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高頻超聲波：生物“黑科技”的背后推手

小知識抗原科普癌癥超聲波操控


高頻超聲波：生物“黑科技”的背后推手



一顆芝麻粒大的諧振器能把液體縮小到“一滴水的十億分之一”；一把“聲波鑷子”能精準操控細胞和微納米顆粒；一種新技術(shù)能夠“吸引”分子聚集 ， 提升癌癥抗原濃度十萬倍……你可知道 ， 這些神奇的技術(shù)都是借助超聲波實現(xiàn)？
近日 ， 天津大學(xué)微機電系統(tǒng)團隊胡小唐教授、龐慰教授和段學(xué)欣教授聯(lián)手 ， 圍繞“高頻超聲波器件”研究 ， 取得了達到世界領(lǐng)先水平的三項重大突破 ， 被國際一流期刊選為封面文章重點推介 ， 未來有望在生物醫(yī)藥領(lǐng)域推廣應(yīng)用 ， 造福人類健康 。
高效低成本制造蛋白質(zhì)或DNA“微液滴”
生物芯片被預(yù)言為“21世紀產(chǎn)值最大的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)” ， 其原理是在一塊極小材料上放置生物樣品 ， 由計算機分析數(shù)據(jù)結(jié)果 。 生物芯片可對基因、配體、抗原等活性物質(zhì)快速測試分析 ， 將為生命科學(xué)、個性化醫(yī)療等領(lǐng)域帶來重大影響 ， 擁有巨大商業(yè)潛力 。
制造生物芯片 ， 需要將蛋白質(zhì)或DNA等活性物質(zhì)形成“微液滴”放置在極小的區(qū)域上 。 液滴在生活中隨處可見 ， 而制造生物芯片所要求的“微液滴”尺寸極小 ， 甚至與人類細胞相當 。 傳統(tǒng)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” ， 是全球科學(xué)家長期以來攻堅的難點 。
天津大學(xué)研發(fā)的“高頻超聲波制備微液滴”技術(shù) ， 使用一枚不及芝麻粒大的“高頻超聲波諧振器”作用于液體表面 ， 形成穩(wěn)定的“液體尖峰” 。
【高頻超聲波：生物“黑科技”的背后推手】當尖峰頂部接觸到平面基底 ， 微量的液體就會被吸附到基底表面 ， 形成微液滴 。 這種新技術(shù)不僅降低了成本 ， 還避免了現(xiàn)有技術(shù)針尖易磨損、噴嘴易堵塞等問題 。
“聲流體鑷子”精準操控細胞移動
“聲鑷”顧名思義 ， 是一種“以聲波能量為鑷子”的操作系統(tǒng) ， 可以對細胞或微小顆粒進行操控 。 由于其低能耗、小型化等優(yōu)勢 ， 聲鑷正成為手術(shù)醫(yī)療、生物制藥等領(lǐng)域的“利器” 。 目前 ， 如何精準控制微納米尺度的物體成為了聲鑷技術(shù)亟待突破的瓶頸 。
天津大學(xué)將高頻超聲波器件與微流控芯片結(jié)合 ， 掌握了全新的粒子操縱技術(shù)——“聲流體鑷子” 。 與傳統(tǒng)聲鑷相比 ， “聲流體鑷子”體積更小 ， 操控更為精細精準 。 “聲流體鑷”打破了傳統(tǒng)聲鑷不能精準控制微納米尺度的生物體的瓶頸 ， 它不僅可以精準地操控細胞移動 ， 甚至能夠分選移動、精確控制、裂解細胞 ， 為生物醫(yī)學(xué)研究、疾病早期診斷等領(lǐng)域提供了更有效、更精確、生物兼容性更好的工具 。
他們還借助這一新成果 ， 與微流控系統(tǒng)結(jié)合 ， 開發(fā)出多種性能優(yōu)異的生物化學(xué)執(zhí)行器和傳感器 。
將生物蛋白分子濃度提高十萬倍
現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展對分子檢測技術(shù)提出了越來越高的要求 。 以癌癥早期檢測為例 ， 該檢測主要以癌癥抗原為對象 。 癌癥抗原是能引起免疫反應(yīng)的大分子 ， 而諸如前列腺癌等多種癌癥的抗原分子濃度極低 ， 用傳統(tǒng)方法很難檢測到 ， 這也成為了人類戰(zhàn)勝此類癌癥的“難題”之一 。
天津大學(xué)利用高頻超聲波微納機電諧振器 ， 在液體中產(chǎn)生“三維聲流場”和“虛擬微口袋效應(yīng)” ， 可以在生理條件下高效地捕獲和聚集生物分子 ， 將分子局部濃度提高十萬倍 ， 實現(xiàn)了在極低濃度下的高靈敏檢測 。 分子聚集捕獲技術(shù)不依賴于生物分子的物理、化學(xué)屬性以及環(huán)境因素等 ， 能夠在開放空間實現(xiàn)對生物蛋白分子的操縱 ， 不僅具有良好的生物兼容性 ， 并且易于與現(xiàn)有生物傳感器集成使用 ， 為基礎(chǔ)研究、疾病診斷、藥物開發(fā)等領(lǐng)域的低濃度檢測提供了全新的分析手段和思路 ， 有望為癌癥早期檢測領(lǐng)域帶來“革命性突破” 。

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