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高频超声波,3D打印技术

2019-11-23 18:15

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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......近日,天津大学微机电系统团队在胡小唐教授、庞慰教授、段学欣教授指导下,围绕“高频超声波器件”研究连续取得重大突破。团队三项科技成果达到世界领先水平,被国际一流期刊选为封面文章重点推介,有望造福人类健康,得到学界广泛关注和认可。

最近,纽约市立大学的研究人员开发了一种新的有机材料纳米打印方法。该研究小组由高级科学研究中心和Hunter学院的研究人员组成,利用微流体和光化学来改进尖端光刻技术。这是创建纳米级生物芯片的最佳方法之一,但之前仅限于一次打印一个分子。纽约市立大学的研究人员已经扩大了基于尖端光刻的可能性,他们的工作可能会改变生物芯片的制造方式。

生物芯片黑科技,高效低成本制造“微液滴”

基于尖端的光刻是用于在芯片表面上打印有机材料的技术。它将通常会使软有机物变质的高能光束重新导向阵列,这使得能量有助于重塑材料。

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纽约市立大学研究人员的新方法使用微流控设备在分子水平控制流体,以及称为光束光刻的技术。光束光刻涉及构建一系列聚合物金字塔,然后用其覆盖并安装到原子力显微镜上。每个阵列的面积约为1平方厘米,并包含数千个金字塔。孔放置在金字塔中,使得光只能到达下面芯片表面上的特定位置,将有机试剂固定在芯片表面上而不损坏它们。

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、化学、军事等领域带来重大影响,拥有巨大商业潜力。

然后,科学家可以重复使用相同的有机材料,并将更多的分子添加到同一个芯片上,而不会损坏已经打印的分子。为了研究,科学家试图优化硫醇-烯反应,并分析其反应动力学。他们还创造了含有多种荧光烯烃的图案,其中每种图案都旨在展示仪器的不同能力。

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。

新的可重复使用能力使生物芯片的打印更便宜、更高效。也有助于降低成本,是在常规实验室条件下执行该过程的能力。

天津大学微机电系统团队成功研发“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。相关研究成果已作为封面文章发表于工程技术领域顶级期刊《芯片实验室》。

“这实际上是一种新型的纳米级打印机,它使我们能够在生物芯片表面上打印比目前任何商业技术更复杂的表现,”ASRC纳米科学倡议组织首席研究员兼副教授Adam Braunschweig说。 “这将帮助我们更好地了解细胞和生物途径如何工作。”

“细胞级”的微操大师,“声流体镊”突破极限

生物芯片可用于筛选和分析与疾病发展相关的生物学变化,生物恐怖主义药物以及涉及生物组分的其他研究领域。纽约市立大学研究人员开发的用于3D打印生物芯片的新技术比迄今开发的任何其他纳米打印方法更通用。这意味着可以使用普通的桌面科学仪器在更广泛的材料上进行打印,包括玻璃、金属和脂质。该团队还预测了其在遗传研究中的潜在应用。

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该研究的结果在一篇题为“Massively Multiplexed Tip-Based Photochemical Lithography under Continuous Capillary Flow”的文章中进行了详细介绍。参与文章写作的作者分别是:Carlos Carbonell、Daniel J. Valles、Alexa M. Wong、Mei Wai Tsui、Moussa Niang和Adam B. Braunschweig。

“声镊”顾名思义,是一种“以声波能量为镊”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。

天津大学微机电系统团队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”。与传统声镊相比,“声流体镊”体积更小,操控更为精细精准,不仅可以操控细胞,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。相关研究成果已作为封面文章发表于工程领域世界一流期刊《粒子及粒子系统表征》。

“精准操纵、聚集捕获”,癌症检测迎来“革命性突破”

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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,这成为了人类战胜癌症的“新难题”。

天津大学微机电系统团队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。该技术具有良好的生物兼容性,易于与现有的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,有望成为癌症早期检测等领域的“革命性突破”。相关研究成果已作为封面文章发表于化学领域世界顶级期刊《美国化学学会中心科学》,团队关于声流体操纵的理论研究则发表在物理领域世界顶级期刊《物理应用综述》。

天津大学微机电系统团队由胡小唐教授领导,是一支以中青年科研人员为骨干的创新型研究团队,致力于研发MEMS传感器和纳米传感器、微执行器、通讯芯片等核心元器件及系统,其研究成果广泛应用于生命科学、环境、能源、信息工程、航空航天、物联网、可穿戴设备等领域。

(编辑 焦德芳 盛方圆)

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