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微流控技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)、納米科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要工具之一。相較于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，微流控設(shè)備因其結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、響應(yīng)速度快以及能夠精確控制微環(huán)境等優(yōu)勢而受到青睞。為了在微流控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)微米級別的精準(zhǔn)操作，研究者們開發(fā)了多種技術(shù)手段，如微夾具、電潤濕技術(shù)，以及磁光力和聲學(xué)力等。在這些技術(shù)中，聲學(xué)操控因其無需接觸、良好的生物相容性以及對細(xì)胞尺度操控的能力而被廣泛應(yīng)用于微流控設(shè)備中。

在聲學(xué)微流控設(shè)備中，聲場通常形成壓力場模式，包括節(jié)線/反節(jié)線位置，并用于翻譯和圖案化液滴、顆粒和細(xì)胞。這些聲場可以生成線條、網(wǎng)格和與通道界面相符的衍射模式。然而，產(chǎn)生這些模式的聲學(xué)方法在生成更復(fù)雜的聲場或可重構(gòu)性方面能力有限。雖然可以通過使用微流通道中的微結(jié)構(gòu)通過聲學(xué)-結(jié)構(gòu)相互作用來捕獲微顆粒來生成更復(fù)雜的模式，但這些方法需要在該通道內(nèi)制造和引入額外的結(jié)構(gòu)，并且只能用來創(chuàng)建固定的聲場模式。然而，機(jī)器人輔助的聲學(xué)流量控制已被證明具有多功能性，它能夠在泵送、微顆粒捕獲、液體混合和液滴合并等方面發(fā)揮作用。這種方法通過在多軸定向系統(tǒng)中生成可修改空間的毛細(xì)管末端微流來實(shí)現(xiàn)，盡管它最初是在微流控設(shè)備之外的環(huán)境中被開發(fā)的，但已經(jīng)明確的是，在微流控平臺上開發(fā)高分辨率、復(fù)雜且可配置的模式對于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。

基于此，來自墨爾本大學(xué)的David J. Collins課題組研發(fā)了一個(gè)可拆卸的微流控設(shè)備，該設(shè)備采用微型聲學(xué)全息圖來創(chuàng)建微流控通道中可重構(gòu)、靈活和高分辨率的聲學(xué)場，其中引入的固態(tài)耦合層使這些全息圖易于制造和集成。該研究還展示了如何使用該方法在微流體通道內(nèi)生成靈活的聲場，包括形狀、特征以及任意旋轉(zhuǎn)的圖案。該研究工作以“Micro-Acoustic Holograms for Detachable Microfluidic Devices"為題，發(fā)表在國際著名期刊《Small》上。

該研究展示了迄今為止最小的相位調(diào)節(jié)聲學(xué)全息圖，并利用它在非封閉微通道中產(chǎn)生了設(shè)計(jì)的聲學(xué)場。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)通過微全息圖調(diào)制的聲波穿過聚二甲基硅氧烷（PDMS）耦合層，進(jìn)入微流控通道，從而形成了高分辨率的聲學(xué)模式。其中微型全息圖是由摩方精密高精度3D打印系統(tǒng)制備的。團(tuán)隊(duì)選擇使用固態(tài)PDMS耦合層而非液態(tài)，是因?yàn)槠湟子诩傻奶匦裕娠@著簡化系統(tǒng)處理，并使得微全息圖的耦合、分離和旋轉(zhuǎn)變得簡便，進(jìn)而在流體通道中實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)聲學(xué)模式的生成。

通常，創(chuàng)建復(fù)雜聲學(xué)模式會涉及到使用二進(jìn)制聲學(xué)全息圖，因?yàn)樗鼈兊暮唵涡允蛊湟子谕ㄟ^傳統(tǒng)的光刻工藝進(jìn)行制造。但是，這種二進(jìn)制聲學(xué)全息圖在信息容量上存在限制，這是由于它們基于聲學(xué)振幅的二值化特性。由于在其他應(yīng)用中常用的打印分辨率大約在0.1–1 mm，這限制了全息圖的分辨率以及可應(yīng)用的聲學(xué)頻率范圍。為了克服這一限制，研究團(tuán)隊(duì)決定采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)來制備相位微全息圖，從而提高了全息圖的分辨率并擴(kuò)展了可應(yīng)用的聲學(xué)頻率范圍。

可拆卸微流控聲學(xué)全息術(shù)是將可拆卸微流控通道和聲學(xué)全息圖相結(jié)合的技術(shù)，其中由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微流控通道通過PDMS耦合層與3D打印的全息圖耦合（圖1a）。入射聲波從換能器沿+z方向傳播進(jìn)入全息圖，并發(fā)生調(diào)制。傳播穿過PDMS層后，目標(biāo)聲場在微流控通道中生成（圖1b），其中生成的聲場通過彩色PDMS微顆粒可視化（圖1c，顯示Collins生物微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)志）。制造的全息微流控設(shè)備具有5 mm×5 mm的微流控領(lǐng)域（全息孔徑），整體尺寸為13.5 mm×9.5 mm×2 mm，比1元澳幣還要小（圖1d）。

圖1. 可拆卸微流體裝置的聲全息示意圖。a) 可拆卸的微流體通道通過 PDMS 耦合層與聲全息圖耦合。b) 入射聲波由全息圖調(diào)制，然后穿過耦合層并在微流體通道中產(chǎn)生目標(biāo)聲學(xué)圖案，這些圖案由微粒可視化。c) Collins Biomicrosystems Lab 徽標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中插圖顯示輸入圖像。d) 制造可拆卸的全息微流體裝置。比例尺為 1 毫米。

微流控通道設(shè)計(jì)為可輕松拆卸和重復(fù)使用，并可放置在與全息圖成一定角度的位置。因此，可以在微流控通道中切換不同的聲場模式，或者通過適當(dāng)定位和旋轉(zhuǎn)通道中的模式來實(shí)現(xiàn)聲場的多樣化。

圖2. 拆卸全息微流控裝置的原理。a）由全息圖調(diào)制的入射聲波穿過PDMS耦合層并在微流體通道中產(chǎn)生聲學(xué)圖案，其中微粒通過聲學(xué)力形成圖案。b）沒有PDMS耦合層的3D打印微全息圖，全息圖的孔徑為5×5 mm。比例尺為 1 mm。c) 微全息圖的氦離子顯微鏡圖像。比例尺為 100 µm。

圖3. 可分離的全息微流控設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)物。a) 實(shí)驗(yàn)室徽標(biāo)的二值圖像作為目標(biāo)圖像輸入，并計(jì)算為b) 相位圖。c) 包括相位信息的全息模型被3D打印并填充PDMS。d) PDMS固化后，e) 將微流控通道放置其上。f) 將微顆粒注入微流控通道，其中入射聲波由全息圖調(diào)制并穿過PDMS耦合層以圖案化微顆粒。g) 實(shí)驗(yàn)圖像顯示，獲得的微顆粒圖案與h) 模擬結(jié)果相對應(yīng)。

圖4. 微流控設(shè)備中的全息圖案生成，a) 字母“UoM"（代表墨爾本大學(xué)）。b–d) 旋轉(zhuǎn)聲學(xué)條紋，其中微流控通道和全息圖可以傾斜以使用相同的全息圖產(chǎn)生不同配置的聲學(xué)場，刻度尺為1毫米。

圖5. 耦合層厚度（HPDMS）和流體域厚度（Hfluid）對圖像質(zhì)量的影響。a)Hfluid= 130 μm時(shí)HPDMS與PSNR的關(guān)系，其中PSNR表示圖像質(zhì)量。b) 改變Hfluid的結(jié)果，其中HPDMS= 2000 μm。

圖6. 在水凝膠中模式化不同類型的顆粒。a) 含有藍(lán)色顆粒的水凝膠（制備方法見實(shí)驗(yàn)部分）被注入微流控通道中，b) 使用全息聲學(xué)場進(jìn)行模式化。c) 通過UV曝光局部固化水凝膠。d) 含有綠色顆粒的水凝膠被注入未固化的區(qū)域。然后綠色顆粒被e)模式化和f)暴露。g) 含有不同類型顆粒的固化水凝膠。h–j) 分別對應(yīng)于(c,d,g)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)使用藍(lán)色和綠色PDMS顆粒進(jìn)行，其中綠色顆粒被數(shù)字重新著色為紅色以提高可視化效果。

聲學(xué)全息術(shù)擁有生成定制聲場的能力，先前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)展示了其對粒子和組織細(xì)胞進(jìn)行精確操控的能力，以用于制造工程化的組織和材料。然而，傳統(tǒng)的聲學(xué)全息術(shù)實(shí)現(xiàn)大多在開放的空氣室或容器中進(jìn)行，所生成的聲學(xué)目標(biāo)場尺寸通常僅能達(dá)到厘米級別。

本研究展示了基于微通道的致動(dòng)生成聲學(xué)全息圖，從而發(fā)揮了封閉通道在液體處理和控制方面的優(yōu)勢。由于在之前的設(shè)置中采用了浸沒式換能器，導(dǎo)致在不同聲學(xué)全息圖之間切換過程變得復(fù)雜。為了簡化這一過程，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種使用微聲學(xué)全息圖的可拆卸全息微流體設(shè)備。換能器耦合的聲波通過3D打印的全息圖進(jìn)行調(diào)制，從而在微流體通道中生成高分辨率的聲學(xué)模式。這些通道可以與微全息圖進(jìn)行耦合、拆卸和旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)聲學(xué)模式的生成。與使用液體耦合的聲學(xué)全息圖相比，采用固態(tài)PDMS耦合層代替的聲學(xué)全息圖，可使得與微流體通道的集成更為便捷。研究團(tuán)隊(duì)在微通道中展示了這一方法，能夠生成線條、形狀和字符，從而證明了在微流體設(shè)備尺寸范圍內(nèi)生成聲學(xué)全息圖的可能性。