微流控技術(shù)的核心是在微米尺度下實(shí)現(xiàn)流體的精準(zhǔn)操控全面革新。該技術(shù)為相關(guān)研究提供了高效作用、低耗的技術(shù)支撐，在化學(xué)合成行業分類、生物研究技術特點、疾病診斷等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值提高鍛煉。從技術(shù)發(fā)展來看，微流控系統(tǒng)主要分為兩類：一類是“芯片實(shí)驗(yàn)室（Lab on a Chip, LoC）"凝聚力量，通過在微小芯片上刻蝕微通道實(shí)現(xiàn)流體操控與多步驟實(shí)驗(yàn)集成製高點項目，但其封閉環(huán)境導(dǎo)致樣品可及性差，制造成本較高範圍和領域，且樣品的加載與卸載需專業(yè)操作技能有所增加；另一類是開放式微流控裝置，雖解決了封閉系統(tǒng)的可及性問題更高要求，卻難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的連續(xù)流泵送越來越重要的位置，因此在完成復(fù)雜、多步驟的實(shí)驗(yàn)流程方面存在局限學習。

長期以來結構重塑，科研領(lǐng)域面臨一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)：如何在保持開放易操作特性的前提下，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的連續(xù)流泵送與多步驟集成操作應用優勢。這一問題成為制約微流控技術(shù)在主流科研場景中的普及應(yīng)用高質量發展，而一項(xiàng)基于生物啟發(fā)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，正為破解這一難題提供了突破性思路高效節能。

近日影響力範圍，北京理工大學(xué)劉曉明教授團(tuán)隊(duì)在《PNAS》期刊上在線發(fā)表了題為“Lab on an end: Micromanipulation using the acoustohydrodynamic pillar array as an end effector" 的論著。該研究受到纖毛結(jié)構(gòu)協(xié)同運(yùn)動特點(diǎn)的啟發(fā)新創新即將到來，設(shè)計(jì)了一種名為“Lab on an End（LoE邁出了重要的一步，末端實(shí)驗(yàn)室）" 的聲學(xué)流體微柱陣列裝置，實(shí)現(xiàn)了微流體開放環(huán)境與時空連續(xù)流體操控的兼容設施，展現(xiàn)出對微尺度顆粒需求、生物目標(biāo)及液體的跨尺度、多功能組合運用、靈活操縱能力更讓我明白了。

首先，團(tuán)隊(duì)利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D 打印技術(shù)（nanoArch® P140積極，精度：10 μm）制造了梳狀末端執(zhí)行器探索。在超聲換能器的驅(qū)動下，末端執(zhí)行器附近將產(chǎn)生聲場和局部聲流體現(xiàn)象產業。通過調(diào)制輸入信號的頻率和幅值滿意度，可使聲流體呈現(xiàn)面內(nèi)傳送流、面外旋轉(zhuǎn)流以及基于聲輻射力的捕獲三種效應(yīng)可持續，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微目標(biāo)的捕獲主要抓手、平移、旋轉(zhuǎn)和雙向輸送等功能，操作目標(biāo)涵蓋數(shù)微米的 HeLa 細(xì)胞至毫米尺度的斑馬魚幼苗提供了遵循。此外參與水平，3D打印梳狀末端的表面會產(chǎn)生較大毛細(xì)力，因此還能牽引液滴在疏水表面移動服務效率。

為驗(yàn)證 LoE 操縱個體目標(biāo)的能力重要意義，研究人員通過粒子示蹤驗(yàn)證了上述三種聲學(xué)作用效應(yīng)（圖 2A-2C）統籌發展，并進(jìn)一步利用100 μm大小的聚苯乙烯（PS）顆粒驗(yàn)證了其對目標(biāo)的捕獲、平移體系、旋轉(zhuǎn)及雙向輸送能力（圖 2D-2G）生產製造。相較于其他末端執(zhí)行器，LoE 還具備并行操縱能力攜手共進，研究人員展示了通過同時操縱多個目標(biāo)共同，將分散粒子排列為 “BIT" 圖案的能力（圖 2H）。

在個體微粒操縱的基礎(chǔ)上簡單化，研究人員進(jìn)一步探索了 LoE 在不同生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用明確了方向。

研究人員利用 LoE 完成了 “端到端" 輔助生殖體外細(xì)胞操縱流程系統性。首先，利用 LoE 的捕獲功能捕獲散落各處的卵母細(xì)胞單產提升，并將其排列為一行（圖 3B）傳遞；其次，通過 LoE 的面內(nèi)連續(xù)傳送流將捕獲的卵母細(xì)胞輸送至操縱窗口勞動精神，并將顯微鏡視野聚焦于窗口內(nèi)（圖 3C）開展攻關合作；最后，借助 LoE 的面外連續(xù)旋轉(zhuǎn)流調(diào)整操縱窗口內(nèi)卵母細(xì)胞的姿態(tài)預下達，對其進(jìn)行觀察與重新定向（圖 3D）的有效手段。經(jīng)重新定向的卵母細(xì)胞在胞漿內(nèi)精子注射后可繼續(xù)發(fā)育為胚胎（圖 3E）；胚胎發(fā)育過程中責任，可通過 LoE 持續(xù)觀察其不同時期的狀態(tài)應用情況，并借助顯微視覺三維重建技術(shù)評估胚胎發(fā)育質(zhì)量（圖 3F-3G）。上述多步復(fù)雜操作均可通過同一個末端執(zhí)行器完成組建，體現(xiàn)了其利用 “時空連續(xù)流" 進(jìn)行復(fù)雜多步驟處理的能力表現。

第二首次，研究人員利用 LoE 開展了秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的形態(tài)學(xué)表征研究可能性更大。末端執(zhí)行器陣列在不同末端單元位置可產(chǎn)生穩(wěn)定一致的時間連續(xù)流，確保了線蟲等大長徑比目標(biāo)的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)與輸送。研究人員還提出了一種線蟲局部共聚焦成像技術(shù)：通過 LoE 調(diào)整線蟲的位置與姿態(tài)技術，從不同角度對線蟲不同部位進(jìn)行高精度成像推廣開來，從而避免層析熒光信息受到不同平面熒光信號疊加的干擾（圖 4）。

第三資源配置，研究人員證實(shí)了 LoE 在液體操作中的優(yōu)勢。與其他開放微流體平臺類似相關，LoE 可在疏水表面或油相介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)對水滴的穩(wěn)定捕獲與運(yùn)輸（圖 5A）大力發展。與其他設(shè)備不同的是，LoE 還能在聲流體作用下加速微尺度黏性流體的混合及固體顆粒物的溶解過程生產效率，有效解決了低雷諾數(shù)流體高濃度界面難以擴(kuò)散的問題（圖 5B-5C）產能提升。研究人員還設(shè)計(jì)了 LoE 促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)場景，尤其在傳統(tǒng) LoC 芯片難以處理的含沉淀或氣體生成的化學(xué)反應(yīng)中節點，LoE 展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢（圖 5D）通過活化。通過預(yù)編程設(shè)置，LoE 還能模擬微流體的 “序列化處理" 能力的特點，執(zhí)行多步驟復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)健康發展。

此外最為突出，研究人員還驗(yàn)證了 LoE 在單細(xì)胞及多細(xì)胞操作中的能力落實落細。研究選取生命科學(xué)領(lǐng)域經(jīng)典的 HeLa 細(xì)胞系，首先證實(shí)了其對單細(xì)胞的捕獲高效化、轉(zhuǎn)運(yùn)製高點項目、旋轉(zhuǎn)等操縱能力（圖 6A）。此外範圍和領域，LoE 還可作為高通量操縱工具有所增加，實(shí)現(xiàn) HeLa 細(xì)胞的聚集成團(tuán)（圖 6B），并具備細(xì)胞轉(zhuǎn)染及藥物遞送等功能（圖 6C-6D）更高要求。

總結(jié)：LoE 實(shí)現(xiàn)了 “開放易操作" 與 “連續(xù)流多步驟處理" 的兼顧 —— 既具備開放式裝置靈活便捷不要畏懼、成本低廉、上手快速的特點(diǎn)問題，又能像芯片實(shí)驗(yàn)室一樣完成復(fù)雜實(shí)驗(yàn)逐漸顯現。該裝置無需專業(yè)操作技能，適用于普通實(shí)驗(yàn)室系統穩定性，有望推動微流控技術(shù)在化學(xué)合成拓展基地、生物研究集中展示、輔助生殖等領(lǐng)域的普及，為相關(guān)科研提供高效實(shí)用的工具體系流動性，助力相關(guān)領(lǐng)域取得研究突破探索創新。