高频超声波：生物“黑科技”的背后推手

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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”。