高頻超聲波：生物“黑科技”的背后推手

一顆芝麻粒大的諧振器能把液體縮小到“一滴水的十億分之一”；一把“聲波鑷子”能精準(zhǔn)操控細(xì)胞和微納米顆粒；一種新技術(shù)能夠“吸引”分子聚集，提升癌癥抗原濃度十萬倍……你可知道，這些神奇的技術(shù)都是借助超聲波實現(xiàn)？

近日，天津大學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)團(tuán)隊胡小唐教授、龐慰教授和段學(xué)欣教授聯(lián)手，圍繞“高頻超聲波器件”研究，取得了達(dá)到世界領(lǐng)先水平的三項重大突破，被國際一流期刊選為封面文章重點推介，未來有望在生物醫(yī)藥領(lǐng)域推廣應(yīng)用，造福人類健康。

高效低成本制造蛋白質(zhì)或DNA“微液滴”

生物芯片被預(yù)言為“21世紀(jì)產(chǎn)值最大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)”，其原理是在一塊極小材料上放置生物樣品，由計算機(jī)分析數(shù)據(jù)結(jié)果。生物芯片可對基因、配體、抗原等活性物質(zhì)快速測試分析，將為生命科學(xué)、個性化醫(yī)療等領(lǐng)域帶來重大影響，擁有巨大商業(yè)潛力。

制造生物芯片，需要將蛋白質(zhì)或DNA等活性物質(zhì)形成“微液滴”放置在極小的區(qū)域上。液滴在生活中隨處可見，而制造生物芯片所要求的“微液滴”尺寸極小，甚至與人類細(xì)胞相當(dāng)。傳統(tǒng)的微液滴制造方法成本高、兼容性差，如何快速高效地制造“微液滴”，是全球科學(xué)家長期以來攻堅的難點。

天津大學(xué)研發(fā)的“高頻超聲波制備微液滴”技術(shù)，使用一枚不及芝麻粒大的“高頻超聲波諧振器”作用于液體表面，形成穩(wěn)定的“液體尖峰”。

當(dāng)尖峰頂部接觸到平面基底，微量的液體就會被吸附到基底表面，形成微液滴。這種新技術(shù)不僅降低了成本，還避免了現(xiàn)有技術(shù)針尖易磨損、噴嘴易堵塞等問題。

“聲流體鑷子”精準(zhǔn)操控細(xì)胞移動

“聲鑷”顧名思義，是一種“以聲波能量為鑷子”的操作系統(tǒng)，可以對細(xì)胞或微小顆粒進(jìn)行操控。由于其低能耗、小型化等優(yōu)勢，聲鑷正成為手術(shù)醫(yī)療、生物制藥等領(lǐng)域的“利器”。目前，如何精準(zhǔn)控制微納米尺度的物體成為了聲鑷技術(shù)亟待突破的瓶頸。

天津大學(xué)將高頻超聲波器件與微流控芯片結(jié)合，掌握了全新的粒子操縱技術(shù)——“聲流體鑷子”。與傳統(tǒng)聲鑷相比，“聲流體鑷子”體積更小，操控更為精細(xì)精準(zhǔn)。“聲流體鑷”打破了傳統(tǒng)聲鑷不能精準(zhǔn)控制微納米尺度的生物體的瓶頸，它不僅可以精準(zhǔn)地操控細(xì)胞移動，甚至能夠分選移動、精確控制、裂解細(xì)胞，為生物醫(yī)學(xué)研究、疾病早期診斷等領(lǐng)域提供了更有效、更精確、生物兼容性更好的工具。

他們還借助這一新成果，與微流控系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)出多種性能優(yōu)異的生物化學(xué)執(zhí)行器和傳感器。

將生物蛋白分子濃度提高十萬倍

現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展對分子檢測技術(shù)提出了越來越高的要求。以癌癥早期檢測為例，該檢測主要以癌癥抗原為對象。癌癥抗原是能引起免疫反應(yīng)的大分子，而諸如前列腺癌等多種癌癥的抗原分子濃度極低，用傳統(tǒng)方法很難檢測到，這也成為了人類戰(zhàn)勝此類癌癥的“難題”之一。

天津大學(xué)利用高頻超聲波微納機(jī)電諧振器，在液體中產(chǎn)生“三維聲流場”和“虛擬微口袋效應(yīng)”，可以在生理條件下高效地捕獲和聚集生物分子，將分子局部濃度提高十萬倍，實現(xiàn)了在極低濃度下的高靈敏檢測。分子聚集捕獲技術(shù)不依賴于生物分子的物理、化學(xué)屬性以及環(huán)境因素等，能夠在開放空間實現(xiàn)對生物蛋白分子的操縱，不僅具有良好的生物兼容性，并且易于與現(xiàn)有生物傳感器集成使用，為基礎(chǔ)研究、疾病診斷、藥物開發(fā)等領(lǐng)域的低濃度檢測提供了全新的分析手段和思路，有望為癌癥早期檢測領(lǐng)域帶來“革命性突破”。（記者 孫玉松 通訊員 焦德芳）