杜克大學的化學工程師們正在使用兩個電子「聲音」來唱和聲二重唱，以一種新的、有價值的方式來控制懸浮粒子和細胞。他們的原型設備可以從一組粒子中形成和旋轉單層晶體，用給定數量的粒子創造任意形狀，並將成對的生物細胞移到一起或分開數百次。
這種原型諧波聲學鑷子裝置可以從一組粒子中形成和旋轉單層晶體，用給定數量的粒子創建任意形狀，並將成對的生物細胞一起移動並再次分開數百次。
這些能力可以服務於各種各樣的領域，如材料科學、軟凝聚態物理、生物物理學、生命科學和醫學。
例如，研究人員已經證明，該設備可以選擇性地配對兩個單獨的細胞，並測量它們的粘合力——這是一項壯舉，醫生可以利用它來確定對單個癌症患者的治療。由於聲學裝置的靈巧性和柔和性，研究人員將其命名為非接觸、動態、選擇性粒子操縱諧波聲學（HANDS）平台。
研究結果發表在3月24日的《自然材料》（Nature Materials）雜誌網絡版上。
杜克大學William Bevan機械工程和材料科學傑出教授Tony Jun Huang說：「成對粒子或細胞的分離多年來一直是聲學操縱領域的主要目標。」「我們的HANDS平台是第一個分離成對物體的方法，它為生物物理學研究和藥物發現中廣泛需要的細胞-細胞相互作用研究提供了一種方法。」
細胞聚集在一起又回來的移動圖像；這種新的基於聲音的技術可以將單個細胞配對，並將它們分開數百次
聲學鑷子是一個快速發展的領域，它利用聲波的各種物理現象，輕輕地操縱懸浮在液體中的粒子或細胞，而不接觸它們。例如，在兩個聲波之間夾住粒子，調整聲波的相位或起始點來移動它們。另一些則是將兩種靜止的聲波組合在一起，將粒子分離成不同的形狀，比如網格。
現在，研究人員通過在裝置中引入壓電旋律和和聲，為這些設備增加了一層新的複雜性。以前的設備會產生靜態駐波，而HANDS平台原型使用了一個函數生成器來產生變化迅速的複雜駐波。我們可以這樣想：機器不是在唱一個音符，而是在兩名歌手的配合下，在複雜的歌劇中快速地達到高潮和低谷。
這種新設備的工作原理是在一個充滿液體的方形小腔的兩側各放置一個產生聲音的換能器。這四個換能器與它們對面的換能器同步工作，形成兩對。一種是水平的，另一種是垂直的，這兩種複雜的、快速變化的聲波模式的相互作用創造了從未在該領域中展示過的動態能力。
「我模擬了這些波是如何結合在腔室中操縱粒子的，然後進行實驗以看到實際結果，」Huang實驗室的博士後助理Shujie Yang說。「這花了很長時間，也進行了很多試驗，但最終模擬效果足夠好，可以開始匹配結果。一旦模擬準確了，我就可以開始預測新的能力了。
一團模糊的粒子慢慢地形成了單晶體；這種基於聲音的新技術還可以從一組粒子或細胞中形成有序的單層晶體結構。
在論文中，Yang展示了諧波二重奏聲學鑷子的幾種新穎能力。在一項實驗中，他表明HANDS平台可以將24個粒子的3D團簇扁平化並圖案化成晶體結構。它可以像指尖上的盤子一樣旋轉這些扁平的結構。
對於單個粒子的操作，這篇論文展示了被誘導成三種不同形態的粒子，其形狀與字母O、D和K非常相似，然後，這個裝置將幾十個粒子配對在一起。這個裝置表明，它可以將每一對粒子分開，並將它們重新組合一千多次。
在最後的演示中，Yang展示了該設備可以從陣容中選擇一對細胞，將它們推到一起並將它們拉回。然後，他利用這種能力來測量兩個相互接觸的細胞之間的粘附力。
兩個綠色的小點聚集在一起，然後被拉開，而相鄰的粒子保持靜止
新的基於聲音的技術可以有選擇地選擇兩個相鄰的獨立細胞進行配對和分離——這是醫生可以用來為單個癌症患者確定最佳治療方案的壯舉。
據研究人員稱，這是HANDS平台最令人興奮的功能，因為它可以對個性化藥物進行詳細的測試。
「我對這個平台的功能感到興奮，它就像母親的手一樣溫柔，」這項研究的共同領導者、哈佛醫學院醫學教授Luke Lee說，「溫柔而敏感的母親的雙手使我們能夠為定量細胞生物學和轉化精準醫學奠定基礎。」
「例如，我們可以系統地研究T細胞與癌細胞的高通量相互作用，並獲得精確的細胞-細胞相互作用力，」Lee說。「這可以幫助醫生為患者找到最有效和最具體的細胞療法，作為個性化的精準醫療。」
這項研究得到了美國國立衛生研究院（R01GM141055，R01GM132603，U18TR003778，UG3TR002978）和美國國家科學基金會（ECCS-1807601，CMMI-2104295）的支持。
引文：「Harmonic Acoustics for Dynamic and Selective Particle Manipulation,」 Shujie Yang, Zhenhua Tian, Zeyu Wang, Joseph Rufo, Peng Li, John Mai, Jianping Xia, Hunter Bachman, Po-Hsun Huang, Mengxi Wu, Chuyi Chen, Luke P. Lee, and Tony Jun Huang. Nature Materials, March 24, 2022. DOI: 10.1038/s41563-022-01210-8
信息源於：Duke
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