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本文综述了超声在细胞操控和组织工程领域的应用。介绍了超声操控细胞的物理机制、五种装置设计，阐述其在多种组织细胞培养中的应用，探讨了面临的挑战与前景，为该技术发展提供参考。
1. 引言
在体外组织工程领域，经典的细胞、信号、支架三要素虽取得进展，但只能培养简单细胞复合物。远程波或场的应用被视为组织工程的第四要素，有助于创建复杂细胞系统。超声波波长在微米尺度，可用于操控细胞。其具有安全、非接触、精确和可调等优势，在组织工程领域应用前景广阔。目前主要有镊子装置、声学全息图、流中驻波装置、表面声波（SAW）装置和体声波（BAW）装置这五种设计，能将细胞在基质中按设计模式排列，且所需超声波强度和频率对活细胞无害。
2. 超声波操控粒子的物理机制
2.1 物理机制
超声波与粒子的机械相互作用难以精确计算，但在一些简化情况下可以求解。对于理想液体中的小粒子，超声波对其施加的力可通过特定公式计算，公式中涉及粒子半径、材料压缩性、密度以及声压和声速等参数。在组织工程中，重要的是细胞的静态位置，通过调节超声场可精确操控细胞。
2.2 装置设计
- 声学镊子：利用声波在流体环境中无物理接触地操控单个粒子，可对从纳米级外泌体到毫米级斑马鱼幼虫等生物粒子进行精确操作。
- 声学全息图：通过操控声波形成特定模式和结构，是对声场的三维表示，能创建复杂细胞图案。
- 流中驻波：在流体流中创建驻波场，可沿流动方向排列细胞，用于分离流体中的物质。
- 体驻波：是在材料内部传播的超声波，能实现细胞的三维排列。
- 表面驻波：沿材料表面传播，振幅随深度指数衰减，用于在表面排列细胞 。研究证明，超声波产生的热和机械影响不会影响细胞的生化行为和基因表达。
3. 超声波用于粒子操控
3.1 操控单个粒子
声学镊子主要用于操控单个粒子。研究人员对其设计进行了优化，如 Tian 等人开发的声学镊子可直接在标准培养皿中操控生物粒子，具有多种功能且可重复使用；Kang 等人利用圆形、倾斜指状叉指换能器实现了对微粒和细胞的动态、可重构操控；Baresch 等人研究了单束声学镊子在三维空间中操控微泡的应用。
3.2 创建静态细胞系统
声学全息图、流中驻波、体驻波和表面驻波等四种装置主要用于创建细胞系统。研究人员通过优化技术，利用这些装置在生物相容性水凝胶中进行细胞图案化、构建三维结构、精确调制声波以提高粒子操控精度等。声学图案化创建的静态细胞系统可应用于研究肿瘤转移、生物打印、干细胞行为和组织再生等多种生物学过程。
3.3 创建动态细胞系统
超声波还可用于创建动态细胞系统。Wang 等人利用表面声波（SSAW）在生物相容性水凝胶基质上制造图案化微结构，促进细胞迁移和增殖；Yang 等人开发的 HANDS（谐波声学非接触动态和选择性）粒子操纵平台，可精确可逆地操纵胶体晶体和生物细胞，研究细胞间相互作用。
4. 超声驻波用于组织工程
研究人员利用超声装置将细胞排列成稳定、空间有序的系统，研究肿瘤转移、生物打印和组织再生等生物学过程。例如，Zhang 等人的组织工程声泳（TEA）装置可增强小鼠间充质基质细胞（mMSCs）的成骨分化；Serpooshan 等人利用法拉第波通过生物声学图案化制造 3D 心脏组织；Armstrong 等人通过高分辨率声学细胞图案化工程化模拟深层区域细胞结构的软骨组织等。
5. 超声驻波用于器官工程
通过调节超声波的振幅、频率和相位，实时控制细胞系统的位置和运动，增强细胞迁移和增殖，研究细胞间相互作用。Bouyer 等人的生物声学悬浮（BAL）组装方法用于工程化多层 3D 脑样构建体；Cai 等人快速构建 3D 神经球模拟阿尔茨海默病；Ao 等人实现人脑类器官的可控融合等。
6. 挑战与展望
可调谐超声驻波装置在控制粒子和组织细胞方面潜力巨大，但目前缺乏通用平台，现有装置灵活性有限，需结合压电换能器和先进计算机软件。此外，该技术应用的组织类型有限，构建更复杂细胞系统的潜力未充分挖掘，未来应拓展其在更多组织类型中的应用，构建更复杂的细胞系统。
