《Sensors and Actuators B: Chemical》：High-throughput single-cell mechanotyping via acoustophoretic mode transition in hyperbolic microchannels
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本文綜述了一種創新的聲流控生物傳感平台，它巧妙地結合了傾斜角駐表面聲波與雙曲線側壁微流道設計。該平台通過建立線性衰減速度場，將細胞機械性能的細微差異轉化爲可區分的聲學遷移模式，實現了非接觸、高通量（每秒15個細胞）、高精度的單細胞壓縮性測量。相較於原子力顯微鏡，其通量提高了三個數量級，爲藥物篩選和力學生物學研究提供了高效的無標記細胞力學表型分析工具。
亮點
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利用雙曲線微流道內線性衰減的速度場，將細胞機械特性（壓縮性）的連續變化離散化爲空間上可分辨的聲泳遷移模式（漂移、半鎖定、鎖定模式）。
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提出一種基於預計算軌跡數據庫的匹配策略，通過歸一化均方根誤差匹配實現單細胞壓縮性的高精度檢索。
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該平台通量達每秒15個細胞，相較於原子力顯微鏡 (AFM) 通量提高了三個數量級，並成功區分了乳腺癌細胞系（MCF-7 與 MDA-MB-231）及量化了秋水仙鹼 (colchicine) 誘導的細胞骨架變化。
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該方法無需誘導大形變或依賴流體阻抗梯度，相較於等聲聚焦和閾值功率檢測等方法，在操作穩定性和單細胞分辨率方面具有優勢。
設備製造與實驗設置
圖1a展示了傾斜角駐表面聲波 (TaSSAW) 微流控生物傳感器的示意圖。設備製造主要包括三個階段：叉指換能器 (IDT) 製造、聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 微流道複製以及鍵合。該生物傳感器製造於128° Y-X 鈮酸鋰 (LiNbO3) 襯底上，整合了一對變跡叉指換能器和一個與叉指方向呈12°夾角的微流道。該傾斜角的選擇基於理論設計目標，以在我們的研究中容納足夠的節點線。
不同通道中的聲泳模式
在橫截面均勻的直通道中，充分發展的流動具有恆定的中心線速度。相比之下，雙曲線通道逐漸擴張，由於質量守恆導致中心線速度線性衰減。我們考慮了兩種單位流速模型：恆定速度剖面 u1(X) 和線性衰減剖面 u2(X)，見圖2a, b。
在恆定速度模型下，顆粒軌跡表現出兩種特徵模式（漂移和鎖定模式，圖2c），而在線性衰減模型下，則觀察到三種模式（漂移、半鎖定和鎖定模式，圖2d）。在漂移模式下，顆粒在節點線之間振蕩，淨橫向位移爲零。在鎖定模式下，顆粒被精確地捕獲在一條節點線上，沿穩定的路徑運動。半鎖定模式是雙曲線通道所特有的：顆粒最初被捕獲（類似鎖定模式），但在通道擴張、流速衰減至低於臨界值時逃逸，隨後在節點線之間漂移。這種從鎖定到漂移的轉變發生在一個特定的、與顆粒機械特性相關的位置，從而將連續的壓縮性差異轉化爲離散的、空間上可分辨的信號。
結論
我們開發了一種用於單細胞力學表型分析的高通量微流控平台，該平台採用具有雙曲線側壁的TaSSAW裝置。通道幾何形狀誘導的線性衰減流動剖面將連續的機械變化轉換爲獨特的、空間上可分辨的聲學遷移模式，其中最顯著的是半鎖定模式，從而實現了無需接觸或大形變的精確壓縮性測量。該方法的核心是基於預計算仿真數據庫的軌跡匹配策略，通過歸一化均方根誤差 (NRMSE) 最小化來檢索單細胞壓縮性。實驗驗證表明，該方法通量超過每秒10個細胞，相較於原子力顯微鏡提高了三個數量級以上，並且成功區分了乳腺癌細胞系和量化了藥物誘導的細胞骨架變化。與等聲聚焦相比，我們的方法無需流體阻抗梯度，增強了操作穩定性。與閾值功率檢測相比，它提供了連續的單細胞讀數，而非羣體平均值。
