在快速發(fā)展的微流控領(lǐng)域，顆粒操控技術(shù)正逐漸成為跨學(xué)科應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。利用精確管理微量液體和單芯片多系統(tǒng)集成的能力，其涉及在流體環(huán)境中對微納米尺度的實體進(jìn)行有效控制和引導(dǎo)。精準(zhǔn)操控循環(huán)腫瘤細(xì)胞、細(xì)胞外囊泡、化學(xué)試劑以及各種其他顆粒對于高通量篩選、疾病診斷及細(xì)胞水平的生物學(xué)研究至關(guān)重要。將顆粒操控技術(shù)整合到芯片實驗室系統(tǒng)，可為現(xiàn)場快速診斷、個性化醫(yī)療和便攜式分析系統(tǒng)帶來新的范式。

近日，浙江大學(xué)胡國慶教授團隊聯(lián)合大連理工大學(xué)薛春東副教授團隊在英國皇家化學(xué)會期刊 Lab on a Chip 發(fā)表了題為“Particle manipulation under X-force fields”的Critical Review，系統(tǒng)闡述了X力場下顆粒操控的最新進(jìn)展，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。這篇綜述涵蓋了顆粒操控的廣泛領(lǐng)域，從基礎(chǔ)的單模態(tài)方法到先進(jìn)的多模態(tài)策略，都進(jìn)行了深入的探討。文章首先介紹了六種基本力—流體動力、重力、光學(xué)、磁力、電力和聲力—的作用機制和單獨應(yīng)用。例如，流體動力操控利用流體動力學(xué)特性和通道幾何形狀，無需外部力場即可操控顆粒，其優(yōu)勢在于簡單、高通量和良好的生物相容性，廣泛應(yīng)用于血液分析、微生物檢測等領(lǐng)域。光鑷技術(shù)作為光學(xué)操控的代表，利用高度聚焦的激光束捕獲和操縱微觀顆粒，在單顆粒操控、生物分子相互作用研究等方面具有獨特的優(yōu)勢。

然而，單一力場下的顆粒操控在面對復(fù)雜應(yīng)用場景時往往力不從心。因此，該綜述重點介紹了多模態(tài)操控策略，即結(jié)合兩種或兩種以上力場協(xié)同作用，實現(xiàn)更精準(zhǔn)、高效的顆粒操控。例如，慣性力和彈性力的結(jié)合可以提高顆粒對準(zhǔn)和分離的精度；電場和磁場的耦合可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控和實時調(diào)節(jié)；慣性力與聲波的協(xié)同則可以提高細(xì)胞分選的效率和純度。文章詳細(xì)闡述了不同力場組合的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，為多模態(tài)顆粒操控提供了全面的指導(dǎo)。

除了傳統(tǒng)的六種基本力，該綜述還探討了近年來興起的幾種創(chuàng)新力場，如界面力、熱梯度力、浮力和化學(xué)梯度力等。這些新興力場為顆粒操控提供了更多可能性，例如，界面力可用于控制顆粒在不同相界面處的吸附和運動；化學(xué)梯度力則可用于實現(xiàn)顆粒的選擇性操控。

更進(jìn)一步地，該綜述還關(guān)注了人工智能、自主系統(tǒng)、自供電系統(tǒng)和通道結(jié)構(gòu)重塑等前沿技術(shù)與顆粒操控的結(jié)合。AI 算法，特別是機器學(xué)習(xí)模型，可以分析顆粒行為、預(yù)測運動軌跡并優(yōu)化操控策略，實現(xiàn)更高效、自主的顆粒操控。微納米機器人作為顆粒操控的“微型執(zhí)行器”，能夠在微觀尺度下完成復(fù)雜的操控任務(wù)。自供電系統(tǒng)則解決了顆粒操控裝置的能源供應(yīng)問題，提高了其自主性和可持續(xù)性。3D 微流控和可伸縮微流控技術(shù)則為顆粒操控提供了更靈活、更貼近實際生物環(huán)境的操作空間。

最后，該綜述總結(jié)了當(dāng)前顆粒操控領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。可擴展性、多力場協(xié)調(diào)控制、以及在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可重復(fù)性等問題仍需進(jìn)一步研究。該綜述的發(fā)表，不僅總結(jié)了顆粒操控領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢，也為芯片實驗室技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)和環(huán)境工程等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了有益思路。

論文信息

· Particle manipulation under X-force fields
Chundong Xue^#, Yifan Yin^#, Xiaoyu Xu, Kai Tian, Jinghong Su and Guoqing Hu*（胡國慶，浙江大學(xué)）
Lab Chip, 2025, Advance Article
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/lc/d4lc00794h