В основе технологии микроуправления потоком лежит точное управление жидкостью в микрометровом масштабе. Эта технология обеспечивает эффективную и низкозатратную техническую поддержку для соответствующих исследований и имеет важное прикладное значение в таких областях, как химический синтез, биологические исследования и диагностика заболеваний. С точки зрения технологического развития, микросистемы управления потоком в основном делятся на две категории: один - « Лаборатория микросхем (Lab on a Chip, LoC) », которая реализует управление жидкостью и многоступенчатую экспериментальную интеграцию путем вырезания микроканалов на микрочипах, но ее закрытая среда приводит к плохой доступности образцов, высокой стоимости производства, а загрузка и разгрузка образцов требуют профессиональных навыков работы; Другая категория - это открытое микроустройство управления потоком, которое, хотя и решает проблему доступности закрытой системы, трудно достичь стабильной непрерывной насосной подачи, поэтомуСуществуют ограничения в выполнении сложных, многоступенчатых экспериментальных процессовА.

В течение долгого времени область научных исследований сталкивается с основной проблемой: как обеспечить стабильную и контролируемую непрерывную подачу насосов и многоступенчатую интеграцию при сохранении открытых и простых в эксплуатации характеристик. Эта проблема стала препятствием для популяризации и применения технологий микроуправления потоком в основных научных сценариях, а инновационный дизайн, основанный на биологическом вдохновении, предоставляет прорывные идеи для решения этой проблемы.

В последнее время,Команда профессора Лю Сяомина из Пекинского технологического университета в « PNAS»В журнале была опубликована статья под названием«Лаборатория на конце: микроманипуляция с использованием акустогидродинамического колонного массива в качестве конечного эффектора»Дискография.Вдохновленное особенностями синергического движения ресничной структуры, исследование разработало акустическое устройство с жидкой микроколонной под названием « Lab on an End (LoE, End Laboratory) ».Достигнута совместимость открытой среды микрожидкости с непрерывным манипулированием жидкостью во времени и пространстве, что демонстрирует межмасштабную, многофункциональную и гибкую способность манипулировать микрочастицами, биологическими целями и жидкостями.

Во - первых, команда используетМикроскопическая литография с прецизионной поверхностью (P - мкSL) 3D - печать (nanoArch) ® P140， Точность: 10 мкм)Создан гребенчатый концевой привод. При приводе ультразвукового преобразователя вблизи конечного исполнителя будут возникать звуковые поля и локальные акустические жидкости. Модулируя частоту и амплитуду входного сигнала, акустическая жидкость представляет три эффекта: внутренний поток передачи, внешний вращающийся поток и захват на основе силы акустического излучения, что, в свою очередь, позволяет выполнять функции захвата, переноса, вращения и двусторонней передачи микроцелей, которые охватывают саженцы зебры от нескольких микрон клеток HeLa до миллиметра. Кроме того, поверхность гребенчатого конца, напечатанного на 3D - принтере, создает большую капиллярную силу, поэтому она также может перемещать капли тяговой жидкости по гидрофобной поверхности.

Чтобы проверить способность LoE манипулировать индивидуальными целями, исследователи проверили три вышеупомянутых эффекта акустического действия с помощью индикаторов частиц (рисунок 2A - 2C) и далее использовали частицы полистирола (PS) размером 100 мкм для проверки захвата, сдвига, вращения и двусторонней передачи энергии цели (рисунок 2D - 2G). По сравнению с другими конечными исполнителями, LoE также обладает способностью к параллельному манипулированию, и исследователи продемонстрировали способность выстраивать дисперсные частицы в узоры « BIT», манипулируя несколькими целями одновременно (рисунок 2H).

Основываясь на манипулировании отдельными частицами, исследователи дополнительно изучили применение LoE в различных биомедицинских и химических исследованиях.

Используя LoE, исследователи завершили процесс « сквозной» манипуляции внегенитальными клетками. Во - первых, используйте функцию захвата LoE для захвата ооцитов, разбросанных по всему миру, и расположите их в одной строке (рисунок 3B); Во - вторых, пойманные ооциты доставляются в окно управления через непрерывный поток в поверхности LoE и фокусируют микроскопическое поле зрения в окне (рисунок 3C); Наконец, регулируйте положение яйцеклетки в окне управления, наблюдая и перенаправляя ее с помощью непрерывного вращающегося потока за поверхностью LoE (рисунок 3D). Перенаправленные ооциты могут продолжать развиваться в эмбрионы после инъекции спермы в плазме (рисунок 3E); В процессе эмбрионального развития состояние эмбриона в разное время можно постоянно наблюдать с помощью LoE, а качество развития эмбриона оценивается с помощью технологии трехмерной реконструкции микроскопического зрения (рисунок 3F - 3G). Вышеупомянутая многоступенчатая сложная операция может быть выполнена одним и тем же конечным исполнителем, что отражает его способность использовать « пространственно - временную непрерывность» для сложной многоступенчатой обработки.

Во - вторых, исследователи использовали LoE для создания красивых скрытых нематод (С. elegans) Исследование морфологических характеристик. Конечная решетка исполнителей может генерировать стабильную и последовательную временную непрерывность в разных точках конечной единицы, обеспечивая стабильное вращение и доставку цели с большим отношением диаметра, такой как нематоды. Исследователи также предложили метод локальной конфокальной визуализации нематод: высокоточное изображение различных частей нематоды под разными углами путем корректировки положения и положения нематоды с помощью LoE, чтобы избежать помех, создаваемых наложением флуоресцентных сигналов на разных плоскостях (рисунок 4).

В - третьих, исследователи подтвердили преимущества LoE в работе с жидкостями. Подобно другим открытым микрожидкостным платформам, LoE обеспечивает стабильный захват и транспортировку капель на гидрофобных поверхностях или в масляной среде (рис. 5A). В отличие от других устройств, LoE также ускоряет процесс смешивания микроразмерной вязкой жидкости и растворения твердых частиц под действием акустической жидкости, эффективно решая проблему диффузии на высококонцентрационном интерфейсе жидкости с низким числом Рейнольдса (рис. 5B - 5C). Исследователи также разработали экспериментальные сценарии, в которых LoE способствует химическим реакциям, особенно в химических реакциях, содержащих осадки или газообразование, которые трудно обрабатывать традиционным чипам LoC (рисунок 5D). С помощью предварительно запрограммированных настроек LoE также может имитировать способность микрожидкостей « сериализовать» и выполнять многоступенчатые сложные химические реакции.

Кроме того, исследователи проверили способность LoE к одноклеточным и многоклеточным операциям. В исследовании была выбрана классическая клеточная линия HeLa в области наук о жизни, которая сначала подтвердила ее способность манипулировать захватом, транспортировкой, вращением и другими одноклеточными клетками (рисунок 6A). Кроме того, LoE может использоваться в качестве высокопроизводительного манипулятора для достижения агрегации клеток HeLa (рисунок 6B) с такими функциями, как транскрипция клеток и доставка лекарств (рисунок 6C - 6D).

Подводя итог: LoE реализует баланс между « открытой и простой работой» и « многоступенчатой обработкой непрерывного потока» - как с открытыми устройствами, которые являются гибкими и удобными, недорогими и быстрыми, так и с возможностями для проведения сложных экспериментов, как чип - лаборатория.Устройство не требует профессиональных эксплуатационных навыков, подходит для обычных лабораторий, как ожидается, будет способствовать популяризации технологии микроконтроля потока в области химического синтеза, биологических исследований, вспомогательной репродуктивной функции и других областях, для соответствующих научных исследований, чтобы предоставить эффективные и практические инструменты, чтобы помочь соответствующим областям сделать прорыв в исследованиях.