他一直在做HANDS平臺有關的研究，也遇到過許多科研方面的挑戰，在其導師黃俊教授的支持和指導下，反復試錯不斷地改進實驗方法。

楊樹杰認為，“挑戰，是大多數科研工作者的必經之路，在困難面前信心與堅持尤為重要”，他進一步表示：“興趣是我做科研的最大驅動力，從當初僅有一個科研的想法，然后看到自己的研究項目完成了從0 ～ 1的突破，這是最具成就感的。”

該團隊將HANDS平臺的演示過程，形象地比喻為單細胞的“和聲二重奏”，相比于傳統的聲電技術，通過多個諧波技術來實現這種控制。

這種非接觸的聲學操控就像人手一樣輕柔， 由于手的英文首字母是H，對應諧波的英文首字母，故該團隊將他們開發的諧波聲鑷平臺命名為“HANDS”。

值得關注的是，HANDS平臺技術應用范圍也非常廣泛，比如可以在應用材料領域，對膠體晶體進行生產制作，對非接觸聲學操控技術方面的膠體顆粒組裝機理研究也大有幫助;在醫療領域，能夠去篩選藥物或者免疫細胞解決部分抗癌問題。

未來，該團隊將繼續專注聲學鑷子相關項目的研究，進一步服務于各種各樣的領域，如材料科學、軟凝聚態物理、生物物理學、生命科學和醫學等。