基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法技术方案

本申请公开了一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，其特征在于，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控。本申请还公开了一种基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法。在本申请的具体实施方式中，由于包括微腔、超声波发射装置和声子晶体板，超声波发射装置用于发射超声波，声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对微粒进行操控，为药物递送提供新手段，为药物研发提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及本申请涉及微流体控制技术，尤其涉及一种基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法。
技术介绍
微流控芯片又被称为芯片实验室（Labonachip），具有微型化、集成化、高通量、低能耗、快速分析等优点，现已广泛应用于生物、化学、医学、环境等领域。在微流体分析检测过程中，细胞、DNA、蛋白质、聚苯乙烯微球、纳米金等微纳颗粒需要经微流体输运至样本制备、反应、分离、检测等功能单元。因此，精确、快速的微纳颗粒输运技术为微流体流动提供了必要的动力和精确控制，是微流体设备至关重要的功能模块。当前微纳颗粒输运技术主要借助微流体泵、微流体腔道、微流体阀门等微流体器件联合作用实现。根据微流体泵的类型划分，这些微纳颗粒输运技术又可分为被动式和主动式。被动式技术利用表面张力等微流体自身特性作为驱动力，因此不需要复杂、昂贵的外围设备，适用于各种便携式微流体器件。但是，由于被动式技术无法根据需要对流动方向和流量进行实时灵活的调控，因此，被动式技术不适用于需对微流体进行复杂多步操作的生化免疫分析等领域。与被动式技术相比，基于光动力、电渗流、电泳、磁泳、介电泳、声微流等机制的主动式技术，主要利用电场、磁场、光场、声场等外加力场驱动微流体流动，可提供更加灵活的微流体操作。但是，主动式技术存在工艺复杂、需要在微腔道内引入活动部件、性能不稳定等方面的缺点。另外，由于上述微流体技术均需要在微腔道内进行，因此还存在着悬浮颗粒堵塞腔道的问题，这限制了器件的通量和使用次数。没有微流体腔道的微腔型微流体设备不仅工艺简单，还具有不堵塞腔道的优点，因此成为微流体设备研发的新方向。利用电场，已开发出了针对液滴的微腔性微流体设备，但是该系统不适用于连续流。基于MEMS工艺，叉指换能器激励ZnO薄膜振动产生的A0模式兰姆波可诱发声流效应输运微纳颗粒，但是该方法产生的流动为整体性的直线流动，难以根据需要改变流动方向形成复杂路径。近年来，利用气泡振动产生的声微流实现了微纳颗粒的输运，但是由于气泡不均一、不稳定、不易捕获，故难以根据需要构建气泡阵列形成复杂的输运路径。因此，连续流条件下，在微腔内沿任意路径输运微纳颗粒成为一项挑战，制约了微腔性微流体设备的发展。而在药物递送
，安全高效的药物递送技术是药物研发、癌症研究、多功能干细胞诱导和组织工程等领域的核心技术。因此，研究开发安全可靠、高效精确、易于操作的药物递送技术已成为备受瞩目的前沿方向之一。当前的药物递送技术主要分为三种：生物学方法、化学方法和物理方法。生物学方法即病毒介导的递送技术，具有效率高、易于操作的优点，但是存在免疫原性、细胞毒性和致癌性的问题，因此安全性难以保障。化学方法是当前研究中广泛采用的方法，包括阳离子脂质体法、阳离子多聚物法、阳离子氨基酸法等方法。该方法的效率低，依赖于细胞类型，且存在药物泄露、稳定性等问题。相比较前两种方法，物理递送方法具有安全简单的优点，主要包括微注射法、电致穿孔法、激光法和超声法（声致穿孔）等方法。微注射法通过微管将核酸直接注入细胞质或者细胞核，该方法不适合系统性递送、对操作技能要求较高、通常会引起细胞死亡。电致穿孔法是一种简单、快速、高通量、应用最广泛的物理递送方法。该方法利用高强度电脉冲对细胞膜造成穿孔，增强细胞膜的通透性，使药物可穿过孔洞进入细胞质。但电致穿孔法的细胞死亡率较高。激光法利用激光脉冲对细胞膜辐射产生瞬时小孔，将外源核酸输送至细胞内。该方法可实现细胞膜上精确、定点开孔，但是激光系统的造价昂贵。超声递送药物技术因具有非接触、无创、低廉、普遍适用性等优点而受到了广泛的关注。与电致穿孔法类似，当前超声递送药物技术是基于超声联合超声造影剂微泡对细胞穿孔的生物物理过程实现的，这一过程也被称为声致穿孔效应（sonoporation）：微泡在超声场中的惯性空化或者稳态空化，及伴随的声辐射力、微射流（microjet）、声微流（micro-streaming）、剪切力等效应，在细胞膜表面产生可修复的几十纳米至几百纳米大小的孔隙，从而增强了细胞膜的通透性，使得细胞外的DNA、蛋白质等生物大分子可穿过小孔进入细胞内发挥作用。但是，微泡不稳定、尺寸不均一，难以对微气泡群的空化进行精确调控。
技术实现思路
本申请提供一种基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法。根据本申请的第一方面，本申请提供一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控。所述声子晶体板包括基板和设置在所述基板下表面的多个凸条，所述凸条平行设置且间隔相等。所述凸条为曲线形或封闭的环形。所述凸条的横截面包括长方形、三角形、多边形或半圆形。所述凸条的横截面为长方形，所述长方形的中心线之间的间距为d，所述基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。所述长方形的宽、所述长方形的高及所述基板的厚度相等。所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器和超声电子控制装置，所述信号发生器用于产生发射信号，所述功率放大器用于将所述发射信号放大，所述超声换能器用于将放大后的发射信号转换为超声波，所述超声电子控制装置用于设置所述信号发生器和所述功率放大器的参数，以及用于设置所述超声换能器的开启和关闭。所述微腔包括上底、下底和侧壁，所述侧壁围出内腔且两端设有开口，所述上底和所述下底分别设置在所述开口处。所述上底和所述下底由石英玻璃制成，所述侧壁由PDMS或者玻璃制成。根据本申请的第二方面，本申请提供一种基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法，包括：将声子晶体板置于微腔内，所述声子晶体板为人工周期结构；加入含有微粒的溶液；超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制；所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控。上述方法中，所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，包括：所述声子晶体板基于所述调制声场诱发的声辐射力对微纳颗粒进行输运；所述声子晶体板基于所述调制声场产生的声辐射力捕获、排列细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者可调控声致穿孔效应。上述方法中，所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，还包括：通过设置所述声子晶体板上的凸条排列的图案调整所述微纳颗粒的输运路径；通过设置所述声子晶体板的基板的厚度、所述凸条的间隔调控所述微涡旋阵列的尺寸。上述方法中，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，具体包括：所述超声波发射装置用于发射脉冲波时，信号的中心频率为所述声子晶体板的共振频率，带宽15%～100%，通过改变电压的方式实现对输运速度的调控；所述超声波发射装置用于发射连续波时，通过将驱动频率设为所述声子晶体板的共振频率，从而实现对微纳颗粒进行捕获。上述方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，其特征在于，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，其特征在于，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声子晶体板包括基板和设置在所述基板下表面的多个凸条，所述凸条平行设置且间隔相等。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述凸条为折线、曲线形或封闭的环形。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述凸条的横截面包括长方形、三角形、多边形或半圆形。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述凸条的横截面为长方形，所述长方形的中心线之间的间距为d，所述基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述长方形的宽、所述长方形的高及所述基板的厚度相等。
7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器和超声电子控制装置，所述信号发生器用于产生发射信号，所述功率放大器用于将所述发射信号放大，所述超声换能器用于将放大后的发射信号转换为超声波，所述超声电子控制装置用于设置所述信号发生器和所述功率放大器的参数，以及用于设置所述超声换能器的开关。
8.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述微腔包括上底、下底和侧壁，所述侧壁围出内腔且两端设有开口，所述上底和所述下底分别设置在所述开口处。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述上底和所述下底由石英玻璃制成，所述侧壁由PDMS或者玻璃制成。
10.一种基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法，其特征在于，包括：
将声子晶体板置于微腔内，所述声子晶体板为人工周期结构；
加入含有微粒的溶液；
超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制；
所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述声子晶体板基于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑海荣，李飞，蔡飞燕，孟龙，王辰，张成祥，邱维宝，李永川，严飞，牛丽丽，耿刘峰，徐超伟，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44