《Ultrasonics》：Focused ultrasound-based acoustic holography for 3D cell patterning and biomimetic microenvironment construction
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摘要聚焦超声（FUS）提供了一种非接触式的定向声场，被广泛应用于多种生物医学领域。然而，传统凹面换能器在物理上局限于单一固定焦点，缺乏满足日益复杂的功效需求所必需的动力学声场调制灵活性。在本工作中，我们提出了一种基于聚焦超声的声全息术（FUS-AH）方法，使凹面换能器能够实现
摘要
聚焦超声（FUS）提供了一种非接触式的定向声场，被广泛应用于多种生物医学领域。然而，传统凹面换能器在物理上局限于单一固定焦点，缺乏满足日益复杂的功效需求所必需的动力学声场调制灵活性。在本工作中，我们提出了一种基于聚焦超声的声全息术（FUS-AH）方法，使凹面换能器能够实现精密的空间控制并生成复杂的多焦点图案。通过系统地研究汇聚区域内的传播机理，我们发现了一种固有的聚焦汇聚驱动缩放机制，可在不改变相位板的情况下沿Z轴对复杂声场进行连续横向缩放。此外，FUS诱导的几何汇聚触发了调制全息场的自干涉，产生局域准驻波，从而在完全开放、无约束的环境中实现超精细声捕获，持续重建线宽亚毫米级（0.36–0.51 mm）的连续复杂拓扑结构。利用这些能力，我们展示了快速、高通量和跨尺度的多层细胞图案化，其中细胞聚集体成功定位于高度有序、均匀的矩阵中，具有标准化簇直径（175.7–216.2 μm）和刚性几何中心间距（变异系数CV ≤ 11.2%）。最后，建立了一个仿生多层肿瘤-血管微环境模型，在12天培养期内表现出稳健的长期结构成熟化，肿瘤面积扩张达74.47%。该技术在药物递送、微操纵、经颅治疗和生物组织工程等领域具有巨大潜力。
引言
精确的细胞排列是生物组织工程中创建仿生微结构的基础技术[1]。基于声场的细胞图案化方法因非接触性和良好的生物相容性而受到越来越多的关注[2]、[3]。然而，传统的基于驻波的声场通常具有简单、对称的几何结构，微粒被限制在声场的节点或波腹处对齐[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。声全息术（AH）是一项变革性技术，能够将声场重新配置为任意分布。它能够实现高通量、非接触和高精度的2D微粒图案化，并具有非对称形状，为组织工程提供了一个具有重大前景的生物相容性平台。[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。
尽管具有这种潜力，现有的AH方法在图案复杂性和操作灵活性之间难以平衡。通常，单个全息相位板为特定尺度下的固定图案而设计。这种缺乏可重构性显著阻碍了AH技术的实际应用。为此，一些研究者试图开发动态或可调谐的声全息系统。例如，Ma等人[21]提出了一种使用微气泡作为全息材料的方法。利用气体与液体之间显著的声阻抗不匹配，他们使用专门设计的电极阵列通过电解产生程序化的微气泡图案。这些微气泡阵列充当"动态掩模"来调制入射波的相位和振幅。类似地，另一种方法利用了光控电化学反应，其中投射到硅片上的光图案局部增强了电导率以产生基于微气泡的声全息图，有效地将入射平面波转换为多个焦点[22]。此外，Xu等人[23]展示了一种可编程的AH方法，通过改变中间流体介质的声速来产生所需的声场。通过将多个图像编码到单个全息相位板中并调节流体声速，他们实现了可重构的干涉图案。Hu等人[24]基于多频率最优累积算法设计了二元孔径板，实现了双频超声全息术，其中新算法引入了额外的频率自由度，从而增强了二元孔径的信息编码容量。然而，虽然这些方法增强了灵活性，但通常需要复杂的外围设备（如电极控制器、光学投影系统或精密流体管理）和精细的设计方案。从根本上说，由于这些传统方法依赖于平面声源，它们被严格限制在固定的1:1横向投影比例上，无法实现简单的被动式多尺度声场调节。
另一个关键限制是AH主要局限于2D细胞图案化[25]、[26]、[27]。真实的生物组织具有复杂的3D多层结构和生物梯度，而2D模型无法准确复制[28]、[29]、[30]。聚焦超声（FUS）是一种理想的声源，具有非接触性、高强度和深度组织穿透性[31]、[32]、[33]。该方法被认为可用于体内3D构建[34]。它已被广泛应用于治疗领域，如经颅治疗和无创治疗[35]、[36]。然而，传统FUS换能器只能产生单一焦点，这限制了其在多样化细胞图案化需求中的效用。虽然一些研究已将AH整合到FUS场中，但这些先驱探索严格局限于逐点像差校正或在精确焦平面上生成少数离散焦点用于热/机械消融或产生超声涡流用于粒子操纵[37]、[38]、[39]、[40]。FUS-AH系统在整个汇聚体积内的纵向传播动力学、固有缩放规律以及自干涉行为仍未被探索，特别是关于其作为连续跨尺度细胞操作工作空间的效用。
在本研究中，我们利用聚焦超声固有的Z轴汇聚特性来实现多尺度声全息调制。通过将全息相位图与FUS的球面波前整合，我们揭示了一种被动的场压缩机制，该机制仅通过选择不同的轴向上像平面即可实现对复杂目标图案的连续横向缩放。该方法不需要机械重构全息板或复杂的外部设备。关键的是，FUS诱导的全息束几何汇聚自然地在焦点附近诱导局域自干涉，打破了传统驻波图案需要精确设计谐振腔的约束，使得能够在完全开放的环境中生成复杂的周期性准驻波。为了建立这种多尺度调制的预测框架，通过数值模拟和理论计算绘制了声场在不同轴向上像平面上的空间演化、缩放轮廓和干涉动力学。这些理论预测通过气-液界面形变和光投影进行了实验验证，并使用微粒验证了不同成像平面上的声场分布。我们证明该方法可以在GelMA水凝胶中实施快速逐层3D细胞组装。图案化细胞在12天培养期内表现出持续活力和增殖。因此，FUS-AH方法为非接触、跨尺度和长期细胞图案化提供了一条新途径，在体内组织工程和体外疾病建模方面具有重大潜力。
章节摘要
基于FUS的声全息术原理
FUS-AH调制的根本机制源于聚焦声场的空间汇聚特性。在我们的实验配置中，一个3D打印的全息相位板直接与3.46 MHz球形凹面换能器（H-102，Sonic Concepts，美国）耦合。相位板施加了设计好的压力分布，随后沿聚焦光束路径传播和叠加（图1）。通过水介质维持声耦合至
讨论
为了进一步定位所提出的FUS-AH平台的运行能力，至关重要的是将其性能特征与现有的传统细胞图案化模式进行严格评估。传统的表面声波或体声波（SAW/BAW）技术提供了单细胞尺度下的卓越空间分辨率；然而，它们本质上依赖于刚性物理壁、微流道或封闭谐振腔来维持稳定的驻波场。这种严格
结论
总之，我们成功开发了一种基于聚焦超声（FUS）声全息术（AH）的多用途、灵活逐层3D细胞排列系统。通过利用FUS独特的声场调制能力——包括Z轴几何缩放和焦点附近准驻波图案的形成——该系统有效解决了高通量处理和空间灵活性之间的长期权衡问题。我们的研究结果表明，该平台
实验设置
基于FUS的声全息术实验配置如图S1a所示。聚焦超声换能器位于水箱底部，3D打印的声全息板直接安装在换能器上以调制发出的声场。换能器和全息板均完全浸没在水中以确保声能的高效耦合和传输。
使用定制的支架固定培养皿并
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本论文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究获得澳门特别行政区科技发展基金（FDCT）0021/2022/A1资助，以及澳门大学研发事务办公室研究经费MYRG-GRG2025-00213-IAPME，授予周盈盈；部分由澳门特别行政区科技发展基金（FDCT）（0002/2024/TFP）资助。
Yu Liu|Ziyu Huang|Yuxin Wang|Zhichao Ma|Yinning Zhou
中国澳门特别行政区 6800, 澳门大学物理与材料工程学研究所，先进材料研发中心，Taipa 999078, 中国澳门特别行政区
