“声学镊子” –在培养皿实验中，人类的手被声波代替

在皮氏培养皿中使用声学镊子的三种概念验证实验装置。从左到右，分别是一个站立模式，一个漩涡，一个漩涡和一个高频波状波，用于集中和刺激。

三个概念验证原型旨在使非接触式“声学镊子”技术可用于众多实验室。

杜克大学的机械工程师展示了一组使用声波处理皮氏培养皿中的颗粒和细胞的原型。该设备在科学界被称为“声学镊子”，是制造此类工具的首次尝试，迄今为止，这些工具已降级到具有特定设备和专门知识的实验室，可用于各种场合。

描述该技术的论文今天（2020年9月9日）在线发表在《科学进展》杂志上。

声学镊子是功能强大且用途广泛的工具集，它们使用声波来操纵生物颗粒，范围从纳米大小的细胞外囊泡到毫米大小的多细胞生物。在过去的几十年中，声学镊子的功能已经从简单的粒子捕获扩展到了细胞和生物在三个维度上的精确旋转和平移。

“最近的进步导致了许多先进的，通用的工具，”在该领域工作了十多年的机械工程和材料科学的威廉·贝文（William Bevan）杰出教授Tony Jun Huang说。“然而，归根结底，这一领域的成功取决于生物学家，化学家或临床医生等最终用户是否愿意采用该技术。本文展示了朝着更加友好的工作流程迈出的一步，以使最终用户更容易采用这项技术。”

在他们的第一个应用中，声学镊子使用从微流控芯片或腔室的相对两侧产生的声波来创建节点，在该节点中捕获细胞或微粒。在腔室的相对表面上移动声波的波前可以在两个维度上控制粒子的位置，而调整声波的振幅可以在第三个方向上推动或拉动它们。

从那以后，已经证明了更高级的设置，其中声波在整个流体腔中回荡。例如，根据应用，可以创建和更改图案以一次分离并操纵多个粒子，也可以形成漩涡以浓缩一组粒子。

但是，无论他们的能力有多先进，声学镊子都被降级为带有专用设备的原型演示和实验室。几乎没有生物学家采用这种技术。

Huang说：“我们的目标是弥合声学创新与生物/临床台式之间的差距。”

在论文中，Huang和他的同事演示了三种原型设置，这些原型设置使用换能器产生声波，以操纵生物医学实验室中最常见的细胞培养板（培养皿）中的颗粒。

在第一种设计中，一组四个换能器（皮氏培养皿的每一侧各一个）产生声波，这些声波彼此相互作用，以在培养皿的液体样品中形成直立模式。该设置可用于多配置细胞图案化，细胞间相互作用研究以及3D组织的构建。

第二种设计是使用倾斜的换能器从培养皿下方发出倾斜的声波，以形成一个漩涡，将碟中的内容物集中在中心。这种能力将使研究人员能够集中生物颗粒来增强信号并构建大细胞球体。

在最终设置中，全息叉指式换能器（两个像拉链一样装配在一起的换能器）从皮氏培养皿下方产生高频束状波，以控制特定位置的粒子。通过在不同设计之间切换，该设置可以刺激细胞以及浓缩和捕获生物颗粒。

这些设置共同展示了易于使用的声学镊子，该镊子可以轻柔地操纵各种各样的细胞和颗粒，而无需触摸或标记它们。潜在的应用包括图案化和打印细胞，分离和分选细胞，控制细胞间的相互作用，构建组织和旋转多细胞生物。

Huang说：“这项研究的目的是在皮氏培养皿中复制我们的声学镊子的某些以前的功能。”他还与人共同创立了一家公司，致力于将该技术商业化。“我们的下一个目标是建立一个单一的原型，以实现这三种设置的所有功能，甚至更多。”

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参考：田振华，王泽宇，张佩兰，Ty Downing Naquin，John Mai，吴玉琪，吴淑杰，杨树杰，顾玉阳，Hunter Bachman，梁耀思，于志明以及Tony Jun Huang，2020年9月9日，《科学进展》。
10.1126 / sciadv.abb0494

这项研究得到了美国国立卫生研究院（R01GM132603，R01GM135486，UG3TR002978，R33CA223908，R01GM127714，R01HD086325），美国陆军医学研究获取活动（W81XWH-18-1-0242）和美国国家科学基金会（ECCS- 1807601）。

“在陪替氏培养皿中生成多功能声学镊子，以实现生物粒子的非接触式精确操纵。”田振华，王泽宇，张佩兰，唐·唐宁·纳昆，约翰·麦，吴玉琪，杨树杰，谷玉阳，亨特·巴赫曼，梁耀思，余志明，黄东俊。科学进展，2020年。DOI：10.1126 / sciadv.abb0494