交汇点讯 近日，记者从中国科学院苏州生物医学工程技术研究所获悉，王策研究员团队在细胞捕获技术上取得研究成果，开发出一种声学捕获芯片，可以用于器官芯片、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。该研究成果发表于SCI期刊Sensors and Actuators A:Physical。
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。其中，超声波驻波产生的声辐射力就具备细胞捕获能力，声流涡旋也可以应用于捕获障碍物或者微泡附近的细胞。
提高细胞捕获的效率，是目前研究的重点之一。“细胞捕获效率基本由捕获力决定，在流体流动过程中，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。”苏州医工所马玉婷研究员表示，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。
“我们开发了一种基于超声波驻波的微流控芯片，芯片具有微沟道形成的圆形谐振腔，在沟道下方用一个压电陶瓷片作为驱动源。”马玉婷研究员介绍，该芯片在圆形微结构中建立声驻波，提供足够的力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。“对于这一结构，我们具有自主知识产权，也申请了相关专利。”
通过这种非接触式和生物相容性的捕获方式，该芯片可以用于器官芯片、细胞培养、拉曼分析和纳米颗粒捕获等多种场景。马玉婷研究员告诉记者，“芯片的第一个典型应用是拉曼检测中的单细胞捕获，以往细胞检测是在一个相对静止的状态下进行，比如将细胞固定在载玻片上，用盖玻片压实再进行检测，无法实现高通量的快速检测。而芯片研发出之后，可以在检测过程中让细胞流动起来，形成流式拉曼效应，大大提高检测效率。第二个典型应用是细胞培养 ，芯片能够起到让细胞聚集成团的效果，在此之后可以培养细胞团块，用于模拟人体器官等功能。第三个典型应用场景是外泌体的富集，外泌体是细胞分泌的物质，体积很小，在纳米级别，直接进行富集会有一定困难，芯片可以做到先用微腔捕获微球，作为种子颗粒，再注入含有外泌体的生物样本，这时外泌体就会吸附在微球上，达到外泌体富集的目的。”
相比以往的细胞捕获方法，应用该款芯片进行细胞捕获也有着诸多优势。马玉婷研究员介绍，首先，芯片应用的声学捕获是一种机械力的作用，对于细胞的伤害小、影响小，有较高的生物兼容性；其次，芯片的捕获力更大，可以适用于在高速流体中捕获细胞的目的。“目前，我们芯片的研发已经完成，在流式拉曼和外泌体富集的方向，还将进行进一步的探索。”
直径10 m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
芯片成功用于纳米颗粒捕获
据了解，该项工作获得了国家重点研发计划项目、中国科学院青促会项目、中国科学院装备研制项目等资助与支持。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）。
新华日报 交汇点记者 杨易臻
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