CN105214742B - 基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，其特征在于，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控。本申请还公开了一种基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法。在本申请的具体实施方式中，由于包括微腔、超声波发射装置和声子晶体板，超声波发射装置用于发射超声波，声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对微粒进行操控，为药物递送提供新手段，为药物研发提供技术支持。

Description

基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法

技术领域

本申请涉及本申请涉及微流体控制技术，尤其涉及一种基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法。

背景技术

微流控芯片又被称为芯片实验室（Lab on a chip），具有微型化、集成化、高通量、低能耗、快速分析等优点，现已广泛应用于生物、化学、医学、环境等领域。在微流体分析检测过程中，细胞、DNA、蛋白质、聚苯乙烯微球、纳米金等微纳颗粒需要经微流体输运至样本制备、反应、分离、检测等功能单元。因此，精确、快速的微纳颗粒输运技术为微流体流动提供了必要的动力和精确控制，是微流体设备至关重要的功能模块。

当前微纳颗粒输运技术主要借助微流体泵、微流体腔道、微流体阀门等微流体器件联合作用实现。根据微流体泵的类型划分，这些微纳颗粒输运技术又可分为被动式和主动式。被动式技术利用表面张力等微流体自身特性作为驱动力，因此不需要复杂、昂贵的外围设备，适用于各种便携式微流体器件。但是，由于被动式技术无法根据需要对流动方向和流量进行实时灵活的调控，因此，被动式技术不适用于需对微流体进行复杂多步操作的生化免疫分析等领域。与被动式技术相比，基于光动力、电渗流、电泳、磁泳、介电泳、声微流等机制的主动式技术，主要利用电场、磁场、光场、声场等外加力场驱动微流体流动，可提供更加灵活的微流体操作。但是，主动式技术存在工艺复杂、需要在微腔道内引入活动部件、性能不稳定等方面的缺点。另外，由于上述微流体技术均需要在微腔道内进行，因此还存在着悬浮颗粒堵塞腔道的问题，这限制了器件的通量和使用次数。

没有微流体腔道的微腔型微流体设备不仅工艺简单，还具有不堵塞腔道的优点，因此成为微流体设备研发的新方向。利用电场，已开发出了针对液滴的微腔性微流体设备，但是该系统不适用于连续流。基于MEMS工艺，叉指换能器激励ZnO薄膜振动产生的A₀模式兰姆波可诱发声流效应输运微纳颗粒，但是该方法产生的流动为整体性的直线流动，难以根据需要改变流动方向形成复杂路径。近年来，利用气泡振动产生的声微流实现了微纳颗粒的输运，但是由于气泡不均一、不稳定、不易捕获，故难以根据需要构建气泡阵列形成复杂的输运路径。因此，连续流条件下，在微腔内沿任意路径输运微纳颗粒成为一项挑战，制约了微腔性微流体设备的发展。

而在药物递送技术领域，安全高效的药物递送技术是药物研发、癌症研究、多功能干细胞诱导和组织工程等领域的核心技术。因此，研究开发安全可靠、高效精确、易于操作的药物递送技术已成为备受瞩目的前沿方向之一。

当前的药物递送技术主要分为三种：生物学方法、化学方法和物理方法。生物学方法即病毒介导的递送技术，具有效率高、易于操作的优点，但是存在免疫原性、细胞毒性和致癌性的问题，因此安全性难以保障。化学方法是当前研究中广泛采用的方法，包括阳离子脂质体法、阳离子多聚物法、阳离子氨基酸法等方法。该方法的效率低，依赖于细胞类型，且存在药物泄露、稳定性等问题。

相比较前两种方法，物理递送方法具有安全简单的优点，主要包括微注射法、电致穿孔法、激光法和超声法（声致穿孔）等方法。微注射法通过微管将核酸直接注入细胞质或者细胞核，该方法不适合系统性递送、对操作技能要求较高、通常会引起细胞死亡。电致穿孔法是一种简单、快速、高通量、应用最广泛的物理递送方法。该方法利用高强度电脉冲对细胞膜造成穿孔，增强细胞膜的通透性，使药物可穿过孔洞进入细胞质。但电致穿孔法的细胞死亡率较高。激光法利用激光脉冲对细胞膜辐射产生瞬时小孔，将外源核酸输送至细胞内。该方法可实现细胞膜上精确、定点开孔，但是激光系统的造价昂贵。

超声递送药物技术因具有非接触、无创、低廉、普遍适用性等优点而受到了广泛的关注。与电致穿孔法类似，当前超声递送药物技术是基于超声联合超声造影剂微泡对细胞穿孔的生物物理过程实现的，这一过程也被称为声致穿孔效应（sonoporation）：微泡在超声场中的惯性空化或者稳态空化，及伴随的声辐射力、微射流（microjet）、声微流（micro-streaming）、剪切力等效应，在细胞膜表面产生可修复的几十纳米至几百纳米大小的孔隙，从而增强了细胞膜的通透性，使得细胞外的DNA、蛋白质等生物大分子可穿过小孔进入细胞内发挥作用。但是，微泡不稳定、尺寸不均一，难以对微气泡群的空化进行精确调控。

发明内容

本申请提供一种基于人工结构声场的微流体系统及操控微粒的方法。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控。

所述声子晶体板包括基板和设置在所述基板下表面的多个凸条，所述凸条平行设置且间隔相等。

所述凸条为曲线形或封闭的环形。

所述凸条的横截面包括长方形、三角形、多边形或半圆形。

所述凸条的横截面为长方形，所述长方形的中心线之间的间距为d，所述基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。

所述长方形的宽、所述长方形的高及所述基板的厚度相等。

所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器和超声电子控制装置，所述信号发生器用于产生发射信号，所述功率放大器用于将所述发射信号放大，所述超声换能器用于将放大后的发射信号转换为超声波，所述超声电子控制装置用于设置所述信号发生器和所述功率放大器的参数，以及用于设置所述超声换能器的开启和关闭。

所述微腔包括上底、下底和侧壁，所述侧壁围出内腔且两端设有开口，所述上底和所述下底分别设置在所述开口处。

所述上底和所述下底由石英玻璃制成，所述侧壁由PDMS或者玻璃制成。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法，包括：

将声子晶体板置于微腔内，所述声子晶体板为人工周期结构；

加入含有微粒的溶液；

超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制；

所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控。

上述方法中，所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，包括：

所述声子晶体板基于所述调制声场诱发的声辐射力对微纳颗粒进行输运；

所述声子晶体板基于所述调制声场产生的声辐射力捕获、排列细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者可调控声致穿孔效应。

上述方法中，所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，还包括：

通过设置所述声子晶体板上的凸条排列的图案调整所述微纳颗粒的输运路径；

通过设置所述声子晶体板的基板的厚度、所述凸条的间隔调控所述微涡旋阵列的尺寸。

上述方法中，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，具体包括：

所述超声波发射装置用于发射脉冲波时，信号的中心频率为所述声子晶体板的共振频率，带宽15%～100%，通过改变电压的方式实现对输运速度的调控；

所述超声波发射装置用于发射连续波时，通过将驱动频率设为所述声子晶体板的共振频率，从而实现对微纳颗粒进行捕获。

上述方法中，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，还包括：

所述超声波发射装置通过调节参数对所述微涡旋阵列进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度，实现细胞裂解或者可调控声致穿孔效应，所述参数包括激励电压、驱动频率、脉冲重复频率和脉冲持续时间。

上述方法中，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，还包括：

所述超声波发射装置用于发射正弦脉冲信号时，信号的中心频率为所述声子晶体板的共振频率，通过调节所述参数，对所述声子晶体板诱发的微涡旋进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度；

所述超声波发射装置用于发射连续波时，驱动频率设为所述声子晶体板的共振频率，通过调节激励电压的方式，对人工结构声场诱发的微涡旋进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

⑴ 在本申请的具体实施方式中，由于包括微腔、超声波发射装置和声子晶体板，超声波发射装置用于发射超声波，声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对微粒进行操控，为药物递送提供新手段，为药物研发提供技术支持。

⑵ 在本申请的具体实施方式中，由于声子晶体板包括基板和设置在基板下表面的多个凸条，凸条平行设置且间隔相等，凸条为曲线形或封闭的环形。通过设计人工周期结构的图案可灵活设计微纳颗粒的输运路径，通过替换不同图案的声子晶体板可更改微纳颗粒的输运路径，利用人工周期结构调制声场，可在微腔内，实现大量微纳颗粒沿任意设计路径的并行输运。

⑶ 在本申请的具体实施方式中，信号发生器通过发射不同参数的激励信号，实现了对微纳颗粒输运和捕获模式的快速灵活切换。在微流体分析过程中，微纳颗粒流经样本制备、反应、检测等单元模块时可通过改变信号发生器发射参数的方式，将微纳颗粒捕获在流经的单元模块，以便对微纳颗粒进行分析检测。当分析检测完成后，可将发射参数从捕获模式参数切换至输运模式参数，将微纳颗粒输运至下一分析检测单元。

⑷ 在本申请的具体实施方式中，人工周期结构用于调制声场产生声辐射力以排列、捕获细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生可定量调控的剪切力。由于与传统超声联合微泡的递送技术相比，本申请不需要微泡的介入，因此本申请可对多种类、大规模细胞提供可重复、有统计学意义、且能精确定量的可定量调控的声孔效应。

附图说明

图1为本申请的系统在一种实施方式中的结构示意图；

图2为本申请的声子晶体板在一种实施方式中的结构示意图；

图3为本申请的方法在一种实施方式中的流程图；

图4为本申请的方法在另一种实施方式中的流程图；

图5 为使用本申请沿90度拐角声子晶体板输运微纳颗粒的效果图；

图6为使用本申请沿120度拐角声子晶体板输运微纳颗粒的效果图；

图7为使用本申请沿回路声子晶体板输运微纳颗粒的效果图；

图8为使用本申请在输运模式和捕获模式之间切换的效果图。

图9为本申请基于人工结构声场的新型微流体的方法在一种大规模细胞阵列裂解或者穿孔实施方式中的流程图；

图10 为使用本申请的声子晶体板调制声场产生的微涡旋及剪切力的效果图；

图11为使用本申请形成的细胞阵列及对细胞裂解的效果图；

图12为使用本申请形成的细胞阵列及对细胞穿孔的效果图；

图13为本申请的声子晶体板在另一种实施方式中的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请的基于人工结构声场的微流体系统具有较小的尺寸，比如在一种实施方式中，压电陶瓷片的尺寸小于2cm，声子晶体板的长宽尺寸15 mm *20mm，PDMS水槽的高度仅4mm，整个系统在一块50 mm *50 mm *1mm的石英玻璃板上加工集成，且声子晶体板位于压电陶瓷片上方，所以可在显微镜下对30微米以下的细胞等颗粒进行操控和研究。因此，本芯片系统可以与微流体技术结合，在显微镜下对30微米以下的细胞等颗粒进行操控和研究。

实施例一：

如图1所示，本申请的基于人工结构声场的微流体系统，其一种实施方式，包括微腔、超声波发射装置和声子晶体板，超声波发射装置用于发射超声波，微腔用于盛放含有微粒的溶液，声子晶体板置于微腔内，声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对微粒进行操控。本申请中的微粒包括微纳颗粒和/或细胞，声子晶体板具体用于调制声场驱动微纳颗粒沿设计路径定向输运；声子晶体板用于调制声场捕获、排列细胞形成细胞阵列，以及声子晶体板还可用于产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者可调控声孔效应。由于声子晶体板产生声辐射力以排列、捕获细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生可定量调控的剪切力，从而可对多种类、大规模细胞提供可重复、有统计学意义、且能精确定量的可定量调控的声孔效应。

如图2所示，声子晶体板可以包括基板11和凸条12，凸条12设置在基板11下表面，凸条12有多个，多个凸条12平行设置且间隔相等。在一种实施方式中，凸条12为曲线形或封闭的环形。人工周期结构的图案可以根据需要进行设置，如凸条的形态可以表现为线段、90度拐角连接的线段、120度拐角连接的线段、多个90度拐角连接的线段与线段组合成的回路，从而形成直线声子晶体板、90度拐角声子晶体板、120度拐角声子晶体板、回路声子晶体板，其中， 90度拐角声子晶体板如图13（a）所示，120度拐角声子晶体板如图13（b）所示，回路声子晶体板如图13（c）所示。

凸条的纵截面可以包括长方形、三角形、多边形或半圆形。在本实施方式中，凸条的纵截面为长方形，长方形的中心线之间的间距为d，基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。长方形的中心线之间的间距 d为人工周期结构的周期，人工周期结构采用硬性材料制成，具体采用横波速大于基体水的纵波带的硬性材料制成。该硬性材料可以为金属材料，如铜、铝、钢或其他金属材料，该硬性材料也可以为非金属材料，如玻璃。在一种实施方式中，人工周期结构为在厚度0.1mm的不锈钢板上加工制得的周期0.35mm，高度0.05mm，宽度0.05mm的栅栏结构。人工周期结构的尺寸也可根据需要进行设置。

在一种实施方式中，当凸条的纵截面为长方形时，长方形的宽、高及基板的厚度相等。即若长方形的宽为w, 长方形的高为h1，则w=h1=h2。在本实施方式中，人工周期结构为在厚度 h1+h2=0.1 mm的不锈钢上通过化学刻蚀加工得到的周期为d=0.35mm，高度为h1=0.05mm，宽度为w=0.05mm的栅栏结构。

超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器，所述信号发生器用于产生发射信号，所述功率放大器用于将所述发射信号放大，所述超声换能器用于将放大后的发射信号转换为超声波。

在一种实施方式中，超声波发射装置包括信号发生器31、功率放大器32和超声换能器33，信号发生器31用于产生发射信号，功率放大器32用于将发射信号放大，超声换能器用于将放大后的发射信号转换为超声波。超声波发射装置还可以包括超声电子控制装置，超声电子控制装置可用于设置信号发生器和功率放大器的参数，以及超声换能器的开启和关闭，超声换能器可以是单阵元超声换能器、线阵超声换能器、面阵超声换能器、相控阵超声换能器和叉指换能器中的一种。人工结构的共振频率决定了发射超声的驱动频率，从而决定了超声换能器的中心频率。在本具体实施方式中，超声换能器采用单阵元超声换能器PZT4或者4个单阵元换能器PZT4构成的2*2面阵换能器或者64个单阵元换能器PZT4构成的8*8面阵换能器，其中心频率为3.8MHz。捕获微纳颗粒和诱发细胞裂解或者可调控声孔效应时，信号发生器发射频率3.774MHz的连续正弦信号；输运微纳颗粒时，信号发生器发射带宽3.774MHz-3.979MHz的Chirp脉冲信号。在一种实施方式中，信号发生器可以是可编程信号发生器（AFG3021，Tectronix），功率放大器可以是52dB的线性功率放大器（A300，E&I）。信号发生器产生的信号经功率放大器后激励超声换能器产生超声波，激励声子晶体板。

本申请的微腔包括上底21、下底22和侧壁23，侧壁围出内腔且两端设有开口，开口和内腔贯通，上底和下底分别设置在开口处，即上底设置在上端开口，下底设置在下端开口。上底和下底可以由石英玻璃制成，侧壁可以由PDMS (polydimethylsiloxane ，聚二甲基硅氧烷)或者玻璃制成。在一种实施方式中，微腔为长方体形，由石英玻璃制得的上底、由石英玻璃制得的下底和PDMS制得的四个侧壁面构成，其高度可根据需要进行设置。在本具体实施方式中，微腔的高度4mm。

在本申请的具体实施方式中，声子晶体板为刻蚀金属或者非金属薄板制备的人工周期结构，结构的图案决定了微纳颗粒的运动路径；通过替换不同图案的声子晶体板，可实现大量微纳颗粒沿任意设计路径进行并行输运；通过设置不同激励参数，可对大量微纳颗粒在捕获和输运两种模式之间进行灵活切换；通过设置不同激励电压，可定量调控微涡旋流场，从而定量调控细胞所受剪切力大小，以控制开孔程度。因此，本申请实现了一种简单可靠、可丢弃、模板化、可编程、并行处理、高通量、多功能的新型微流体器件。

实施例二：

如图3所示，本申请的基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法，其一种实施方式，包括以下步骤：

步骤102：将声子晶体板置于微腔内，声子晶体板为人工周期结构。

步骤104：加入含有微粒的溶液。

步骤106：超声波发射装置发射超声波，通过声子晶体板对声场进行调制。

步骤108：声子晶体板基于调制对微粒进行操控。

其中步骤108，具体包括：

步骤1082：声子晶体板基于调制声场对微纳颗粒进行输运；

声子晶体板基于调制声场产生的声辐射力排列、捕获细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者可调控声致穿孔效应。

在一种实施方式中，步骤108，还可以包括：

步骤1084：通过设置声子晶体板上的凸条排列的图案调整所述微纳颗粒的输运路径；

通过设置声子晶体板的基板的厚度、凸条的间隔调控所述微涡旋阵列的尺寸。

其中，步骤106，具体可以包括：

步骤1062：超声波发射装置用于发射脉冲波时，信号的中心频率为声子晶体板的共振频率，带宽15%～100%，通过改变电压的方式实现对输运速度的调控；

超声波发射装置用于发射连续波时，通过将驱动频率设为声子晶体板的共振频率，从而实现对微纳颗粒进行捕获。

在一种实施方式中，步骤106还可以包括：

步骤1064：超声波发射装置通过调节参数对微涡旋阵列进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度，实现细胞裂解或者可调控声致穿孔效应，参数包括激励电压、驱动频率、脉冲重复频率和脉冲持续时间。

在另一种实施方式中，步骤106还可以包括：

步骤1066：超声波发射装置用于发射正弦脉冲信号时，信号的中心频率为声子晶体板的共振频率，通过调节所述参数，对声子晶体板诱发的微涡旋进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度；

超声波发射装置用于发射连续波时，驱动频率设为所述声子晶体板的共振频率，通过调节激励电压的方式，对人工结构声场诱发的微涡旋进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度。

如图4所示，为本申请的基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法的一种具体应用例，即一种微纳颗粒输运实施方式，包括以下步骤：

步骤202：根据需要选择合适的声子晶体板。

步骤204：将微纳颗粒注入微腔；在本实施方式中，微纳颗粒可选用聚苯乙烯微球，具体是直径为15μm的聚苯乙烯微球74964-10ML-F。

步骤206：超声电子控制系统设定信号发生器和功率放大器的参数。

步骤208：捕获模式下对微纳颗粒进行捕获。

步骤210：输运模式下对微纳颗粒进行输运，通过调节电压可以对输运速度进行定量调控。

本申请的基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法，在一种实施方式中，其中步骤206具体包括：

捕获微纳颗粒时，信号发生器发射频率3.774MHz的连续正弦信号；输运微纳颗粒时，信号发生器发射带宽3.774MHz-3.979MHz的Chirp脉冲信号，并通过调节电压定量调控输运速度。

图5为15微米聚苯乙烯微球沿90度拐角路径模板输运的结果。信号发生器产生带宽3.774MHz-3.979MHz的Chirp脉冲信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工周期结构振动在结构表面产生声流效应。图5（a）为通过CCD相机拍摄了输运过程中不同时刻的图像；图5（b）为不同时刻的叠加图像，显示了微纳颗粒的运动轨迹。从始至终，微纳颗粒沿设计路径运动，运动方向发生了90度改变。

图6为15微米聚苯乙烯微球沿120度拐角路径模板输运的结果。信号发生器产生带宽3.774MHz-3.979MHz的Chirp脉冲信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工周期结构对发射声场进行调制。图6（a）为通过CCD相机拍摄了输运过程中不同时刻的图像；图6（b）为不同时刻的叠加图像，显示了微纳颗粒的运动轨迹。从始至终，微纳颗粒沿设计路径运动，运动方向发生了60度改变。

图7为15微米聚苯乙烯微球沿回路路径模板输运的结果。信号发生器产生带宽3.774MHz-3.979MHz的Chirp脉冲信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工周期结构振动对发射声场进行调制。中心图像显示了微纳颗粒的运动路径为一环型回路，及运动方向为逆时针方向。通过CCD相机拍摄了输运过程中不同时刻、不同位置的图像。起初，微纳颗粒位于左上和右上之间的区域，在超声驱动下，人工周期结构振动调制发射声场，驱动微纳颗粒沿逆时针方向依次经过回路的左上、左下、右下、右上四个位置，并最终回到初始位置。从始至终，微纳颗粒沿设计路径运动，运动方向发生了360度改变。

图8为捕获模式和输运模式切换的结果。输运微纳颗粒时，信号发生器发射带宽3.774MHz-3.979MHz的Chirp脉冲信号；捕获微纳颗粒时，信号发生器发射频率3.774MHz的连续正弦信号。通过CCD相机拍摄了输运过程中不同时刻的图像。起初在Chirp脉冲信号激励下，15微米颗粒沿120度拐角路径输运；当改用连续正弦信号激励时，15微米颗粒立刻停止输运，被捕获在路径模板表面；当激励信号变回Chirp脉冲信号后，捕获的15微米微纳颗粒继续沿设计路径输运。

如图9所示，本申请的基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法的另一种具体应用例，即一种大规模细胞阵列裂解或者穿孔方法，包括以下步骤：

步骤302：将细胞溶液注入微腔；在本实施方式中，细胞可选用黑色素瘤细胞或者乳腺肿瘤细胞。

步骤302：设定信号发生器的参数；

步骤304：超声波发射装置发射超声波；

步骤306：人工周期结构对声场进行调控； 调制声场产生的声辐射力排列、捕获细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者可调控声致穿孔效应。

本申请的基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法的，在一种实施方式中，其中步骤304具体包括：

信号发生器发射频率3.774MHz的连续正弦信号或者脉冲正弦信号；通过调节电压、驱动频率、脉冲重复频率、脉冲持续时间等参数定量调控微涡旋以定量调控细胞所受剪切力，从而控制开孔程度。

图10为声子晶体板调制声场产生的微涡旋及剪切力。信号发生器产生3.774MHz连续正弦信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工周期结构振动在结构表面产生微涡旋。图10（a）为计算得到的流场分布；图10（b）为根据流场分布进一步计算得到的剪切力分布；图10（c）为通过CCD相机拍摄到的微涡旋的图像。

图11为对15微米黑色素瘤细胞形成的细胞阵列及裂解的过程。信号发生器产生3.774MHz连续正弦信号，经功率放大器后激励超声换能器产生超声波；超声波激励人工周期结构振动在结构表面产生的声辐射力排列、捕获细胞形成细胞阵列，产生的微涡旋对细胞阵列的剪切力使细胞发生裂解。图11（a）为通过CCD相机拍摄的细胞阵列；图11（b）细胞阵列中的细胞裂解的过程。

图12对15微米黑色素瘤细胞穿孔后，药物进入细胞后的结果图。实验中采用碘化丙啶(PI)荧光染色剂。开孔前，无PI进入细胞内对其染色，故荧光模式下无法观察到细胞；开孔后，PI从细胞外进入细胞内对细胞染色，故细胞可显示红色荧光。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (15)

1.一种基于人工结构声场的微流体系统，包括微腔和超声波发射装置，所述微腔用于盛放含有微粒的溶液，所述超声波发射装置用于发射超声波，其特征在于，还包括置于所述微腔内的声子晶体板，所述声子晶体板为人工周期结构，用于调制声场对所述微粒进行操控，驱动所述微粒在声子晶体板表面沿设计路径定向输运，捕获、排列细胞形成细胞阵列，产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者调控声孔效应。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声子晶体板包括基板和设置在所述基板下表面的多个凸条，所述凸条平行设置且间隔相等。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述凸条为折线、曲线形或封闭的环形。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述凸条的横截面包括长方形、三角形、多边形或半圆形。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述凸条的横截面为长方形，所述长方形的中心线之间的间距为d，所述基板的厚度为h2，则0.15≤h2/d≤0.25。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述长方形的宽、所述长方形的高及所述基板的厚度相等。

7.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述超声波发射装置包括信号发生器、功率放大器、超声换能器和超声电子控制装置，所述信号发生器用于产生发射信号，所述功率放大器用于将所述发射信号放大，所述超声换能器用于将放大后的发射信号转换为超声波，所述超声电子控制装置用于设置所述信号发生器和所述功率放大器的参数，以及用于设置所述超声换能器的开关。

8.如权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述微腔包括上底、下底和侧壁，所述侧壁围出内腔且两端设有开口，所述上底和所述下底分别设置在所述开口处。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述上底和所述下底由石英玻璃制成，所述侧壁由PDMS或者玻璃制成。

10.一种基于人工结构声场的微流体操控微粒的方法，其特征在于，包括：

将声子晶体板置于微腔内，所述声子晶体板为人工周期结构；

加入含有微粒的溶液；

超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制；

所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，驱动所述微粒在声子晶体板表面沿设计路径定向输运，捕获、排列细胞形成细胞阵列，产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者调控声孔效应。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，包括：

所述声子晶体板基于所述调制声场诱发的声辐射力对微纳颗粒进行输运；

所述声子晶体板基于所述调制声场产生的声辐射力捕获、排列细胞形成细胞阵列，以及产生微涡旋阵列对细胞阵列产生剪切力，诱发细胞裂解或者可调控声致穿孔效应。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述声子晶体板基于所述调制对所述微粒进行操控，还包括：

通过设置所述声子晶体板上的凸条排列的图案调整所述微纳颗粒的输运路径；

通过设置所述声子晶体板的基板的厚度、所述凸条的间隔调控所述微涡旋阵列的尺寸。

13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，具体包括：

所述超声波发射装置用于发射脉冲波时，信号的中心频率为所述声子晶体板的共振频率，带宽15％～100％，通过改变电压的方式实现对输运速度的调控；

所述超声波发射装置用于发射连续波时，通过将驱动频率设为所述声子晶体板的共振频率，从而实现对微纳颗粒进行捕获。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，还包括：

所述超声波发射装置通过调节参数对所述微涡旋阵列进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度，实现细胞裂解或者可调控声致穿孔效应，所述参数包括激励电压、驱动频率、脉冲重复频率和脉冲持续时间。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述超声波发射装置发射超声波，通过所述声子晶体板对声场进行调制，还包括：

所述超声波发射装置用于发射正弦脉冲信号时，信号的中心频率为所述声子晶体板的共振频率，通过调节所述参数，对所述声子晶体板诱发的微涡旋进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度；

所述超声波发射装置用于发射连续波时，驱动频率设为所述声子晶体板的共振频率，通过调节激励电压的方式，对人工结构声场诱发的微涡旋进行定量调控，从而对细胞所受剪切力大小进行定量调控，以控制细胞开孔程度。