亚波长多点聚焦声表面波超材料研制

20241226

科学研究和技术服务业

课题组在北京市科技计划的支持下，开展了亚波长多点聚焦声表面波超材料的研制，提出了声表面波全息超材料和声表面波谐波可调超材料逆向设计方法，实现了亚波长、多自由度、多功能聚焦声束的空间动态调控，开发了基于声表面波超材料的声镊器件，实现了颗粒的图案化操控、以及捕获、分选、富集、拉伸、压缩等声镊功能。 （1）声表面波全息超材料 针对传统声表面波超材料存在的调控自由度低，难以实现多点聚焦的问题，课题组将声学全息技术引入声表面波，提出声表面波全息超材料，同时具备声表面波精度高与声全息超材料调控自由度高的优势，能够实现更加精细化、功能化的声镊功能。 在声表面波全息超材料的设计过程中，利用声波在树脂基全息超材料和水溶液中传播速度的不同，通过全息超材料上微结构的高度设计，实现出射声场的相位调控，进而在远场衍射形成对应的声压图案。根据声场目标平面的设计图案及声场调控原理，通过直接搜索法优化得到声场传播初始面上的声波相位排布，并计算相应的全息超材料微结构的分布，进而实现声表面波全息超材料的设计。基于此设计方法，课题组在2.5-20 MHz的激励频率范围内，实现了单点、5点、K形、直线、圆形和矩形等多种复杂聚焦声场分布的声表面波全息超材料设计，以及亚波长单点聚焦声场，涡旋聚焦声场，相位梯度声场的声表面波全息超材料设计。 课题组采用面投影微立体光刻技术，实现了高精度大幅面微尺度的声表面波全息超材料的制备，制备了声表面波全息超材料声镊器件，并开展了一系列颗粒操控实验。基于声表面波全息超材料的声镊器件，实现了10 MHz激励下颗粒任意位置单点、5点、K形、直线、圆形和矩形等多种聚焦图案；实现了颗粒的单点及图案化捕获功能，实现了20 MHz下的颗粒直线排布，以汇聚颗粒直线的宽度平均值作为聚焦精度，测量得到直线宽度平均值为63.48 μm，满足100 μm聚焦精度及亚波长（<75 μm) 的指标要求。此外，通过声表面波激励信号相位的调控，变换声表面波驻波节线位置，使其在固定的声学结构上，由单点聚焦声场转换为双点聚焦声场，实现了颗粒团的分离和融合。 （2）声表面波谐波可调超材料 针对精细化工、生物医疗等领域对微米级颗粒动态操控的需求，课题组基于多频率辐射声场调控原理，通过变间距叉指电极的设计，提出声表面波谐波可调超材料，实现固定声学结构上声场的动态调控，进一步实现颗粒群体的捕获、分选、富集、拉伸、压缩等丰富的声镊操控功能。 在远场液体环境中，颗粒将主要受到声辐射力的作用，声辐射力的作用大小和方向与Gor’kov势能的梯度相关，通过设计Gor’kov势阱位置可实现颗粒操控。针对目前声学结构固定的换能器采用单一频率激励，声场分布模式单一的问题，课题组首先提出多频率辐射声场调控机理，通过调控两路激励信号频率和幅值，可在固定的声学结构上，构建了多个分布模式的声表面波声场，然后根据Gor’kov势阱分布设计，得到了声表面波激励信号，开展了变间距声表面波叉指电极的设计，实现了多模式辐射声场的叠加，通过声表面波声场的切换，实现了声场的动态调控。 课题组制备了变间距声表面波叉指电极，并开发了声表面波谐波可调超材料声镊器件，并开展了一系列颗粒操控实验。基于声表面波谐波可调超材料的声镊器件，实现了PS颗粒群的高通量捕获；基于幅值调控方法，实现声势阱形状的调控，进一步实现了气泡团的原位高通量压缩；基于频率调控方法，实现了流道中特定位置单个颗粒的汇聚和分离，证明了声表面波声镊器件具有颗粒选择性操控功能；基于频率调控方法，实现声势阱形状和位置的调控，进一步实现了颗粒群和气泡团的高通量拉伸和压缩，相邻气泡团之间的最大距离约为87 μm，满足空间分辨率<100 μm的指标要求；基于包含液滴的声表面波谐波可调声镊器件，实现了液滴内的5 μm, 10 μm和50 μm颗粒的富集，以及不同尺寸混合颗粒的分选。课题组通过颗粒运动轨迹追踪的方法，根据声辐射力的数学解析式，计算了流道中颗粒捕获过程中受到的声辐射力，对直径在5-20 μm范围内的颗粒，其受到的声辐射力范围为0.8-400 pN，且声辐射力和颗粒直径具有三次方关系。 单细胞捕获及非接触操控是目前生物医疗领域的重要难题，通过本课题研发的声表面波声镊器件，能实现单细胞的高精度非接触捕获、分选、力学加载和图案化排布，对细胞检测、优选、组织工程、力学表型等具有重要作用。因此，本课题研发的声表面波超材料及声镊技术在单细胞操控等生物医疗领域具有广泛的应用前景。

合作方应有细胞实验所具备的细胞培养无菌实验室，包括无菌操作间、细胞孵育区、培养液制备区、清洗及消毒灭菌区等。应有细胞培育和实验所需的恒温培养箱、二氧化碳培养箱、生物安全柜、离心机等设备，应具有高精度显微镜用于细胞/颗粒行为的观测。 合作方应具备药物临床试验机构资格证书；有较强的医疗、教学和科研综合能力；具备完整的细胞质量控制条件和全面的细胞临床研究质量管理体系和独立的细胞临床研究质量保证部门；具有完整的细胞制剂制备和临床研究全过程质量管理及风险控制程序和相关文件；具有细胞临床研究审计体系， 合作方主要研究人员应具备足够的能力（根据适当的教育、培训、经历、职称或所需技能证明等进行能力评价），应经过药物临床试验质量管理规范培训，从事相关工作至少3年。合作方受认可的授权签字人应为达到中级及以上专业技术职务资格要求的人员，从事申请认可授权签字领域的工作至少3年。

可国（境）内外转让

本课题的研究成果有望应用于生物医疗领域中的细胞非接触精准操控及力学加载。细胞精确操控是单细胞分析、辅助生殖、组织工程等技术的必要环节，能够实现生殖细胞优选、稀有细胞检测、肿瘤细胞药物筛选等应用，具有很高的市场价值。目前，单细胞操控主要采用微管技术，其直接接触细胞，容易损伤和污染细胞，效率较低，人工成本高，仪器集成难度大。利用本课题的声表面波超材料声镊技术，提出细胞非接触操控新范式，实现高精度、非接触的细胞操控技术，具有低成本、微型化、易集成的显著优势，且不会污染生物细胞，能保证细胞的存活率。本课题在执行过程中也开展了基于声表面波超材料声镊器件的三维细胞阵列化富集和培养，并对构建的细胞模型进行药物筛选研究，通过实验表明，声表面波超材料声镊能成功实现三维肿瘤细胞团的培养，并使得细胞药物筛选效率提高了250%。本课题的研究结果，可作为未来细胞操控和力学加载研究的重要基础，具有非常重要的科学意义和实用价值。

前沿新材料技术创新

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

传统声学超材料的激励频率通常在MHz以下，存在小型化、集成化困难的问题。声表面波超材料激励频率高，易于小型化和集成化，但存在调控自由度低、难以实现声场图案化调控及动态调控的问题，限制了声表面波超材料在相应器件的应用，特别是在声镊器件的应用。 课题组在北京市科技计划的支持下，开展了亚波长多点聚焦声表面波超材料的研制，提出了声表面波全息超材料和声表面波谐波可调超材料逆向设计方法，实现了亚波长、多自由度、多功能聚焦声束的空间动态调控，开发了基于声表面波超材料的声镊器件，实现了颗粒的图案化操控、以及捕获、分选、富集、拉伸、压缩等声镊功能。 （1）声表面波全息超材料 针对传统声表面波超材料存在的调控自由度低，难以实现多点聚焦的问题，课题组将声学全息技术引入声表面波，提出声表面波全息超材料，同时具备声表面波精度高与声全息超材料调控自由度高的优势，能够实现更加精细化、功能化的声镊功能。 在声表面波全息超材料的设计过程中，利用声波在树脂基全息超材料和水溶液中传播速度的不同，通过全息超材料上微结构的高度设计，实现出射声场的相位调控，进而在远场衍射形成对应的声压图案。根据声场目标平面的设计图案及声场调控原理，通过直接搜索法优化得到声场传播初始面上的声波相位排布，并计算相应的全息超材料微结构的分布，进而实现声表面波全息超材料的设计。基于此设计方法，课题组在2.5-20 MHz的激励频率范围内，实现了单点、5点、K形、直线、圆形和矩形等多种复杂聚焦声场分布的声表面波全息超材料设计，以及亚波长单点聚焦声场，涡旋聚焦声场，相位梯度声场的声表面波全息超材料设计。 课题组采用面投影微立体光刻技术，实现了高精度大幅面微尺度的声表面波全息超材料的制备，制备了声表面波全息超材料声镊器件，并开展了一系列颗粒操控实验。基于声表面波全息超材料的声镊器件，实现了10 MHz激励下颗粒任意位置单点、5点、K形、直线、圆形和矩形等多种聚焦图案；实现了颗粒的单点及图案化捕获功能，实现了20 MHz下的颗粒直线排布，以汇聚颗粒直线的宽度平均值作为聚焦精度，测量得到直线宽度平均值为63.48 μm，满足100 μm聚焦精度及亚波长（<75 μm) 的指标要求。此外，通过声表面波激励信号相位的调控，变换声表面波驻波节线位置，使其在固定的声学结构上，由单点聚焦声场转换为双点聚焦声场，实现了颗粒团的分离和融合。 （2）声表面波谐波可调超材料 针对精细化工、生物医疗等领域对微米级颗粒动态操控的需求，课题组基于多频率辐射声场调控原理，通过变间距叉指电极的设计，提出声表面波谐波可调超材料，实现固定声学结构上声场的动态调控，进一步实现颗粒群体的捕获、分选、富集、拉伸、压缩等丰富的声镊操控功能。 在远场液体环境中，颗粒将主要受到声辐射力的作用，声辐射力的作用大小和方向与Gor’kov势能的梯度相关，通过设计Gor’kov势阱位置可实现颗粒操控。针对目前声学结构固定的换能器采用单一频率激励，声场分布模式单一的问题，课题组首先提出多频率辐射声场调控机理，通过调控两路激励信号频率和幅值，可在固定的声学结构上，构建了多个分布模式的声表面波声场，然后根据Gor’kov势阱分布设计，得到了声表面波激励信号，开展了变间距声表面波叉指电极的设计，实现了多模式辐射声场的叠加，通过声表面波声场的切换，实现了声场的动态调控。 课题组制备了变间距声表面波叉指电极，并开发了声表面波谐波可调超材料声镊器件，并开展了一系列颗粒操控实验。基于声表面波谐波可调超材料的声镊器件，实现了PS颗粒群的高通量捕获；基于幅值调控方法，实现声势阱形状的调控，进一步实现了气泡团的原位高通量压缩；基于频率调控方法，实现了流道中特定位置单个颗粒的汇聚和分离，证明了声表面波声镊器件具有颗粒选择性操控功能；基于频率调控方法，实现声势阱形状和位置的调控，进一步实现了颗粒群和气泡团的高通量拉伸和压缩，相邻气泡团之间的最大距离约为87 μm，满足空间分辨率<100 μm的指标要求；基于包含液滴的声表面波谐波可调声镊器件，实现了液滴内的5 μm, 10 μm和50 μm颗粒的富集，以及不同尺寸混合颗粒的分选。课题组通过颗粒运动轨迹追踪的方法，根据声辐射力的数学解析式，计算了流道中颗粒捕获过程中受到的声辐射力，对直径在5-20 μm范围内的颗粒，其受到的声辐射力范围为0.8-400 pN，且声辐射力和颗粒直径具有三次方关系。 单细胞捕获及非接触操控是目前生物医疗领域的重要难题，通过本课题研发的声表面波声镊器件，能实现单细胞的高精度非接触捕获、分选、力学加载和图案化排布，对细胞检测、优选、组织工程、力学表型等具有重要作用。因此，本课题研发的声表面波超材料及声镊技术在单细胞操控等生物医疗领域具有广泛的应用前景。