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天大科研团队用“高频超声波”领跑尖端生物科技

      2018-11-19       

本站讯(通讯员 焦德芳)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、段学欣教授的指导下,围绕“高频超声波器件”研究,用“超高频率”连续取得重大技术突破,三项成果被国际一流期刊选为封面文章重点推介,得到学界广泛关注和认可。

“高效率低成本”制造微液滴

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、化学、军事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、生物兼容性差,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。

天津大学微机电系统团队在提出“高频超声波制备微液滴”技术,利用高频超声波作用于液体表面,从而形成稳定的“液体尖峰”。当“液体尖峰”的顶部接触到平面基底的表面时,微量的液体就会被吸附到基底表面,形成微液滴。相较于传统的微液滴制造方法,这种新技术不需要针尖或喷嘴等结构,不仅降低了成本,还避免了针尖易磨损、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》。

“声流体镊”突破“微纳操控”极限

“声镊”顾名思义,是一种“以声波能量为镊”的操作系统,可以对单个细胞或微小颗粒进行操控。由于其多能性、低能耗、小型化等优势,声镊正成为手术医疗、细胞研究生物制药等领域的“利器”。目前,如何精准控制微纳米尺度的物体成为了声镊亟待突破的技术“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、精确控制姿态、甚至裂解细胞,为生物医学研究、疾病早期诊断等领域提供了更有效、更准确、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”

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诊断对象,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,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。该技术不依赖于生物分子的物理、化学属性以及环境因素等,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和生物分子相互作用提供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》,关于声流体操纵的理论研究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 赵宇欣)