问题:对细胞等微小生命对象进行精准操控,一直是生命科学研究与临床检测的关键环节;传统方法多依赖机械接触、复杂泵阀系统或高能光学手段,常见问题包括对样本扰动较大、设备体积与维护成本高、操作门槛高等。随着肿瘤早筛、免疫细胞治疗、类器官构建、药物筛选等需求快速增长,如何尽量不影响细胞活性与功能的前提下,实现更安全、高效、便携的操控与分选,成为交叉领域的重要课题。 原因:声流控技术的兴起,得益于微纳制造与声学工程的协同发展。其核心是将可编程超声场引入微流控芯片,利用声辐射力、声流等效应,对液体介质中的细胞、外泌体等施加可控作用,从而实现捕获、聚集、分离、搬运、旋转与排列。相比光学镊子等方法,声学操控通常以更低能量密度驱动,有助于降低热效应与光损伤;同时对介质环境适应性更强,可在水相、生物液体等多种条件下运行,并覆盖从纳米颗粒到毫米级生物体的较大尺度范围。在线上报告中,主讲学者结合近年来研究进展,展示了声学“隔空”操控在微流控系统中的实现路径及其工程化趋势。 影响:从科研走向临床,声流控的潜在价值主要体现在三上。 一是提升检测与分离效率,服务早诊早筛。基于声流控的分离芯片可较短时间内从复杂样本中富集目标细胞,例如从全血中捕获循环肿瘤细胞,并兼顾纯度与活性;对纳米级外泌体的富集能力,也为液体活检提供了更可扩展的技术选择,有望用于肿瘤标志物发现、疗效监测等场景。 二是推动单细胞研究与组织工程走向规模化。声场既可实现单细胞级精细操控,也能在高通量条件下对大量细胞进行连续分选与处理,为免疫细胞制备、细胞治疗质控等提供新的设备方案。同时,三维声学操控在细胞组装上具有优势,可微载体表面实现多类型细胞的空间排列,为类器官构建、器官芯片与3D生物打印提供更稳定的基础能力。 三是促进“无管化”与集成化实验平台发展。声学驱动可替代部分传统泵阀,使液滴在芯片上完成运输、融合与混匀等操作,支持级联反应与自动化流程,有助于缩小系统体积、降低维护复杂度,并提升药物筛选、合成生物学实验的效率与可重复性。 对策:面向应用落地,业内普遍认为声流控仍需在工程与产业链层面补齐短板。一是降低系统成本并提升一致性,推动换能器阵列、驱动电路与芯片加工的标准化与规模化生产;二是加强跨学科耦合设计能力,声场与流场、温度场、材料界面效应等多物理过程相互影响,需要更完善的仿真设计与在线校准手段;三是按临床路径开展验证,围绕样本前处理、灵敏度与特异性、操作规范、质量控制与合规要求建立系统评估,推动从“可用原型”走向“可推广产品”。高校与科研机构通过开放式学术传播平台发布进展,也有助于促进医学、工程与企业之间更高效的协作与转化。 前景:随着公共卫生应急检测、居家健康管理与基层医疗能力建设加快推进,便携化、低成本、高通量的生物样本处理需求将持续增长。声流控若能在器件集成、可穿戴形态、传感器融合与自动化控制上取得突破,有望从实验室走向病房、家庭与野外场景,形成“采样—处理—检测—分析”一体化的微型平台。同时,该技术在高端科研装备、细胞制造与精准医疗中的应用边界也有望继续拓展,成为生命科学工具体系中的重要增量。
声流控技术的快速发展,正在提升人类对微观生命体系的操控能力,并推动有关工具从科研走向临床应用;从实验室到真实场景,这项“隔空”操控技术可能深入拓展生物医学的边界。正如黄俊教授所言:“当声音成为手术刀,生命的奥秘将更加触手可及。”在全球科技竞争加剧的背景下,中国学者在该领域的持续投入,也为本土创新与产业转化提供了重要支撑。