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(xì)胞外泌體、病毒、脂質(zhì)體等等）。由于其尺寸小，可以長(zhǎng)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(biāo)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(xì)胞間進(jìn)行物質(zhì)運(yùn)輸，調(diào)控細(xì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)和引入外源力場(chǎng)，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(kuò)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(shí)樣本中濃度范圍寬、堵塞等問題，對(duì)操控技術(shù)的操控能力、生物兼容性和負(fù)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(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室段學(xué)欣教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具備自適應(yīng)性、可自主伸縮的微流體技術(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(shí)現(xiàn)了對(duì)尺寸低至30納米的生物顆粒物的操控（富集、分離等）。相關(guān)研究成果發(fā)表在交叉科學(xué)領(lǐng)域旗艦雜志《科學(xué)?進(jìn)展》（Science Advances）上，該項(xiàng)研究同時(shí)得到了天津醫(yī)科大學(xué)腫瘤醫(yī)院任秀寶教授團(tuán)隊(duì)的協(xié)助。

這種將聲波耦合進(jìn)微流控芯片中實(shí)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(qiáng)大的聲波場(chǎng)和聲流體實(shí)現(xiàn)對(duì)粒子/流體的驅(qū)動(dòng)，具備力場(chǎng)溫和、非接觸、無需預(yù)先標(biāo)記等特點(diǎn)，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(dòng)的主導(dǎo)地位將會(huì)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(jī)電實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的虛擬微通道技術(shù)彌補(bǔ)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(jì)的MEMS千兆赫茲（即109 Hz）體聲波諧振器與微流道集成設(shè)計(jì)而成（圖1）。每秒鐘振動(dòng)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(jìn)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(dá)米每秒量級(jí)），相互連接的高速聲流體渦旋組成了兩條對(duì)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(dòng)下被卷入虛擬隧道中，通過與層流的配合，在虛擬流體動(dòng)力學(xué)管壁的限制下完成聚焦、遷移和釋放（圖1C）。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)化處理的優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(shí)驗(yàn)，詳細(xì)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(jì)過程及晶圓級(jí)制造工藝。表征了高頻聲波在流體中的行為，納米顆粒在進(jìn)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(dòng)頻率、聲波功率、層流速度、微流道結(jié)構(gòu)等對(duì)納米粒子操縱穩(wěn)定性的影響。獨(dú)特的振動(dòng)模式和對(duì)虛擬通道的連續(xù)性設(shè)計(jì)打破了經(jīng)典聲流操控中聲流渦旋與側(cè)向流之間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而提升了操控性能。通過系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低至150 nm顆粒的連續(xù)式聚焦篩分和對(duì)30 nm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(shí)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(duì)不同濃度樣品時(shí)，虛擬通道會(huì)根據(jù)通道內(nèi)粒子相互作用的強(qiáng)度“自主的”擴(kuò)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(fù)載能力和聚焦能力。面對(duì)高濃度樣品時(shí)，虛擬通道的內(nèi)徑（inner diameter, ID）會(huì)帶來至多36倍的載量提高（圖2左）；當(dāng)面對(duì)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(xì)分析了隧道自適應(yīng)性產(chǎn)生的原因和適用范圍及其對(duì)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，作者通過對(duì)未稀釋臨床血漿樣本中外泌體的純化，驗(yàn)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(dòng)靈活和流體動(dòng)力學(xué)操控的溫和高效的優(yōu)勢(shì)，對(duì)復(fù)雜未知樣本的兼容性為開發(fā)自動(dòng)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(dòng)化處理、藥物載體制備和體外診斷等行業(yè)中。

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