結合微納3D打印技術與聲學操控，開發出基于微氣泡的高靈活性聲學超表面

傳統微流控芯片因其低成本、高效性和靈活性，已廣泛應用于腫瘤篩查、DNA擴增和病毒檢測等生物醫學領域。然而，這種傳統設計在尺寸受限、單一功能性以及微結構調控靈活性等方面存在局限性，使其在實際應用中面臨諸多挑戰。其中，不可預測的流體動力學行為顯著限制了其在被動操控技術中的精度和效率。主動操控技術，尤其是聲學操控，為克服這些限制提供了新思路。聲學操控主要分為表面聲波（SAW）和體聲波（BAW）兩種方式。SAW以其高頻特性，能夠實現高度精準的局部操控，但操作范圍有限且設備成本較高；而BAW則憑借其低頻傳播和深度穿透能力適合處理大體積樣本，但在精確定位和靈活操控方面表現不足。

近年來，低頻超聲與微結構結合的創新手段成為研究熱點。其中，微氣泡因其特別的共振特性，在局部操控中表現出優異的穩定性和效率。然而，現有微氣泡系統仍面臨諸多挑戰，如體積不穩定性、振動方向隨機性以及加工成本高昂等。此外，在多細胞類型分離方面，傳統微流體分離芯片通常只能處理兩種細胞類型，難以滿足實際需求。因此，需要開發一種具有更高穩定性、可控性和選擇性的微氣泡系統，以滿足精確、靈活和高效操控的需求。

基于此，南京大學現代工程與應用科學學院王光輝教授課題組設計開發了一種基于3D打印技術的嵌入式微氣泡聲學超表面，突破性實現了對聲頻的選擇性操控。相關研究成果以“3D-printed Acoustic Metasurface with Encapsulated Micro-air-bubbles for Frequency-Selective Manipulation"為題發表在期刊《Lab on a chip》上。南京大學現代工程與應用科學學院博士研究生冀苗苗為本文第一作者，王光輝教授和張秀娟副教授為共同通訊作者，盧明輝教授參與合作研究。

該聲學超表面采用摩方精密microArch® S240 （精度：10 μm）3D 打印系統制備，通過在直徑和高度方向上的精準控制，實現了多種尺寸微孔結構的加工，從而為頻率選擇性設計提供了高度靈活性。研究團隊使用20 μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜對微孔結構表面進行封裝，創新性地開發出一種人造微氣泡結構，該結構能夠實現對微孔尺寸及其振動模態的精準調控。在單孔模式下，該系統能夠精確操控粒子或細胞，包括模式1：聚集、模式2：旋轉和模式3：傳輸；在陣列模式下，可實現對運動軌跡的選擇性調控。此研究開發了一種通過調節聲頻實現高精度和高靈活性微尺度操控的創新平臺。

圖1. 裝置的示意圖及操控效果。(a) 設備示意圖，插圖顯示封裝微氣泡的膨脹和收縮過程。(b) 單孔模式操控效果示意：聚集、旋轉和分離。(c) 多孔模式操控機理示意：微氣泡陣列超表面在不同激勵頻率下的響應。(d) 多孔模式操控效果示意：直線和曲線的受控軌跡傳輸。

首先，通過仿真建模揭示了振動特性，發現振動模態和頻率偏離對粒子行為具有顯著影響，為頻率選擇性設計提供了理論支撐。結果表明，在共振頻率即模式1下，薄膜的振動最高點位于中心，且振幅最大。此時，20 μm 聚苯乙烯（PS ）粒子在聲輻射力的作用下向中心聚集并保持穩定，未發生旋轉。當偏離共振頻率（±1 kHz）即模式2時，薄膜的最大振動位置從中心向邊緣移動。盡管振幅仍較大，但由于偏離共振條件下聲輻射力減弱，聲流力相對增強，但未占主導地位。此時，20 μm PS 粒子被推向非中心區域，并在聲流梯度作用下發生旋轉。當偏離共振頻率（±2 kHz）即模式3時，氣泡與薄膜之間的耦合效應顯著減弱，導致聲輻射力大幅下降，薄膜振幅明顯減小，最大振動位置繼續向邊緣移動。與此同時，聲波能量更多地傳遞到流體中，使得聲流力占主導地位，從而促使20 μm PS 粒子沿薄膜表面傳輸。

圖2. 單孔振動結構的理論模型和模擬結果。 (a) 圖 1a 中插圖的模擬模型示意圖。(b) L = 135 μm 時的位移-頻率關系。振動結構在 35.4 kHz（一階模式）和 66.8 kHz（二階模式）處呈現出兩個顯著的共振。(c) fR 為設計封裝微泡的模擬結果， fB 為與設計封裝微泡體積相同的傳統微泡的理論計算結果。(d) 三種操作模式下 20 μm PS 粒子受力、流線、位移和 聲輻射勢U 的示意圖。(e) 三種操縱模式下的流線模擬結果。(f) 和 (g) 為三種操縱模式下振動位移和 聲輻射勢的模擬結果。

然后，利用多普勒激光測振儀驗證了薄膜的振動特性。在 36 kHz 共振頻率下，薄膜的最大位移位于中心，振幅達到峰值；當頻率調整至 35 kHz 和 37 kHz 時，最大位移偏離中心，振幅有所降低；而在 34 kHz 和 38 kHz 時，振幅進一步減小，最大位移位置顯著偏離中心。x-y 平面的振動測試結果也驗證了這一規律。此外，針對單孔振動結構對 20 μm PS 粒子的操控實驗表明，在 36 kHz 激勵下，粒子被捕獲于薄膜中心；當頻率調整至 35 kHz 和 37 kHz 時，粒子捕獲位置偏離中心；而在 34 kHz 和 38 kHz 時，粒子實現傳輸。粒子的捕獲位置與薄膜的最大位移及低聲輻射勢一致，實驗結果與模擬預測高度吻合。

圖3. 薄膜振動測試和 20 μm PS 粒子操作結果。(a) 36 kHz 下的薄膜振動測試結果。(b) 不同頻率下 x-z 截面的振動位移曲線。(c) 不同頻率下 x-y 截面的薄膜振動測試結果，以及20 μm PS 粒子操作。

隨后，對振動引發的聲流進行了測試與驗證，結果與先前的分析一致。在模式1下實現了粒子的自組裝，為納米材料制造提供了潛在解決方案。此外，研究表明，進一步減小微孔尺寸以提高共振頻率，有望捕獲更小尺寸的粒子或細胞，例如紅細胞。這表明該裝置不僅適用于本文所提到的應用，還具備更廣泛的生物和材料富集潛力。

圖4. 顆粒測試和分析結果。(a)-(c) 分別顯示模式1、模式2 和模式3 的流線結果。(d) 在模式1下實現的粒子自組裝。(e) 臨界粒子尺寸的計算和實驗結果。

在生物場景測試中，成功實現了對小鼠胚胎成纖維細胞（3T3-L1）的聚集、旋轉和傳輸。在模式1下，還成功實現了輪蟲的中心聚集，展示了振動結構對自由運動生物體的有效操控能力。通過三種模態下的生物場景實驗，驗證了該技術在精確操作和處理活細胞及生物體方面的有效性。

圖5. 生物樣本在三種模式下的測試結果。(a) 模式1 ：3T3-L1 細胞聚集。(b) 模式 1：輪蟲聚集。(c) 模式2：3T3-L1 細胞面外旋轉。(d) 模式3 中：3T3-L1 細胞分離。

基于單孔設計，研究團隊進一步開發了陣列式多孔結構，并在模擬振動分析后進行了粒子傳輸測試。測試結果表明，通過利用微泡的特征頻率，可以實現粒子在微泡上方的選擇性傳輸。在 9 kHz 的低頻激勵下，粒子沿聲波傳播方向移動，形成線性傳輸路徑。該結果驗證了不同頻率下微泡結構對粒子操控行為的顯著差異（圖6）。

圖6. 微泡陣列超表面的模擬和粒子測試結果。(a)共振頻率模擬。(b) 微氣泡陣列超表面的特征頻率模擬結果及 20 μm PS 粒子在特定頻率下的相應軌跡。(c) 20 μm PS 粒子在 33 kHz 激發頻率下的運動速度曲線。(d) 9 kHz激勵頻率下20 μm PS 粒子的模擬結果和運動軌跡。

最后，對微泡陣列操縱細胞的能力和細胞完整性進行驗證。結果表明，該裝置對細胞活性無明顯影響，且操作過程溫升始終控制在生理可接受范圍內，表現出良好的生物相容性。操作后5分鐘，染色結果顯示細胞活性仍保持為 95.4%。在 6 分鐘的操作過程中，樣品室采樣點的最大溫升不超過 1°C，從而排除了溫度變化對細胞操作和活力驗證結果的潛在影響。

圖7. 細胞運動軌跡操作和活動測試。(a) HUVECs 在 9 kHz 頻率下的運動軌跡操作。(b) HUVECs 在 37 kHz 頻率下的運動軌跡操作。(c) 在不同的激發信號應用時間（5 分鐘、10 分鐘、15 分鐘、20 分鐘）下評估細胞活性。(d）5 分鐘處理后的細胞染色結果。

圖8. 溫度測試示意圖和結果。(a) 溫度測試的取樣點。(b) 不同激勵頻率和電壓下的溫度變化（ΔT）。(c)-(e) 分別為激勵頻率為 36 kHz 時不同電壓下采樣點的溫度變化曲線。

總結：該研究創新性地結合3D打印技術與聲學操控，開發出基于微氣泡的高靈活性聲學超表面，為頻率可調的操控提供了新思路。該系統在多細胞類型分離、局部精準操控以及靈活性方面表現出顯著優勢。這一創新為開發更高穩定性、可控性和選擇性的聲學操控系統奠定了基礎，為實際應用中的高效操控需求提供了潛在解決方案。通過調控陣列耦合結構與激勵頻率，該平臺能夠實現精準的多模態樣本處理，為生物醫學與藥物篩選等領域的復雜操作需求提供了新路徑，同時展示了與智能算法結合的廣闊應用前景。