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研究背景

微粒操控技術在細胞生物學、化學分析和組織工程等領域有着廣闊的應用前景。沿着複雜軌跡操控高通量微粒已成為迫切的跨學科需求。目前,國內外學者已提出了用於微粒操控的光鑷、介電泳、磁鑷和聲鑷技術。

其中光鑷和介電泳技術可同時操縱多個微粒,高功率的能量輸入會對細胞和生物樣品造成不可逆的損害;磁鑷技術可實現微粒的快速捕獲和定向控制,但需對操控的樣品進行預磁化處理,並且磁操控系統較為複雜。聲鑷技術能夠通過使用低功率的高頻聲波精確且生物相容地操縱微粒和細胞,但也需要複雜的相位編程來沿着特定軌跡移動被操控的微粒。

因此,迫切需要一種基於聲鑷技術的有效方法來實現在複雜結構環境中對多個微粒的同時精確操控。

研究內容
近日,浙江大學汪延成教授團隊結合本科生畢業設計,開發了一種基於聲表面行波的微粒操控裝置,用於複雜形狀迷宮腔室內微粒的自動化和高通量迷宮求解。該成果以「High-throughput and directed microparticles manipulation in complex-shaped maze chambers based on travelling surface acoustic waves」為題,發表在英國皇家學會期刊 Analyst 上,並被選為期刊內封面文章 (Inside Front Cover) 和期刊 Hot Article。浙江大學翁婉玉(本科生)、盤何旻為論文的共同第一作者。
該技術基於聲表面行波產生的局部聲流效應,能實現微粒的自動捕獲,並根據迷宮腔室的形貌特徵驅動微粒沿着特定軌跡移動。數值仿真建模證明了所提出的用於複雜腔室迷宮環境中高通量微粒靶向輸送的可行性。通過調製叉指換能器的電信號激勵,微粒的運動速度可在 0.1 秒內快速調節。這項技術能夠在具有複雜形貌特徵的腔室內低成本、緊湊且無接觸地操控高通量微粒,將在細胞定向運輸、低體積化學混合和精確藥物輸送等方面具有潛在的應用。

圖 1. 複雜腔室迷宮中基於聲表面行波的高通量微粒定向運動操控原理。


▲微粒在圓形迷宮腔室中的運動路徑


▲微粒在方形迷宮腔室中的運動路徑


論文信息

High-throughput and directed microparticle manipulation in complex-shaped maze chambers based on travelling surface acoustic waves

Wanyu Weng‡, Hemin Pan‡ and Yancheng Wang* (汪延成,浙江大學)

Analyst, 2022,147, 789-793https://doi.org/10.1039/D2AN01317G

作者簡介
翁婉玉

美國斯坦福大學

本科畢業於浙江大學,現在美國斯坦福大學攻讀碩士學位,主要從事高精度定向給藥微型機器人操控的研究。




盤何旻

浙江大學

浙江大學博士研究生,主要從事基於聲表面波的微型機器人操控技術研究。




汪延成教授

浙江大學

浙江大學教授,教育部青年長江學者、浙江省傑出青年基金獲得者、美國製造工程師學會傑出青年製造工程師。主要從事機器人智能感知與微製造技術研究,發表學術論文 120 余篇,授權發明專利 50 余件,第一作者出版學術專著和教材 2 部。研究成果曾獲浙江省技術發明一等獎和浙江省科技進步一等獎各1項,國際期刊與國際學術會議最佳論文獎 8 次。
相關期刊
The home of premier fundamental discoveries, inventions and applications in the analytical and bioanalytical sciences

rsc.li/analyst

Analyst
2-年影響因子*4.616分5-年影響因子*4.232分最高 JCR 分區*Q1 化學-分析CiteScore 分†6.0分上年發文篇數848篇中位一審周期‡29.0天


Analyst 報道化學分析和生物分析領域的研究進展,主要是基礎研究方面的發現和發明,以及這些發現和發明的實際應用,鼓勵發表突破傳統學科壁壘的優秀論文。

Editor-in-Chief

Norman Dovichi🇺🇸 聖母大學

Associate editors

Damien Arrigan🇦🇺 科廷大學

Ryan Bailey🇺🇸 密西根大學

Jaebum Choo🇰🇷 中正大學

Karen Faulds🇬🇧 斯特拉斯克萊德大學

Baohong Liu (劉寶紅)🇨🇳 復旦大學

Nicole Pamme🇬🇧 赫爾大學

Evan Williams🇺🇸 加利福尼亞大學

Hua-Zhong Yu (於化忠)🇨🇦 西蒙弗雷澤大學 (綜述)

Jun-Jie Zhu (朱俊傑)🇨🇳 南京大學

Editorial board members

Susan Lunte🇺🇸 堪薩斯大學

* 2020 Journal Citation Reports (Clarivate, 2021)

†CiteScore 2020 by Elsevier

‡中位數,僅統計進入同行評審階段的稿件






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