微流控技术的核心是在微米尺度下实现流体的精准操控。该技术为相关研究提供了高效、低耗的技术支撑，在化学合成、生物研究、疾病诊断等领域具有重要应用价值。从技术发展来看，微流控系统主要分为两类：一类是“芯片实验室（Lab on a Chip, LoC）”，通过在微小芯片上刻蚀微通道实现流体操控与多步骤实验集成，但其封闭环境导致样品可及性差，制造成本较高，且样品的加载与卸载需专业操作技能；另一类是开放式微流控装置，虽解决了封闭系统的可及性问题，却难以实现稳定的连续流泵送，因此在完成复杂、多步骤的实验流程方面存在局限。
长期以来，科研领域面临一项核心挑战：如何在保持开放易操作特性的前提下，实现稳定可控的连续流泵送与多步骤集成操作。这一问题成为制约微流控技术在主流科研场景中的普及应用，而一项基于生物启发的创新设计，正为破解这一难题提供了突破性思路。
近日，北京理工大学刘晓明教授团队在《PNAS》期刊上在线发表了题为“Lab on an end: Micromanipulation using the acoustohydrodynamic pillar array as an end effector” 的论著。该研究受到纤毛结构协同运动特点的启发，设计了一种名为“Lab on an End（LoE，末端实验室）” 的声学流体微柱阵列装置，实现了微流体开放环境与时空连续流体操控的兼容，展现出对微尺度颗粒、生物目标及液体的跨尺度、多功能、灵活操纵能力。
首先，团队利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）3D 打印技术（nanoArch® P140，精度：10 μm）制造了梳状末端执行器。在超声换能器的驱动下，末端执行器附近将产生声场和局部声流体现象。通过调制输入信号的频率和幅值，可使声流体呈现面内传送流、面外旋转流以及基于声辐射力的捕获三种效应，进而实现对微目标的捕获、平移、旋转和双向输送等功能，操作目标涵盖数微米的 HeLa 细胞至毫米尺度的斑马鱼幼苗。此外，3D打印梳状末端的表面会产生较大毛细力，因此还能牵引液滴在疏水表面移动。
图1. LoE的工作原理。
为验证 LoE 操纵个体目标的能力，研究人员通过粒子示踪验证了上述三种声学作用效应（图 2A-2C），并进一步利用100 μm大小的聚苯乙烯（PS）颗粒验证了其对目标的捕获、平移、旋转及双向输送能力（图 2D-2G）。相较于其他末端执行器，LoE 还具备并行操纵能力，研究人员展示了通过同时操纵多个目标，将分散粒子排列为 “BIT” 图案的能力（图 2H）。
图2. 个体微粒的微操纵。
在个体微粒操纵的基础上，研究人员进一步探索了 LoE 在不同生物医学、化学研究领域的应用。
第一，研究人员利用 LoE 完成了 “端到端” 辅助生殖体外细胞操纵流程。首先，利用 LoE 的捕获功能捕获散落各处的卵母细胞，并将其排列为一行（图 3B）；其次，通过 LoE 的面内连续传送流将捕获的卵母细胞输送至操纵窗口，并将显微镜视野聚焦于窗口内（图 3C）；最后，借助 LoE 的面外连续旋转流调整操纵窗口内卵母细胞的姿态，对其进行观察与重新定向（图 3D）。经重新定向的卵母细胞在胞浆内精子注射后可继续发育为胚胎（图 3E）；胚胎发育过程中，可通过 LoE 持续观察其不同时期的状态，并借助显微视觉三维重建技术评估胚胎发育质量（图 3F-3G）。上述多步复杂操作均可通过同一个末端执行器完成，体现了其利用 “时空连续流” 进行复杂多步骤处理的能力。
图3. “端到端”辅助生殖体外细胞操纵。
第二，研究人员利用 LoE 开展了秀丽隐杆线虫（C. elegans）的形态学表征研究。末端执行器阵列在不同末端单元位置可产生稳定一致的时间连续流，确保了线虫等大长径比目标的稳定旋转与输送。研究人员还提出了一种线虫局部共聚焦成像技术：通过 LoE 调整线虫的位置与姿态，从不同角度对线虫不同部位进行高精度成像，从而避免层析荧光信息受到不同平面荧光信号叠加的干扰（图 4）。
图4. 秀丽隐杆线虫形态学表征。
第三，研究人员证实了 LoE 在液体操作中的优势。与其他开放微流体平台类似，LoE 可在疏水表面或油相介质中实现对水滴的稳定捕获与运输（图 5A）。与其他设备不同的是，LoE 还能在声流体作用下加速微尺度黏性流体的混合及固体颗粒物的溶解过程，有效解决了低雷诺数流体高浓度界面难以扩散的问题（图 5B-5C）。研究人员还设计了 LoE 促进化学反应的实验场景，尤其在传统 LoC 芯片难以处理的含沉淀或气体生成的化学反应中，LoE 展现出显著优势（图 5D）。通过预编程设置，LoE 还能模拟微流体的 “序列化处理” 能力，执行多步骤复杂化学反应。
图5. 液滴操纵和加速化学传质。
此外，研究人员还验证了 LoE 在单细胞及多细胞操作中的能力。研究选取生命科学领域经典的 HeLa 细胞系，首先证实了其对单细胞的捕获、转运、旋转等操纵能力（图 6A）。此外，LoE 还可作为高通量操纵工具，实现 HeLa 细胞的聚集成团（图 6B），并具备细胞转染及药物递送等功能（图 6C-6D）。
图6. 单细胞操纵、细胞成团、细胞转染操纵。
总结：LoE 首次实现了 “开放易操作” 与 “连续流多步骤处理” 的兼顾 —— 既具备开放式装置灵活便捷、成本低廉、上手快速的特点，又能像芯片实验室一样完成复杂实验。该装置无需专业操作技能，适用于普通实验室，有望推动微流控技术在化学合成、生物研究、辅助生殖等领域的普及，为相关科研提供高效实用的工具，助力相关领域取得研究突破。
原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2505479122
