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高频超声波:生物“黑科技”的背后推手

发布日期:2018-11-28 10:00:00
  一颗芝麻粒大的谐振器能把液体缩小到“一滴水的十亿分之一”;一把“声波镊子”能精准操控细胞和微纳米颗粒;一种新技术能够“吸引”分子聚集,提升癌症抗原浓度十万倍……你可知道,这些神奇的技术都是借助超声波实现?
  近日,天津大学微机电系统团队胡小唐教授、庞慰教授和段学欣教授联手,围绕“高频超声波器件”研究,取得了达到世界领先水平的三项重大突破,被国际一流期刊选为封面文章重点推介,未来有望在生物医药领域推广应用,造福人类健康。
  高效低成本制造蛋白质或DNA“微液滴”
  生物芯片被预言为“21世纪产值最大的高技术产业”,其原理是在一块极小材料上放置生物样品,由计算机分析数据结果。生物芯片可对基因、配体、抗原等活性物质快速测试分析,将为生命科学、个性化医疗等领域带来重大影响,拥有巨大商业潜力。
  制造生物芯片,需要将蛋白质或DNA等活性物质形成“微液滴”放置在极小的区域上。液滴在生活中随处可见,而制造生物芯片所要求的“微液滴”尺寸极小,甚至与人类细胞相当。传统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”,是全球科学家长期以来攻坚的难点。
  天津大学研发的“高频超声波制备微液滴”技术,使用一枚不及芝麻粒大的“高频超声波谐振器”作用于液体表面,形成稳定的“液体尖峰”。
  当尖峰顶部接触到平面基底,微量的液体就会被吸附到基底表面,形成微液滴。这种新技术不仅降低了成本,还避免了现有技术针尖易磨损、喷嘴易堵塞等问题。
  “声流体镊子”精准操控细胞移动
  “声镊”顾名思义,是一种“以声波能量为镊子”的操作系统,可以对细胞或微小颗粒进行操控。由于其低能耗、小型化等优势,声镊正成为手术医疗、生物制药等领域的“利器”。目前,如何精准控制微纳米尺度的物体成为了声镊技术亟待突破的瓶颈。
  天津大学将高频超声波器件与微流控芯片结合,掌握了全新的粒子操纵技术——“声流体镊子”。与传统声镊相比,“声流体镊子”体积更小,操控更为精细精准。“声流体镊”打破了传统声镊不能精准控制微纳米尺度的生物体的瓶颈,它不仅可以精准地操控细胞移动,甚至能够分选移动、精确控制、裂解细胞,为生物医学研究、疾病早期诊断等领域提供了更有效、更精确、生物兼容性更好的工具。
  他们还借助这一新成果,与微流控系统结合,开发出多种性能优异的生物化学执行器和传感器。
  将生物蛋白分子浓度提高十万倍
  现代临床医学发展对分子检测技术提出了越来越高的要求。以癌症早期检测为例,该检测主要以癌症抗原为对象。癌症抗原是能引起免疫反应的大分子,而诸如前列腺癌等多种癌症的抗原分子浓度极低,用传统方法很难检测到,这也成为了人类战胜此类癌症的“难题”之一。
  天津大学利用高频超声波微纳机电谐振器,在液体中产生“三维声流场”和“虚拟微口袋效应”,可以在生理条件下高效地捕获和聚集生物分子,将分子局部浓度提高十万倍,实现了在极低浓度下的高灵敏检测。分子聚集捕获技术不依赖于生物分子的物理、化学属性以及环境因素等,能够在开放空间实现对生物蛋白分子的操纵,不仅具有良好的生物兼容性,并且易于与现有生物传感器集成使用,为基础研究、疾病诊断、药物开发等领域的低浓度检测提供了全新的分析手段和思路,有望为癌症早期检测领域带来“革命性突破”。
来源:科技日报