Science Advances：科学家开发了一种声流体离心设备用于富集和分离纳米颗粒
杜克大学的工程师已经设计出一种方法，可以旋转单个液滴以浓缩和分离用于生物医学目的的纳米颗粒。该技术比传统的离心方法更有效，可在一分钟内即可完成这个魔幻的操作，而无需花费数小时或数天的时间，并且只需要一小部分样本。该发明有望成为从精确生物测定到癌症诊断的新应用方法。研究结果于12月18日在线发表在《Science Advances》杂志上。
杜克大学机械工程与材料科学系教授Tony Jun Huang说：“这个想法源于最近一个非常令人兴奋的发现，可以使用表面声波旋转液滴。” “我们决定研究是否可以使用这种方法来创建可以快速有效地分离和富集纳米颗粒的即时系统。”
Huang和他的博士生Gu Yuyang进行了研究，他们制造了一种能够旋转单个液滴的装置。在压电表面的中央有一个聚二甲基硅氧烷环，聚二甲基硅氧烷是微流技术中常用的一种硅材料，可限制液滴的边界并将其固定在适当的位置。然后，研究人员在每侧放置了一个称为叉指换能器（IDT）的声波发生器，并将其倾斜，以使具有不同频率的声波穿过压电表面进入液滴。
启用后，IDT会产生表面声波，这些声波会推动液滴的侧面。在低功率设置下，液滴的顶部开始像由Jell-O果冻制成的松饼顶部一样围绕摆动。当功率提高到11时，液滴的表面张力与其离心力之间的平衡导致其呈药丸状并开始在适当位置旋转。
然后，研究人员研究了不同大小的荧光纳米粒子在旋转液滴中的行为。因为液滴在旋转，所以纳米颗粒本身也呈螺旋状拖曳。根据它们的大小和声音的频率，由于声波的进入力和流体动力学的作用，它们也被推向液滴的中心。
研究人员发现，通过使用不同的频率，他们可以特异性地浓缩小至数十纳米的颗粒。这些大小与生物学上重要的分子接近，例如外泌体，这些人体中细胞释放的生物纳米颗粒被认为在细胞间通讯和疾病传播中起着重要作用。
但是他们仍然面临另一个问题。当一种尺寸的纳米粒子涌向液滴的中心时，其他尺寸的纳米粒子仍在随机飞来飞去，使得难以进行进一步浓缩。
他们的解决方案是建立第二个旋转液滴。Gu说：“我们将两个大小不同的液滴彼此相邻放置，以便它们以不同的速度旋转。” “将它们连接一个小通道，任何未富集在第一液滴的纳米颗粒最终都会旋转并进入第二液滴。”
为了进一步展示其双液滴离心系统的实用性，研究人员表明该系统可以成功地从样品中分离出外泌体的亚群。与通常需要大量样品并且可能需要一整夜才能工作的常规离心方法不同，该解决方案仅需要小得多的样品体积（例如5微升），并且不到一分钟。
“这项工作将简化并加快各种应用中的样品处理、检测和试剂反应，例如即时诊断、生物测定和液体活检，” Gu说。
“分离和富集外泌体亚群和其他生物纳米颗粒的能力非常重要。”Huang补充说,“例如，尽管最近发现的外泌体亚群使生物学家和研究人员感到兴奋，因为外泌体具有革新非侵入性诊断领域的潜力，但外泌体亚群尚未用于临床。这主要是由于其体积小、分离外泌体亚群较为困难。我们的方法提供了一种简单、自动化的方法，以快速且生物相容的方式分离外泌体亚群。因此，我们认为分离外泌体亚群的临床应用至关重要。”