微流控技術已經(jīng)成為化學、納米科學和生物醫(yī)學領域的一個重要工具之一。相較于傳統(tǒng)的實驗室技術，微流控設備因其結構緊湊、制造成本低、響應速度快以及能夠精確控制微環(huán)境等優(yōu)勢而受到青睞。為了在微流控系統(tǒng)中實現(xiàn)微米級別的精準操作，研究者們開發(fā)了多種技術手段，如微夾具、電潤濕技術，以及磁光力和聲學力等。在這些技術中，聲學操控因其無需接觸、良好的生物相容性以及對細胞尺度操控的能力而被廣泛應用于微流控設備中。

在聲學微流控設備中，聲場通常形成壓力場模式，包括節(jié)線/反節(jié)線位置，并用于翻譯和圖案化液滴、顆粒和細胞。這些聲場可以生成線條、網(wǎng)格和與通道界面相符的衍射模式。然而，產(chǎn)生這些模式的聲學方法在生成更復雜的聲場或可重構性方面能力有限。雖然可以通過使用微流通道中的微結構通過聲學-結構相互作用來捕獲微顆粒來生成更復雜的模式，但這些方法需要在該通道內(nèi)制造和引入額外的結構，并且只能用來創(chuàng)建固定的聲場模式。然而，機器人輔助的聲學流量控制已被證明具有多功能性，它能夠在泵送、微顆粒捕獲、液體混合和液滴合并等方面發(fā)揮作用。這種方法通過在多軸定向系統(tǒng)中生成可修改空間的毛細管末端微流來實現(xiàn)，盡管它最初是在微流控設備之外的環(huán)境中被開發(fā)的，但已經(jīng)明確的是，在微流控平臺上開發(fā)高分辨率、復雜且可配置的模式對于生物醫(yī)學應用具有至關重要的意義。

基于此，來自墨爾本大學的David J. Collins課題組研發(fā)了一個可拆卸的微流控設備，該設備采用微型聲學全息圖來創(chuàng)建微流控通道中可重構、靈活和高分辨率的聲學場，其中引入的固態(tài)耦合層使這些全息圖易于制造和集成。該研究還展示了如何使用該方法在微流體通道內(nèi)生成靈活的聲場，包括形狀、特征以及任意旋轉的圖案。該研究工作以“Micro-Acoustic Holograms for Detachable Microfluidic Devices"為題，發(fā)表在國際著名期刊《Small》上。

該研究展示了迄今為止最小的相位調(diào)節(jié)聲學全息圖，并利用它在非封閉微通道中產(chǎn)生了設計的聲學場。為了實現(xiàn)這一目標，研究團隊通過微全息圖調(diào)制的聲波穿過聚二甲基硅氧烷（PDMS）耦合層，進入微流控通道，從而形成了高分辨率的聲學模式。其中微型全息圖是由摩方精密高精度3D打印系統(tǒng)制備的。團隊選擇使用固態(tài)PDMS耦合層而非液態(tài)，是因為其易于集成的特性，可顯著簡化系統(tǒng)處理，并使得微全息圖的耦合、分離和旋轉變得簡便，進而在流體通道中實現(xiàn)了可重構聲學模式的生成。

通常，創(chuàng)建復雜聲學模式會涉及到使用二進制聲學全息圖，因為它們的簡單性使其易于通過傳統(tǒng)的光刻工藝進行制造。但是，這種二進制聲學全息圖在信息容量上存在限制，這是由于它們基于聲學振幅的二值化特性。由于在其他應用中常用的打印分辨率大約在0.1–1 mm，這限制了全息圖的分辨率以及可應用的聲學頻率范圍。為了克服這一限制，研究團隊決定采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術來制備相位微全息圖，從而提高了全息圖的分辨率并擴展了可應用的聲學頻率范圍。

可拆卸微流控聲學全息術是將可拆卸微流控通道和聲學全息圖相結合的技術，其中由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的微流控通道通過PDMS耦合層與3D打印的全息圖耦合（圖1a）。入射聲波從換能器沿+z方向傳播進入全息圖，并發(fā)生調(diào)制。傳播穿過PDMS層后，目標聲場在微流控通道中生成（圖1b），其中生成的聲場通過彩色PDMS微顆粒可視化（圖1c，顯示Collins生物微系統(tǒng)實驗室的標志）。制造的全息微流控設備具有5 mm×5 mm的微流控領域（全息孔徑），整體尺寸為13.5 mm×9.5 mm×2 mm，比1元澳幣還要?。▓D1d）。

圖1. 可拆卸微流體裝置的聲全息示意圖。a) 可拆卸的微流體通道通過 PDMS 耦合層與聲全息圖耦合。b) 入射聲波由全息圖調(diào)制，然后穿過耦合層并在微流體通道中產(chǎn)生目標聲學圖案，這些圖案由微粒可視化。c) Collins Biomicrosystems Lab 徽標的實驗結果，其中插圖顯示輸入圖像。d) 制造可拆卸的全息微流體裝置。比例尺為 1 毫米。

微流控通道設計為可輕松拆卸和重復使用，并可放置在與全息圖成一定角度的位置。因此，可以在微流控通道中切換不同的聲場模式，或者通過適當定位和旋轉通道中的模式來實現(xiàn)聲場的多樣化。

圖2. 拆卸全息微流控裝置的原理。a）由全息圖調(diào)制的入射聲波穿過PDMS耦合層并在微流體通道中產(chǎn)生聲學圖案，其中微粒通過聲學力形成圖案。b）沒有PDMS耦合層的3D打印微全息圖，全息圖的孔徑為5×5 mm。比例尺為 1 mm。c) 微全息圖的氦離子顯微鏡圖像。比例尺為 100 µm。

圖3. 可分離的全息微流控設備的設計與實物。a) 實驗室徽標的二值圖像作為目標圖像輸入，并計算為b) 相位圖。c) 包括相位信息的全息模型被3D打印并填充PDMS。d) PDMS固化后，e) 將微流控通道放置其上。f) 將微顆粒注入微流控通道，其中入射聲波由全息圖調(diào)制并穿過PDMS耦合層以圖案化微顆粒。g) 實驗圖像顯示，獲得的微顆粒圖案與h) 模擬結果相對應。

圖4. 微流控設備中的全息圖案生成，a) 字母“UoM"（代表墨爾本大學）。b–d) 旋轉聲學條紋，其中微流控通道和全息圖可以傾斜以使用相同的全息圖產(chǎn)生不同配置的聲學場，刻度尺為1毫米。

圖5. 耦合層厚度（HPDMS）和流體域厚度（Hfluid）對圖像質量的影響。a)Hfluid= 130 μm時HPDMS與PSNR的關系，其中PSNR表示圖像質量。b) 改變Hfluid的結果，其中HPDMS= 2000 μm。

圖6. 在水凝膠中模式化不同類型的顆粒。a) 含有藍色顆粒的水凝膠（制備方法見實驗部分）被注入微流控通道中，b) 使用全息聲學場進行模式化。c) 通過UV曝光局部固化水凝膠。d) 含有綠色顆粒的水凝膠被注入未固化的區(qū)域。然后綠色顆粒被e)模式化和f)暴露。g) 含有不同類型顆粒的固化水凝膠。h–j) 分別對應于(c,d,g)的實驗結果。實驗使用藍色和綠色PDMS顆粒進行，其中綠色顆粒被數(shù)字重新著色為紅色以提高可視化效果。

聲學全息術擁有生成定制聲場的能力，先前的實驗已經(jīng)展示了其對粒子和組織細胞進行精確操控的能力，以用于制造工程化的組織和材料。然而，傳統(tǒng)的聲學全息術實現(xiàn)大多在開放的空氣室或容器中進行，所生成的聲學目標場尺寸通常僅能達到厘米級別。

本研究展示了基于微通道的致動生成聲學全息圖，從而發(fā)揮了封閉通道在液體處理和控制方面的優(yōu)勢。由于在之前的設置中采用了浸沒式換能器，導致在不同聲學全息圖之間切換過程變得復雜。為了簡化這一過程，研究團隊開發(fā)了一種使用微聲學全息圖的可拆卸全息微流體設備。換能器耦合的聲波通過3D打印的全息圖進行調(diào)制，從而在微流體通道中生成高分辨率的聲學模式。這些通道可以與微全息圖進行耦合、拆卸和旋轉，以實現(xiàn)可重構聲學模式的生成。與使用液體耦合的聲學全息圖相比，采用固態(tài)PDMS耦合層代替的聲學全息圖，可使得與微流體通道的集成更為便捷。研究團隊在微通道中展示了這一方法，能夠生成線條、形狀和字符，從而證明了在微流體設備尺寸范圍內(nèi)生成聲學全息圖的可能性。