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声流控（Acoustofluidics）已成为新兴液滴微流控研究中精确生成、分选、操控及刺激载细胞液滴的强大技术。液滴声流控（Droplet acoustofluidics）利用包括声辐射力（acoustic radiation forces）和声流（acou
声流控（Acoustofluidics）已成为新兴液滴微流控研究中精确生成、分选、操控及刺激载细胞液滴的强大技术。液滴声流控（Droplet acoustofluidics）利用包括声辐射力（acoustic radiation forces）和声流（acoustic streaming）在内的多种机制，以非侵入方式主动操纵液滴。声波卓越的速度、精度和生物相容性使其成为基于液滴的单细胞级生物医学研究的理想工具。本综述全面概述了液滴声流控技术的最新进展，重点介绍了其机理、优势、应用及挑战。研究人员整理了声波的基本原理，并总结了主要应用，包括单细胞液滴生成、分选及液滴内主动操控。尽管当前液滴声流控已取得诸多进展，但研究人员指出了其面临的挑战，并对未来的改进方向提出了见解。这些见解对于推动细胞力学生物学、药物筛选、细胞分选及力学表型分析等交叉学科研究具有重要意义。
以下是论文主体部分的专业总结：
1. 引言
液滴微流控技术通过生成亚纳升级液滴，为单细胞分离、培养和分析提供了大规模、无交叉污染的独立单元。然而，传统方法受限于低细胞封装效率和较弱的操控能力。为此，需要引入强大的外部力场进行主动操控，其中声学力因其非接触、精准和生物相容性等独特优势，在液滴生成、分选、操控和传感等方面展现出巨大潜力。液滴声流控旨在实现两大目标：一是处理包含目标物的液滴，二是操控液滴内部的靶标。
2. 液滴声流控原理：从波形到驱动力
2.1. 声波的产生与传播：表面波与体波
根据能量分布区域及传播是否受介质边界影响，声波可分为表面声波（SAW）和体声波（BAW）。SAW能量集中于固体表面，频率通常在兆赫兹范围，由叉指换能器（IDT）激发。行波表面声波（TSAW）和驻波表面声波（SSAW）是其两种基本形式。SAW技术具有声场高度聚焦和响应迅速的优点，但也存在能量快速衰减和热效应等问题。BAW则是在压电薄膜内部利用谐振现象产生，能在微通道上下壁间反射形成稳定的驻波场，具有声压节点和反节点。BAW更适合高频应用且设备简单，但其均匀的声场分布缺乏高聚焦能力。
2.2. 声辐射力
声辐射力是声波传播过程中向物体传递动量而产生的稳态力。当声波遇到物体时，会发生散射、吸收和再辐射等复杂相互作用。对于远小于波长的粒子，声场激发粒子的单极子和偶极子散射，将其推向声场的稳定区域，此时力的大小与粒子直径的立方成正比。当粒子尺寸接近或超过波长时，声辐射力的大小和方向会随粒子尺寸振荡，甚至可能发生反转。
2.3. 声流
声流是指高频声波在流体中传播时，因能量衰减引起的非线性效应所驱动的稳定宏观流动。它可分为体积效应声流和边界效应声流。体积效应声流由声波在流体内部的体积衰减引起，通常表现为大规模的单向或涡旋流动。边界效应声流（瑞利流）则发生在固体壁面附近的粘性边界层内，由速度梯度在粘性耗散作用下转化为稳态剪切应力，驱动流体形成封闭循环结构。
3. 液滴声流控技术的主要平台：从生成到高级操控
3.1. 声控液滴生成
3.1.1. 物理机制与理论基础
主动式液滴发生器利用外部信号实时控制液滴生成的频率和时间，实现按需生成。声学液滴发生器利用声辐射力和声流两种核心物理效应。声辐射力作为主要驱动力，可被精确聚焦于液体射流处，施加交替扰动使液柱发生瑞利-普拉托不稳定性而断裂成液滴。该过程的定量演化由色散关系严格支配，通过精确调节声学参数控制扰动频率和振幅，即可实现对断裂时机和液滴体积的高精度数字编程。声流效应在此过程中起补充和增强作用，如加速混合和提供剪切力确保液滴干净分离。
3.1.2. 技术演进与性能指标
研究表明，利用SAW可按需生成单个液滴，并已推进至皮升乃至飞升级别。聚焦表面声波（FSAW）的引入使得液滴脱离主要依赖聚焦声力而非流体剪切力。BAW技术也被用于在油水界面切断液柱，实现跨数量级的液滴尺寸控制。在单细胞封装方面，TSAW实现了荧光激活按需生成，使单细胞封装成为主要结果。此外，声学方法还成功应用于高粘度分散相流体和液态金属微滴的生成。在装置简化方面，有研究提出仅依靠声流维持高效液滴生产的振动尖端毛细管方案，以及结合可编程设计实现按需生成不同体积液滴序列的系统。与其他主动式液滴发生器相比，声学液滴发生器的核心优势在于高生物相容性和通用性。
3.2. 声动力液滴分选
3.2.1. 分选原理与系统架构
典型的液滴分选过程包括分选目标识别和信号触发的分选两步。报告系统将生化信号转换为电信号，识别系统即时分析信号强度，一旦检测到符合预设标准的液滴，立即触发分选系统，将目标液滴导入收集通道。
3.2.2. BAW、TSAW与SSAW分选平台的比较分析
声动力液滴分选可分为BAW分选、TSAW分选和SSAW分选三类。BAW分选利用声波在流体中传播时产生的机械效应，将液滴推向声场中的压力节点。TSAW分选精度更高，集成度更强，其能量几乎完全局域在基片表面一个波长深度内，通过泄漏到流体中的能量转化为流体动量来推动液滴。SSAW分选结合了BAW和TSAW的优势，通过在基片表面形成周期性分布的静止驻波场来实现对液滴的精确静态操控。声学液滴分选在生物相容性和操控精度方面表现卓越，无需添加试剂即可保持细胞的原始完整性，并能产生从微米级单细胞到纳米级外泌体的精细力梯度，且兼容性强，易于与光学成像、电阻抗检测等模块集成。
3.3. 声学液滴操控
3.3.1. 液滴的整体操控：分裂、融合、捕获与释放
在声学液滴分裂方面，研究实现了集液滴驱动与阻抗感测于一体的闭环自动控制，以及利用驻波声场实现高通量连续可控的液滴分裂。最新的“声学纳米剪刀”技术将分裂操作尺度延伸至纳米和飞升级别。在液滴融合方面，通过构建可调谐声泳力场实现了无残留的推力挤出和拉力汇聚两种融合模式，以及利用双面相控阵实现多对液滴的高通量融合。液滴超声镊（DUT）进一步实现了多个液滴的可编程协调操控。在液滴捕获与释放方面，“声学阀门”概念利用可切换虚拟屏障实现非接触捕获和释放。基于超声相控阵的DUT系统可将液滴沿任意程序化路径驱动，并通过改变焦点位置实现按需释放。还有研究提出了一种利用高频超声在液滴内部形成极端压力梯度的声学俘获机制，其捕获力远超常规声流力，且关闭声场后液滴内部应力瞬时消失。
3.3.2. 液滴内部操控：加热、涡旋与颗粒操控
在声学液滴加热领域，研究建立了行波路径上液滴声热过程的理论模型，指出机电-声耦合产生的声热效应是主要热源，而声流引发的强制对流显著增强了内部传热。该效应已被应用于微液滴除冰和数字聚合酶链反应（PCR）芯片的设计。声学涡旋旨在重新排列液滴内部组分和物理性质，如利用SAW驱动液滴涡旋并结合声流效应构建非接触式微纳离心平台，可实现纳米颗粒的快速富集和尺寸分选，以及实现液滴内颗粒的全三维轨迹控制。声学液滴内颗粒操控可直接实现内部组分的重排，例如利用倾斜指状叉指换能器（SFITs）产生的行波声场在移动液滴内实现颗粒的尺寸分级分离。声流控黑洞（AFBH）结构可形成高度局域化的强声场，实现液滴内颗粒的平移、聚集和图案化排列。针对纳米级目标，研究发现液滴在声场中的动态变形是诱导有效纳米颗粒富集的关键机制。
