声场驱动的微操作技术在生物医学领域的应用前景
声场驱动的微操作技术在生物医学领域的应用前景
声场驱动的微操作技术是近年来生物医学领域的重要突破之一。该技术利用声波（尤其是超声波）的生物相容性和高穿透力，实现了对微观物体的无接触操控。德国斯图加特大学研究人员在《Engineering》期刊上发表的最新研究，深入探讨了这一技术在生物医学领域的应用前景。
声波（尤其是超声波）具有生物相容性，能够很好地穿过生物组织。此外，声波的波长和强度可以在几个数量级上进行调整。最值得注意的是，常用的10300 MHz的频率范围对生物医学应用具有重要意义，因为该频率范围在水中的波长（5150 μm）与细胞长度尺度相对应。因此，声场驱动的微操作技术已经成为生物医学研究和临床诊断的一个有前途的工具。
图1 微尺度声操控及其生物医学应用。
德国斯图加特大学Zhichao Ma和Peer Fischer研究人员在中国工程院院刊《Engineering》2023年5月刊发表了题为“Acoustic Micro-Manipulation and Its Biomedical Applications”（声场驱动的微操作技术及其生物医学应用）的观点述评文章，探讨了声场驱动的微操作技术及其在生物医学中的应用，介绍了声流效应和声辐射力如何用于操控微观物体。文章阐述了声学微操作在无接触操控、细胞分离、图案化和远程捕捉等方面的潜力，强调了声波的生物相容性和高穿透力，以及该技术在植入式设备、微流控装置和非侵入性治疗中的广泛应用前景。
文章指出，声流效应是由声波的衰减和随之而来的流体的诱导运动引起的，并可用于操控微观物体。这种效应可以在振动的流体边界附近产生，如振动的气泡表面或共振的微结构表面。其中声能的衰减引起边界层流，也被称为Schlichting流。这种边界层流的剪切力驱动了大量流体的流动，这种流体被称为Rayleigh流。声流也可以在声波传播的流体中产生，在这种情况下，声流被称为Eckart流。由于流体的阻力，悬浮在声流中的颗粒会随着声学引起的流动而迁移或旋转。这些流动使微观物体和流体本身的声操控成为可能，可用于泵送、混合和旋转运动。实现声操控的典型系统是用一个微流控室，其中微结构或微气泡的共振模式被大约在千赫兹范围内的声波激发。由此产生的声流强度和轮廓取决于声学强度和声场分布。声流允许对细胞和生物体进行无接触操控，并已成为生物医学研究中一个有前景的工具。
文章表明，在声泳技术最新进展的推动下，无接触和非侵入性的声场驱动的微操作技术为控制微型物体提供了多功能的工具，并为生物医学研究带来了巨大的潜力。部分研究也表明，次级Bjerknes力所带来的相互吸引是如何实现对更大物体的精确定位和操控的，其中次级Bjerknes力是由气泡阵列在流体中长距离相互作用所产生的。在未来，技术进一步的发展将扩大潜在的应用范围，包括以下一些令人兴奋的方向：①高频声波，如高超声速波，有望应用于声场驱动的微操作技术；②生成和塑造复杂声场有望改善声场驱动的微操作技术的各种应用，如细胞图案化、捕获和旋转；③声场驱动的微操作技术的新原理可能在其他声学效应中发挥重要作用，如声学液滴汽化、惯性空化和压电；④设想声场驱动的微操作技术的这些发展将推动生物医学的研究，包括样品预处理、生物力学和药物输送。
引用信息：
Zhichao Ma, Peer Fischer. Acoustic Micro-Manipulation and its Biomedical Applications [J]. Engineering, 2023, 24(5): 13–16.
原文链接：
https://www.engineering.org.cn/engi/EN/10.1016/j.eng.2022.06.006