声学微流控芯片中生物样品的定点操控及定量表征

The nonlinear effect of ultrasonic field can be used to manipulate biological samples, which has many advantages, such as non-contact, low damage and diverse forms. However, the existing ultrasonic micro/nano manipulation technology also has disadvantages including low accuracy, poor sample discrimination, low integration degree, and so forth. In order to satisfy the manipulation requirements of Caenorhabditis elegans, HeLa cells, exosomes and other model biological samples in microfluidic chips, sharp-edge or bubble microstructures are introduced in the design of microchannels. Acoustic radiation force or acoustic streaming field generated by piezoelectric transducer vibration is utilized to realize fixed-point manipulation of biological samples in microchannels, such as capture, aggregation and rotation. Movement of biological samples in complex sound and flow fields can be analyzed by finite element simulation to quantitatively characterize physical parameters, such as size, density and compressibility. On the basis of three dimensional out-of-plane rotation of biological samples, their external contours and internal tissues can be reconstructed by combining fluorescent staining method and image processing technology to quantitatively characterize morphological parameters, such as surface area, ellipticity and roughness, which can be used to further clarify phenotypic differences among different biological samples. Implementation of the program provides a new perspective for fixed-point manipulation and quantitative characterization of biological samples in microfluidic chips.

利用超声场的非线性效应操控生物样品具有非接触、低损伤、形式多样等优势，但现有超声微纳操控技术存在精度低、样品区分度差、集成化程度低等不足。针对秀丽隐杆线虫、HeLa细胞、外泌体等模式生物样品在微流控芯片中的操控需求，通过在微流道中引入尖角或气泡等微结构，并利用压电换能器振动所产生的声辐射力或声流场等非线性声学效应，不仅可以实现微流道中生物样品的定点操控，如捕捉、聚集、旋转等，而且可以通过有限元仿真，对生物样品在复杂超声场和微流场中的运动进行动力学分析，从而定量表征样品的物理参数，如尺寸、密度、可压缩性等。在生物样品三维面外旋转的基础上，结合荧光染色法和图像处理技术，可以获得生物样品外部轮廓和内部组织的三维重构，从而定量表征生物样品内外结构的表面积、椭圆度、粗糙度等形貌参数，进而阐明不同生物样本之间的表型差异。本项目的实施为实现生物样品在微流控芯片中的定点操控和定量表征提供了新思路。

本项目针对微纳颗粒和模式生物样品的多样化操控需求，以微流控芯片为操控平台，通过在微流道中引入尖角、气泡、声子晶体板或分形图案等多种非传统微结构，并以压电换能器振动所产生的声辐射力和声流场这两种非线性声学效应为主要操控手段，以实现大规模微纳颗粒或单一生物样品在微流道中不同位置处的可控定点操控，如捕捉、聚集、旋转等。通过有限元仿真计算，可以对微纳颗粒或生物样品在复杂超声场和微流场中的运动进行动力学分析，不仅可以优化声学微流控芯片的设计，而且可以定量表征样品的相关物理属性，如尺寸、密度、可压缩性等。在生物样品三维面外旋转的基础上，结合图像处理技术，可以获得生物样品外部轮廓的三维重构，从而定量表征生物样品的表面积、椭圆度、粗糙度等形貌参数。生物样品的表型特征不仅可以从生物物理学角度区分不同样品之间的差异，而且可用于生物的新陈代谢、癌细胞的转移、细胞间的信息传递等前沿研究。本项目的研究内容涉及超声学、流体力学、微纳技术、生物医学等多个领域，具有多学科交叉融合的特色。本项目的实施为非线性声学效应在微纳操控、微流控芯片、器官芯片等研究领域的应用提供新的设计思路和解决方法，因而不仅具有重要的学术价值，更具有良好的应用前景和经济效益。