可重构声介电场驱动混合胶体选择性图案化研究

《Lab on a Chip》：Selective patterning of hybrid colloids via reconfigurable acoustic-dielectric fieldOpen Access

　　

声泳和介电泳常被用于微尺度颗粒与细胞的操控，但通常作为两种独立的模式使用。本文展示了一种利用可重构表面声波微流控平台对微米和纳米颗粒进行动态、选择性图案化的方法，该平台通过单一激励模态同时集成了声辐射力（ARF）和介电泳力（DEP）。该平台能够基于频率调制声波极化，在不改变器件几何结构或缓冲液条件的情况下，动态控制声流体力学（AHD）模式与电流体力学（EHD）模式之间的竞争。该系统展示了现有单独声泳或介电泳技术无法实现的、对不同微米和纳米材料进行选择性图案化的卓越能力。特别是，该平台的实用性体现在对活细胞和死细胞进行高可逆性和高重复性的选择性图案化，以及控制细胞与功能化微粒之间的相互作用。这些结果共同证明了可重构声流控平台的潜力，其中声学效应构建力场，而介电效应定义力场的占据状态，为多样化的微尺度自组织应用提供了一个灵活且可逆的框架。

论文解读

一、研究背景、现存问题与研究意义

在微纳尺度下精准操控颗粒与细胞是发展新型功能材料和生物医学应用的关键技术。传统的操控方法如磁泳、光镊和水动力学操控等，虽各有优势，但在通量或适用性上存在局限。声流体力学（AHD）与电流体力学（EHD）因其无标记、生物兼容性好等特性，成为重要的操控手段。然而，传统声泳（acoustophoresis）主要通过尺寸和声学对比度区分颗粒，对细胞活性、表面修饰或物性相近的颗粒缺乏选择性；介电泳（dielectrophoresis, DEP）虽能基于导电率和介电常数实现高选择性操控，但面临电极污染和降解等问题。现有的混合系统要么将声场与电场分离，增加操作复杂度，要么只能顺序而非同步施加两种力场，限制了其协同效应的发挥。

为解决上述问题，研究人员开发了一种可重构声域（reconfigurable acoustic domain, RAD）器件，其核心创新在于利用同一组叉指换能器（interdigitated transducer, IDT）同时产生共定位的声压场和交变电场，并通过调节输入信号的频率来动态平衡声辐射力（acoustic radiation force, ARF）与介电泳力（DEP）的相对强度。这一设计无需改变器件几何结构、电极配置或缓冲液条件，即可在声学主导的AHD模式和电学主导的EHD模式间灵活切换，实现了对多种颗粒和细胞的高效、选择性、可逆图案化操控，为微尺度自组装、细胞分选及生物分析提供了全新的平台。

二、关键技术方法

1. 1.
   可重构声域（RAD）器件制备：采用标准光刻技术在128° Y切铌酸锂（LiNbO₃）压电基底上沉积Cr/Au叉指换能器（IDT），并通过等离子键合工艺将聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流道封装于IDT阵列中心。
2. 2.
   双模操控机制：通过在IDT共振频率（AHD模式，产生准瑞利波）或其110%-120%频率（EHD模式，产生准剪切水平波）下激发，分别实现强声辐射力（ARF）与弱电场、或弱声场与强介电泳力（DEP）的主导模式切换。
3. 3.
   颗粒与细胞样品制备：使用1 μm聚苯乙烯（PS）微球和1-2 μm银包覆二氧化硅（SCS）微球验证材料选择性；采用人Jurkat T淋巴细胞系，通过Calcein AM染色区分活/死细胞，并通过生物素-链霉亲和素系统实现细胞与功能化微球的结合实验。

三、研究结果

理论与基础图案化

理论分析与仿真表明，在AHD模式下，声辐射力（ARF）主导颗粒运动，正声学对比因子（ACF）的聚苯乙烯（PS）颗粒聚集于声压节点；同时，较弱的电场引发颗粒形成珠链状结构。在EHD模式下，电场增强、声场减弱，PS颗粒因负介电泳（nDEP）力向电场极小值偏移，且链长增加。通过正交方向分别施加AHD与EHD模式，可实现ARF与DEP力的协同平衡，使颗粒定位于声压节点与电场极小值的重叠区域。

选择性颗粒操控——AHD模式

在二维AHD模式下处理PS与SCS混合颗粒，形成了三种不同类型的聚集体：仅含PS颗粒的非导电聚集体（位于声压节点与电场极小值重合处）、仅含SCS颗粒的导电聚集体（位于声压节点与电场极大值附近），以及两者混合的中间电学性质聚集体。这表明在AHD模式下，声场主导空间排布，电场在声节点内部进行二次分类。

选择性颗粒操控——EHD模式

在二维EHD模式下，PS与SCS颗粒被完全分离至不同节点。PS颗粒仅出现在与电场极小值重合的声压节点，并形成菱形聚集体；SCS颗粒则主要受正介电泳（pDEP）力支配，定位于电场极大值处，其分布几乎不受声场影响。这实现了对尺寸相似但导电性不同的颗粒的单步、选择性图案化。

可逆性与可重构性

通过简单地切换输入信号频率（30 MHz与33.5 MHz之间），系统可在AHD与EHD模式间实时、可逆地转换。对于PS与SCS混合物，从随机分布到AHD图案化，再到EHD选择性分离，最后返回AHD模式，整个过程展现了高度的可重构性与可逆性。

生物应用：活/死细胞选择性图案化

在AHD模式下，活细胞与死细胞均被无差别地聚集于声压节点，表明声场对细胞活性不敏感。切换至EHD模式后，死细胞因发生nDEP，受力方向与ARF相反，最终平衡于声压节点与电场极小值之间的位置；而活细胞因膜电位维持，发生正介电泳（pDEP）并形成链状结构，从而实现了基于细胞膜完整性的实时、无标记选择性图案化。返回AHD模式可恢复非选择性聚集，证明了系统的可逆性。

生物应用：细胞-微球相互作用调控

利用AHD模式将链霉亲和素包被的PS微球与生物素化的活Jurkat细胞强制共聚集于声压节点，促进受体-配体结合。随后切换至EHD模式，由于DEP力对1 μm PS微球作用较弱，仅活细胞被重新定位，从而实现未结合微球与细胞的快速空间分离，允许直接观察并量化细胞表面的结合微球。此过程可在数秒内完成，远快于传统离心法，实现了对相互作用时间的精确、按需控制。

四、讨论与结论

该研究的核心优势在于通过单一IDT源耦合了声辐射力（ARF）与介电泳力（DEP），并实现了两者相对强度的按需调控。颗粒在两种模式下的位置编码了其物理性质信息，无需改变通道、电极几何形状或缓冲液条件。该技术适用于尺寸相似、材料混合的颗粒分选，以及具有细微内在差异的生物样本。系统的高鲁棒性和可逆性使其能够对同一样本进行随时间变化的重复测量。未来改进方向包括缩短图案化所需的停留时间（目前为数十秒），以及优化操作参数以平衡ARF、DEP、声流和热效应。当两种颗粒的声学对比因子（ACF）和克劳修斯-莫索蒂因子（CMF）过于接近时，系统选择性会达到极限，但可通过调整IDT指间距或缓冲液电导率来改变交叉频率，从而提供新的分选维度。

研究结论指出，本研究展示了一种可重构声域（RAD）平台，其中声辐射力（ARF）建立底层图案景观，而介电泳力（DEP）控制细胞和颗粒在该景观中的位置。通过频率控制调节这两种力的相对强度，该器件可以在相同的几何结构和缓冲液条件下，在不同微观材料和生物细胞的声学聚集与选择性图案化模式之间可逆转换。这种组合力方法能够基于内在材料和细胞特性实现选择性图案化，为微尺度制造、新型材料生产和生物分析应用提供了一个灵活的框架。