在生物检测、光学器件、医疗诊断等场景中，如何“无损耗、无污染”地操控液滴，是微流控系统的关键挑战。传统的物理场操控技术虽能实现非接触操作，避免液体损耗与交叉污染，但高强度场作用与过高的温度要求极易损伤样品活性，难以兼顾通用性与生物兼容性。
相比之下，声学微流控凭借高生物兼容性、操控精度和低成本的优势，在近年迅速崛起，成为极具潜力的新一代液体操控方案。这些技术不仅能推动液滴，还能实现合并、旋转、切割等操作，已在多个实验中展现出极强的灵活性。然而，目前声微流控仍受限于两个瓶颈：其一，液滴分裂操作依赖特定的操作环境和参数窗口，普适性差；其二，系统适配性不足，往往依赖定制压电器件，难以跨场景使用。
近日，香港大学和香港理工大学联合研究团队在Science Advances上发表了名为“Sound-controlled fluid processor”的研究性文章。香港大学博士生朱恒佳为第一作者，香港理工大学王立秋讲席教授、香港大学尹晓波教授、香港大学李威博士（现上海交通大学副教授）为论文的通讯作者。
该研究开发了一种声控流体处理器（Sound-controlled Fluidic Processor, SFP），可在非接触、无损伤条件下对表面张力17.9-72.0 mN·m⁻¹、体积1 nl-3000 μl的多种液体进行全流程操控。该装置通过声波换能器与超滑表面的空间耦合构建可调声泳力场，产生推/拉力以实现液滴的定向移动、融合、分裂及混合。SFP的操控能力支持在金属、玻璃、聚合物等材质的平面、曲面及复杂基底上完成比色反应、沉淀反应及生物检测。在基础生物学应用中，该技术成功实现了小鼠原代肝脏类器官的培养，并完成维拉帕米、胆道闭锁素等药物的类器官测试。此类微流控策略在芯片实验室系统、液滴制造、微型化检测等领域展现出广泛适用性。
SFP平台（图1）由超声波源和超滑表面组成。注油型超滑表面具有自修复和压力稳定的全疏性，从而增强抗磨损能力。该设计适用于与表面油层不混溶的液体，并兼容金属、玻璃、聚合物等多种复杂几何基底。与传统势阱微流控技术仅能移动或合并微升级液滴的功能局限不同，声场刺激与超滑表面的协同作用产生声泳力场，使SFP在突破体积限制的同时兼具稳定性和可控性，可执行包括分离、旋涡生成在内的丰富微流控功能（除移动和合并外）。气-液界面通过散射和吸收超声波产生声泳力驱动液滴运动，对携带物质损伤极小。除在向下倾斜表面实现液滴水平操控外，SFP还可在垂直放置的超滑表面实现液滴双向（上/下行）运输，并完成低表面张力油滴的随机精密图案化。相较于天然表面或工程化表面的其他操控策略，SFP展现出23 cm·s⁻¹的高传输速度及跨越六个数量级（纳升至毫升）的宽体积工作范围，显著提升了液体操作的鲁棒性和多功能性。
实验中（图2-3），当液滴处于声源中心前方时，受推力作用向前运动；当声源经过液滴后方时，则产生拉力。更有趣的是，当声源从液滴上方穿过时，会出现液滴被切成两半的现象。进一步的模拟分析表明，不同位置对应不同的声压与力分布，其中声源中心附近的强辐射力起到了“手术刀”的作用，可对液滴形态实现有效调控。得益于该声场的多功能性，SFP 不仅能将两个微小液滴融合，还能将单个液滴精准分裂为多个子滴。这种分裂操作克服了以往需要复杂超声换能器架构的限制，只需调整声源与液滴的相对位置即可。拉力和推力的灵活切换，也使平台能够实现液滴间的编程式导航、融合与分配。
SFP产生的声流效应可以增强液滴内部的混合性能（图4）。在 200 微升水滴与 5 微升染色水滴融合的实验中，声流加快了内容物混合速度，形成明显的流线结构，可视化分析验证了其混合效果优于自然扩散过程。该研究进一步用比色反应实验直观展示了这种混合优势。更值得关注的是，由于超滑表面可防止液体污染和残留，SFP能持续支持各类滴定、沉淀反应。
SFP 的高精度、抗污染与可扩展性，为其在生物医学场景中打开了更多可能（图5）。利用SFP进行牛血清白蛋白浓度的比色检测，验证了系统的灵敏度。SFP 可以培养肝脏类器官，并通过罗丹明123荧光染料评估其药物转运功能以及药物模拟胆道损伤场景，支持了 SFP 在药物筛选中的应用前景。
综上，SFP 平台集成了非接触、无损耗、精准操控与可编程设计，突破了传统声微流控的多个限制。无论在液滴操作、混合反应，还是细胞培养与药物筛选中，SFP 都提供了稳健且高效的解决方案。未来，该技术有望整合至芯片实验室系统，实现真正意义上的闭环液体操作，为生物医学研究带来全新范式。
全文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv6314
来源：高分子科学前沿
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