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细胞捕获技术在生物医学工程中非常重要，它可以夹持、分离、过滤和聚集细胞，从而满足细胞培养、分选、洗涤等不同的生物学应用需求。在不同的捕获方法中，声捕获因其非接触式和较高生物安全性的特点，已被广泛应用于生物学研究中。
超声波驻波产生的声辐射力就具备这种能力。根据细胞和悬浮介质的特性，细胞可以被捕获在波节或波腹处。超声波驻波可进一步分为由压电换能器产生的体声驻波(BAW)，和由叉指电极铌酸锂(LiNbO3)产生的表面声驻波(SAW)。SAW 可以以非常低的能耗操纵粒子，但由于其整体捕获力较BAW小，因此一般用于流动流体中的分选和静止液体中的细胞排列。除了超声驻波之外，声流涡旋也可以应用于捕获障碍物或者微泡附近的细胞。然而，有些设计不能轻易释放颗粒，有些设计不能提供固定的捕获位置。
捕获效率基本由捕获力决定。当流体不流动时，需要克服的阻力较小;流体流动时，垂直于流体流动方向的阻力较小，而平行于流体流动方向的阻力较大。随着流量的增加，流体阻力越大，需要越大的捕获力才能提供更好的捕获性能。在以往的大多数研究中，颗粒通常被捕获在静态流体或极低速度的流动流体中，或者捕获过程持续数秒，这主要是由于捕获力不足造成。这无疑会降低捕获效率以及通量，而高通量细胞操作在诸如拉曼光谱识别和纳米粒子捕获等生物应用中非常重要。
为此，苏州医工所王策研究员团队开发了一种声学捕获芯片，它可以在具有圆形共振结构的连续流动介质中提供细胞的三维捕获。在圆形微结构中建立声驻波，提供足够的强度将细胞夹紧在腔室的中心。同时，细胞在深度方向形成的辐射力的作用下被夹紧在微通道的底表面附近。因此，通过仅由一个压电片换能器驱动的特殊设计的微通道完成了细胞的三维捕获。实验结果表明，该芯片可以对以mm/s级速度运动的微米级颗粒提供nN(纳牛)级的捕获力和ms(毫秒)级的捕获时间。
图1 芯片设计示意图及其对红细胞和白细胞的捕获效果，在60ms以内细胞完成从散布状态向圆心的聚集
图2 直径10μm微球在圆形腔的间歇捕获作用下被逐级传送到检测点，可应用于高通量拉曼光谱采集
图3 芯片成功用于纳米颗粒捕获(a)10μm空白聚苯乙烯微球捕获在圆形空腔内作为种子颗粒; (b) 种子颗粒的荧光图像;由于种子颗粒是空白的，什么也看不见。 (c) 利用种子颗粒捕获的100 nm荧光纳米颗粒的荧光图像。
通过这种非接触式和生物相容性的捕获方式，该芯片可以应用于器官芯片、细胞培养、拉曼分析和纳米颗粒捕获等多种生物医学工程场景。
该研究成果以“Acoustic 3D trapping of microparticles in flowing liquid using circular cavity”为题发表于Sensors and Actuators A:Physical。其中，论文第一作者为苏州医工所王策研究员，通讯作者为苏州医工所马玉婷研究员(中国科学院青促会会员)。
该项工作获得了国家重点研发计划项目(2021YFF0704800)，中国科学院青促会项目(2020323);中国科学院装备研制项目(ZDKYYQ20200004)等项目的资助与支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924424723005472
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苏州医工所王策课题组在流动流体中的三维细胞捕获取得进展
细胞捕获技术在生物医学工程中非常重要，它可以夹持、分离、过滤和聚集细胞，从而满足细胞培养、分选、洗涤等不同的生物学应用需求。在不同的捕获方法中，声捕获因其非接触式和较高生物安全性的特点，已被广泛应用于生物学研究中。
超声波驻波产生的声辐射力就具备这种能力。根据细胞和悬浮介质的特性，细胞可以被捕获在波节或波腹处。超声波驻波可进一步分为由压电换能器产生的体声驻波(BAW)，和由叉指电极铌酸锂(LiNbO3)产生的表面声驻波(SAW)。SAW 可以以非常低的能耗操纵粒子，但由于其整体捕获力较BAW小，因此一般用于流动流体中的分选和静止液体中的细胞排列。除了超声驻波之外，声流涡旋也可以应用于捕获障碍物或者微泡附近的细胞。然而，有些设计不能轻易释放颗粒，有些设计不能提供固定的捕获位置。
捕获效率基本由捕获力决定。当流体不流动时，需要克服的阻力较小;流体流动时，垂直于流体流动方向的阻力较小，而平行于流体流动方向的阻力较大。随着流量的增加，流体阻力越大，需要越大的捕获力才能提供更好的捕获性能。在以往的大多数研究中，颗粒通常被捕获在静态流体或极低速度的流动流体中，或者捕获过程持续数秒，这主要是由于捕获力不足造成。这无疑会降低捕获效率以及通量，而高通量细胞操作在诸如拉曼光谱识别和纳米粒子捕获等生物应用中非常重要。
为此，苏州医工所王策研究员团队开发了一种声学捕获芯片，它可以在具有圆形共振结构的连续流动介质中提供细胞的三维捕获。在圆形微结构中建立声驻波，提供足够的强度将细胞夹紧在腔室的中心。同时，细胞在深度方向形成的辐射力的作用下被夹紧在微通道的底表面附近。因此，通过仅由一个压电片换能器驱动的特殊设计的微通道完成了细胞的三维捕获。实验结果表明，该芯片可以对以mm/s级速度运动的微米级颗粒提供nN(纳牛)级的捕获力和ms(毫秒)级的捕获时间。
图1 芯片设计示意图及其对红细胞和白细胞的捕获效果，在60ms以内细胞完成从散布状态向圆心的聚集
图2 直径10μm微球在圆形腔的间歇捕获作用下被逐级传送到检测点，可应用于高通量拉曼光谱采集
图3 芯片成功用于纳米颗粒捕获(a)10μm空白聚苯乙烯微球捕获在圆形空腔内作为种子颗粒; (b) 种子颗粒的荧光图像;由于种子颗粒是空白的，什么也看不见。 (c) 利用种子颗粒捕获的100 nm荧光纳米颗粒的荧光图像。
通过这种非接触式和生物相容性的捕获方式，该芯片可以应用于器官芯片、细胞培养、拉曼分析和纳米颗粒捕获等多种生物医学工程场景。
该研究成果以“Acoustic 3D trapping of microparticles in flowing liquid using circular cavity”为题发表于Sensors and Actuators A:Physical。其中，论文第一作者为苏州医工所王策研究员，通讯作者为苏州医工所马玉婷研究员(中国科学院青促会会员)。
该项工作获得了国家重点研发计划项目(2021YFF0704800)，中国科学院青促会项目(2020323);中国科学院装备研制项目(ZDKYYQ20200004)等项目的资助与支持。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924424723005472