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微流控器件“温柔”转动小生物和细胞

一种利用声波在微流控器件中旋转单个颗粒、细胞、微生物的方法,使得研究人员凭借一台手机即可获取其3D(三维)图像。

声波可以沿着X、Y、Z轴移动并定位生物标本,美国宾西法尼亚州立大学(Penn State)的研究人员首次利用声波轻轻地、安全地转动样品,这在单细胞分析、药物研发、生物研究领域是一项关键能力。

发表在《自然通讯》上的研究工作由工程科学与力学教授暨生物工程学Huck特聘讲座教授Tony Jun Huang领导。Huang和他的团队创造了一种声流控旋转操作(acoustofluidic rotational manipulation, ARM)方法,可在微流控器件中产生一系列微小空腔(气泡)。声波换能器类似于超声成像传感器,能够在流体中形成声波,使得气泡产生振动,从而在流动的液体内部产生可调谐的微漩涡,方便研究人员以任意方向或预设转速进行样品转动操作。


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声流控旋转操作器件的设计和操作。(a)实验装置示意图。生成声波的压电传感器放置于接近微流体通道的地方。声波驱动空气中的微小气泡进入侧壁微腔。(b)光学影像展现了多个振动微小气泡捕获L4中期阶段的秀丽隐杆线虫(C. elegans)的场景。比例尺=100微米。


为了证实该微流控器件的性能,研究人员旋转了秀丽隐杆线虫(一种通常用于生物学研究的1毫米长模型生物)。他们还在通过声流控旋转宫颈癌癌细胞并进行成像。


“我们的方法是一个有价值的平台,可对单细胞水平的旋转影响进行成像和研究。”工程科学与力学研究生暨论文共同作者Adem Ozceki说到,“更重要的是,随着研究人员逐渐具备并行旋转大量细胞的能力,我们将能展开高通量单细胞研究。”


除了适用于大部分生物和物理科学调查,声流控旋转技术在宫颈癌细胞领域也展现出杰出的生物适应性,99.2%的细胞经过声流控旋转操作后依旧能够存活。


《使用声波对单细胞和微生物进行旋转操作(Rotational manipulation of single cells and organisms using acoustic waves)》也需要感谢美国宾西法尼亚州立大学的前团队成员:Daniel Ahmed博士和研究生Nagagireesh Bojanala、Nitesh Nama、Awani Upadhyay、Yuchao Chen和Wendy Hanna-Rose,以及部分生物化学与分子生物学领域的专家。


美国国家卫生研究院、美国国家科学基金、纳米科学中心、宾西法尼亚州立大学国家科学基金会材料研究科学与工程中心也对此项研究工作给予了支持。部分工作在宾西法尼亚州立大学材料研究所的纳米制备实验室内进行。



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