武汉大学杨奕教授课题组 𝑳𝒂𝒃 𝑪𝒉𝒊𝒑.：高对称性表面波调制用于构建多样仿生结构

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研究背景

细胞组织大多都有其特定的结构方式，比如肝脏组织的蜂巢结构，血管的圆环结构等。并且在体外组织工程中，细胞的结构也会引导其组织的分化和功能化实现。声表面波由于其多尺度适用性和易于集成的优势，已经在各种微纳物质的精准操控芯片上中展现了巨大的潜力。如何构建灵活多样的声势阱结构则是更好利用声波用于信息传递或者操控的重要前提，但是传统技术对称性较低，并缺乏波矢和相位的可调自由度，所以无法提供具有更高对称性的特殊结构。基于此杨奕课题组提出了一种：基于波矢和相位调制的表面声波技术用于灵活构建多样仿生结构，提出了具有更高旋转对称性的声波波矢设计，通过波矢配置及相位调制能够构建更灵活的声场结构，比如环形和蜂巢等在组织工程较为重要的结构。

结果与讨论

▲	图 1.基于波矢和相位调制的表面声波全息技术用于灵活构建多样仿生结构。

如图 1 所示，本技术首次制造了一种基于 Z-切铌酸锂基底的高旋转对称的表面波器件，六个叉指换能器按照基底的三个旋转对称轴配置，由于基底在这六个方向有着相同的声学性能，因此可以在一束信号源下产生相干波束。由于相比于传统表面波器件，可以同时对六个波矢及其相位的控制，波矢与相位信息通过多波干涉传递到中心区域产生多样的声场结构。相比传统表面波在垂直或者平行方向的干涉技术只能产生简单的一维或者点阵样式，该技术拥有三个旋转对称轴，从而允许包括血管的圆环结构，昆虫眼睛和肝小叶的蜂巢结构，以及肿瘤的团簇结构。

为了验证该全息表面声波技术构建仿生结构的能力，在图 2 中我们展示了在不同波矢及相位情况下的计算声场与排列细胞图案。在模拟声场中，对微纳物质作用的声辐射力由高势阱区域指向低势阱区域，并在声流作用受到抑制的微腔体中起主导作用。可以看到，当六束相干波束以同相位干涉时，将产生规律的圆环结构（黑色区域）并按六角格子分布，当改变相邻三束波束的相位为（2n+1）π 时，声场转变为渔网结构。而当只有三束对称的相干波束以同相位干涉时，声场将转变为蜂巢结构，而当进一步增加束相位相差为 π 的相干波束，波节形状将变为 X 形状。而两对对向波束干涉并其中一束改变为（2n+1）π 时，将会产生六方格子分布的团簇。实验中使用的是 8 MHz 信号源被加到特定的叉指换能器上，并对人血管内皮细胞（HUVEC）图案化，可以看到细胞在全息声场作用下将会产生与模拟结果很好拟合的分布样式。并且，通过制造不同周期的叉指能极，这些结构的尺寸和周期也会随着波长的改变而改变，其中对于圆环结构其直径为图 3 中的活性表征表明在经过声波处理后的细胞仍然有着很高的活性，而声波器件中在施加信号时温度上升幅度也很小，表明该声表面波全息技术有着很好的生物相容性。

▲	图 2.通过波矢与位相调制构建的多种声场结构，黑色区域表示低声势阱区域，实验中细胞排列样式与模拟结果有着很好的匹配。

这些有趣的结构结构在体外组织和再生工程研究中有着重要应用前景，可能成为功能分化和组织功能重现的重要诱导因素。图四中展示了经过该技术排列的 HUVEC 细胞圆环经过培养后的内皮化以及血管化过程，在荧光图中绿色为使用鬼笔环肽对细胞的肌动蛋白纤维，蓝色为细胞核。实验结果表明当血管内皮细胞被排列成圆环结构之后，随着培养时间增加，细胞之间之间交联，并最终血管化。这种全息表面波技术能够提供足够灵活和多样的声场样式调制，特别是在微米尺度有着很高的操控精度，在仿生结构构建等领域展现了独有的优势。

▲	图 3.（a-d）通过活性指示荧光染料探究对细胞活性影响。当对细胞进行声波组装时，细胞仍保持较高的活性，并且与对照组展现了相似的生长速度。(e-f)声波器件在施加信号时，腔体内的温度变化较为温和，表明了其生物友好特性。

▲	图 4. 使用该技术可以排列出可控大小的圆环结构，并在对 HUVEC 细胞排列后诱导其血管化过程。

论文信息

• Versatile biomimetic array assembly by phase modulation of coherent acoustic waves
  Xuejia Hu, Jiaomeng Zhu, Yunfeng Zuo, Dongyong Yang, Jianjian Zhang, Yanxiang Cheng and Yi Yang*（杨奕，武汉大学）
  Lab Chip, 2020,20, 3515-3523
  http://dx.doi.org/10.1039/D0LC00779J

相关链接
http://dx.doi.org/10.1039/D0LC00779J

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