传统微流控芯片因其低成本、高效性和灵活性，已广泛应用于肿瘤筛查、DNA扩增和病毒检测等生物医学领域。然而，这种传统设计在尺寸受限、单一功能性以及微结构调控灵活性等方面存在局限性，使其在实际应用中面临诸多挑战。其中，不可预测的流体动力学行为显著限制了其在被动操控技术中的精度和效率。主动操控技术，尤其是声学操控，为克服这些限制提供了新思路。声学操控主要分为表面声波（SAW）和体声波（BAW）两种方式。SAW以其高频特性，能够实现高度精准的局部操控，但操作范围有限且设备成本较高；而BAW则凭借其低频传播和深度穿透能力适合处理大体积样本，但在精确定位和灵活操控方面表现不足。
近年来，低频超声与微结构结合的创新手段成为研究热点。其中，微气泡因其特别的共振特性，在局部操控中表现出优异的稳定性和效率。然而，现有微气泡系统仍面临诸多挑战，如体积不稳定性、振动方向随机性以及加工成本高昂等。此外，在多细胞类型分离方面，传统微流体分离芯片通常只能处理两种细胞类型，难以满足实际需求。因此，需要开发一种具有更高稳定性、可控性和选择性的微气泡系统，以满足精确、灵活和高效操控的需求。
基于此，南京大学现代工程与应用科学学院王光辉教授课题组设计开发了一种基于3D打印技术的嵌入式微气泡声学超表面，突破性实现了对声频的选择性操控。相关研究成果以“3D-printed Acoustic Metasurface with Encapsulated Micro-air-bubbles for Frequency-Selective Manipulation”为题发表在期刊《Lab on a chip》上。南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生冀苗苗为本文第一作者，王光辉教授和张秀娟副教授为共同通讯作者，卢明辉教授参与合作研究。
该声学超表面采用摩方精密microArch® S240 （精度：10 μm）3D 打印系统制备，通过在直径和高度方向上的精准控制，实现了多种尺寸微孔结构的加工，从而为频率选择性设计提供了高度灵活性。研究团队使用20 μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜对微孔结构表面进行封装，创新性地开发出一种人造微气泡结构，该结构能够实现对微孔尺寸及其振动模态的精准调控。在单孔模式下，该系统能够精确操控粒子或细胞，包括模式1：聚集、模式2：旋转和模式3：传输；在阵列模式下，可实现对运动轨迹的选择性调控。此研究开发了一种通过调节声频实现高精度和高灵活性微尺度操控的创新平台。
图1. 装置的示意图及操控效果。(a) 设备示意图，插图显示封装微气泡的膨胀和收缩过程。(b) 单孔模式操控效果示意：聚集、旋转和分离。(c) 多孔模式操控机理示意：微气泡阵列超表面在不同激励频率下的响应。(d) 多孔模式操控效果示意：直线和曲线的受控轨迹传输。
首先，通过仿真建模揭示了振动特性，发现振动模态和频率偏离对粒子行为具有显著影响，为频率选择性设计提供了理论支撑。结果表明，在共振频率即模式1下，薄膜的振动最高点位于中心，且振幅最大。此时，20 μm 聚苯乙烯（PS ）粒子在声辐射力的作用下向中心聚集并保持稳定，未发生旋转。当偏离共振频率（±1 kHz）即模式2时，薄膜的最大振动位置从中心向边缘移动。尽管振幅仍较大，但由于偏离共振条件下声辐射力减弱，声流力相对增强，但未占主导地位。此时，20 μm PS 粒子被推向非中心区域，并在声流梯度作用下发生旋转。当偏离共振频率（±2 kHz）即模式3时，气泡与薄膜之间的耦合效应显著减弱，导致声辐射力大幅下降，薄膜振幅明显减小，最大振动位置继续向边缘移动。与此同时，声波能量更多地传递到流体中，使得声流力占主导地位，从而促使20 μm PS 粒子沿薄膜表面传输。
图2. 单孔振动结构的理论模型和模拟结果。 (a) 图 1a 中插图的模拟模型示意图。(b) L = 135 μm 时的位移-频率关系。振动结构在 35.4 kHz（一阶模式）和 66.8 kHz（二阶模式）处呈现出两个显著的共振。(c) fR 为设计封装微泡的模拟结果， fB 为与设计封装微泡体积相同的传统微泡的理论计算结果。(d) 三种操作模式下 20 μm PS 粒子受力、流线、位移和 声辐射势U 的示意图。(e) 三种操纵模式下的流线模拟结果。(f) 和 (g) 为三种操纵模式下振动位移和 声辐射势的模拟结果。
然后，利用多普勒激光测振仪验证了薄膜的振动特性。在 36 kHz 共振频率下，薄膜的最大位移位于中心，振幅达到峰值；当频率调整至 35 kHz 和 37 kHz 时，最大位移偏离中心，振幅有所降低；而在 34 kHz 和 38 kHz 时，振幅进一步减小，最大位移位置显著偏离中心。x-y 平面的振动测试结果也验证了这一规律。此外，针对单孔振动结构对 20 μm PS 粒子的操控实验表明，在 36 kHz 激励下，粒子被捕获于薄膜中心；当频率调整至 35 kHz 和 37 kHz 时，粒子捕获位置偏离中心；而在 34 kHz 和 38 kHz 时，粒子实现传输。粒子的捕获位置与薄膜的最大位移及低声辐射势一致，实验结果与模拟预测高度吻合。
图3. 薄膜振动测试和 20 μm PS 粒子操作结果。(a) 36 kHz 下的薄膜振动测试结果。(b) 不同频率下 x-z 截面的振动位移曲线。(c) 不同频率下 x-y 截面的薄膜振动测试结果，以及20 μm PS 粒子操作。
随后，对振动引发的声流进行了测试与验证，结果与先前的分析一致。在模式1下实现了粒子的自组装，为纳米材料制造提供了潜在解决方案。此外，研究表明，进一步减小微孔尺寸以提高共振频率，有望捕获更小尺寸的粒子或细胞，例如红细胞。这表明该装置不仅适用于本文所提到的应用，还具备更广泛的生物和材料富集潜力。
图4. 颗粒测试和分析结果。(a)-(c) 分别显示模式1、模式2 和模式3 的流线结果。(d) 在模式1下实现的粒子自组装。(e) 临界粒子尺寸的计算和实验结果。
在生物场景测试中，成功实现了对小鼠胚胎成纤维细胞（3T3-L1）的聚集、旋转和传输。在模式1下，还成功实现了轮虫的中心聚集，展示了振动结构对自由运动生物体的有效操控能力。通过三种模态下的生物场景实验，验证了该技术在精确操作和处理活细胞及生物体方面的有效性。
图5. 生物样本在三种模式下的测试结果。(a) 模式1 ：3T3-L1 细胞聚集。(b) 模式 1：轮虫聚集。(c) 模式2：3T3-L1 细胞面外旋转。(d) 模式3 中：3T3-L1 细胞分离。
基于单孔设计，研究团队进一步开发了阵列式多孔结构，并在模拟振动分析后进行了粒子传输测试。测试结果表明，通过利用微泡的特征频率，可以实现粒子在微泡上方的选择性传输。在 9 kHz 的低频激励下，粒子沿声波传播方向移动，形成线性传输路径。该结果验证了不同频率下微泡结构对粒子操控行为的显著差异（图6）。
图6. 微泡阵列超表面的模拟和粒子测试结果。(a)共振频率模拟。(b) 微气泡阵列超表面的特征频率模拟结果及 20 μm PS 粒子在特定频率下的相应轨迹。(c) 20 μm PS 粒子在 33 kHz 激发频率下的运动速度曲线。(d) 9 kHz激励频率下20 μm PS 粒子的模拟结果和运动轨迹。
最后，对微泡阵列操纵细胞的能力和细胞完整性进行验证。结果表明，该装置对细胞活性无明显影响，且操作过程温升始终控制在生理可接受范围内，表现出良好的生物相容性。操作后5分钟，染色结果显示细胞活性仍保持为 95.4%。在 6 分钟的操作过程中，样品室采样点的最大温升不超过 1°C，从而排除了温度变化对细胞操作和活力验证结果的潜在影响。
图7. 细胞运动轨迹操作和活动测试。(a) HUVECs 在 9 kHz 频率下的运动轨迹操作。(b) HUVECs 在 37 kHz 频率下的运动轨迹操作。(c) 在不同的激发信号应用时间（5 分钟、10 分钟、15 分钟、20 分钟）下评估细胞活性。(d）5 分钟处理后的细胞染色结果。
图8. 温度测试示意图和结果。(a) 温度测试的取样点。(b) 不同激励频率和电压下的温度变化（ΔT）。(c)-(e) 分别为激励频率为 36 kHz 时不同电压下采样点的温度变化曲线。
总结：该研究创新性地结合3D打印技术与声学操控，开发出基于微气泡的高灵活性声学超表面，为频率可调的操控提供了新思路。该系统在多细胞类型分离、局部精准操控以及灵活性方面表现出显著优势。这一创新为开发更高稳定性、可控性和选择性的声学操控系统奠定了基础，为实际应用中的高效操控需求提供了潜在解决方案。通过调控阵列耦合结构与激励频率，该平台能够实现精准的多模态样本处理，为生物医学与药物筛选等领域的复杂操作需求提供了新路径，同时展示了与智能算法结合的广阔应用前景。
