一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置及方法

本申请涉及声波微流控，尤其涉及一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置及方法。

背景技术：

1、在组织工程、生物医药等领域，特定组织结构和模型构建具有重要意义。比如，在进行个体差异较大的肿瘤疾病的个性化用药治疗领域，基于病人的体内样本构建肿瘤模型，进行后续培养和药物筛选，能够极大提升药物组合策略的治疗有效性和治疗效率，能够最大程度提高预后、降低副作用。因此，近些年基于各种技术的体外模型构建技术得到很大发展。特定组织结构和模型构建都需要对细胞进行高效组装和操控。目前，对细胞进行高效组装和操控的技术主要为传统培养板或微流控技术。

2、相比于传统培养板或微流控技术，液滴中细胞培养和测试技术成为一种高通量和高效的平台，因为液滴技术能够提供独立的三维环境，能够模拟体内的细胞外基质环境，并且允许高通量的大量制备，极大提升效率，已经展现了巨大的产业化和临床应用前景。如何对液滴中分散的细胞或物质进行高效地组装或主动式的操控以构建特定的结构，一直都是基于液滴构建体外模型的一个技术难题。传统的接触式的技术无法在独立的液滴中操作，而非接触式的光镊技术和磁力手段则面临效率较低下或者需要额外异质材料标记等问题。声波技术有着非接触，生物友好且效率高的优势，尽管声波技术已经被用来操控多种细胞，但是，现有的操纵手段往往是对液滴或者粒子进行操纵，难以实现对操控液滴的同时，又对粒子进行操作，难以实现高效构建体外模型。

技术实现思路

1、本申请提供了一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置及方法，以解决上述技术问题。

2、一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置，包括用于容纳液滴的腔体及换能器；所述换能器分布在所述腔体的四周；所述换能器能调制接受到的声波信号，在所述腔体的中间得到干涉，形成点状的波节阵列的声场。

3、进一步地，所述换能器为叉指换能器或压电陶瓷换能器。

4、进一步地，所述基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置包括铌酸锂基底，所述铌酸锂基底上设置有四个相互正交的叉指换能器，四个所述叉指换能器中间设置用于容纳所述液滴的腔体。

5、进一步地，所述铌酸锂基底为128°y切的铌酸锂基底，所述叉指换能器与所述铌酸锂基底的晶轴y轴分别呈45°和135°夹角。

6、进一步地，所述腔体为长方体形，所述长方体形的四周均为压电陶瓷换能器。

7、一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控方法，应用上述的装置，所述方法包括：

8、制备含有细胞或粒子的液滴；

9、将所述乳液置于所述腔体中，采用所述换能器产生的声场作用于所述乳液，利用所述声场的点状的波节阵列中的声势阱对所述液滴和所述细胞或粒子产生的声辐射力梯度，实现对所述液滴内的细胞或粒子的聚集操控。

10、进一步地，包括，通过调控所述换能器发出声波信号的频率、强度、作用时间来改变所述液滴内细胞或粒子的聚集结构。

11、进一步地，所述制备含有细胞或粒子的液滴为配置包括油相和分散于所述油相中的水相液滴的乳液，所述水相液滴中包含有细胞或粒子。

12、进一步地，所述水相液滴为可光固化的水凝胶液滴。

13、进一步地，所述油相为棕榈酸异丙酯；和/或所述油相中添加有3wt％的聚丙二醇-10(em180)。

14、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

15、本申请所述换能器能调制接受到的声波信号，在所述腔体的中间得到干涉，形成点状的波节阵列的声场，利用所述声场的点状的波节阵列中的声势阱对所述液滴和所述细胞或粒子产生的声辐射力梯度，在抓捕液滴的同时，又对液滴内的粒子进行操纵，实现对所述液滴内的细胞或粒子的聚集操控，适用于实现高效构建体外模型。

16、本申请可以通过控制声场频率、强度、作用时间来灵活调整细胞或粒子的结构及尺寸，满足各种细胞或粒子在液滴中的主动式高通量聚集组装，在生命科学、液滴微流控、细胞三维培养和肿瘤微模型构建等领域具有广阔应用前景。

17、本申请采用声波技术为非接触式，具有生物友好且效率高的优点。

技术特征：

1.一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置，其特征在于，包括用于容纳液滴的腔体及换能器；所述换能器分布在所述腔体的四周；所述换能器能调制接受到的声波信号，在所述腔体的中间得到干涉，形成点状的波节阵列的声场。

2.根据权利要求1所述的基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置，其特征在于，所述换能器为叉指换能器或压电陶瓷换能器。

3.根据权利要求1所述的基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置，其特征在于，包括铌酸锂基底，所述铌酸锂基底上设置有四个相互正交的叉指换能器，四个所述叉指换能器中间设置用于容纳所述液滴的腔体。

4.根据权利要求3所述的基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置，其特征在于，所述铌酸锂基底为128°y切的铌酸锂基底，所述叉指换能器与所述铌酸锂基底的晶轴y轴分别呈45°和135°夹角。

5.根据权利要求1所述的基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置，其特征在于，所述腔体为长方体形，所述长方体形的四周均为压电陶瓷换能器。

6.一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控方法，其特征在于，应用权利要求1至5任一项所述的装置，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，包括通过调控所述换能器发出声波信号的频率、强度、作用时间来改变所述液滴内细胞或粒子的聚集结构。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述制备含有细胞或粒子的液滴为配置包括油相和分散于所述油相中的水相液滴的乳液，所述水相液滴中包含有细胞或粒子。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述水相液滴为可光固化的水凝胶液滴。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述油相为棕榈酸异丙酯；和/或所述油相中添加有3wt％的聚丙二醇-10(em180)。

技术总结
本申请提供一种基于声波对液滴内细胞和粒子的聚集操控装置及方法，该装置包括用于容纳液滴的腔体及能产生声波的换能器；所述换能器分布在所述腔体的四周；所述换能器能调制接受到的声波信号，在所述腔体的中间得到干涉，形成点状的波节阵列的声场。所述方法利用所述声场的点状的波节阵列中的声势阱对所述液滴和所述细胞或粒子产生的声辐射力梯度，在抓捕液滴的同时，又对液滴内的粒子进行操纵，实现对所述液滴内的细胞或粒子的聚集操控，适用于实现高效构建体外模型。

技术研发人员：胡学佳,王一行,陈鹭剑
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15