Gần đây, Giáo sư Zhang Shuailong từ Viện MEMS và Hệ thống vi mô thông minh của fun88 đăng nhập, cùng với nhiều tổ chức nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước, đã xuất bản một bài nghiên cứu có tựa đề "Nhíp quang học bay lên điện môi cho thao tác sinh học quy mô trung bình mạnh mẽ" trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS) fun88 đăng nhập là đơn vị hoàn thiện đầu tiên, Giáo sư Zhang Shuailong của Trường Mạch tích hợp và Điện tử là tác giả tương ứng của bài báo và Liu Haobing, nghiên cứu sinh tiến sĩ khóa 2023, là tác giả đầu tiên của bài báo Công việc này được hướng dẫn bởi Giáo sư Xie Huikai và Giáo sư Li Jiafang

fun88 đăng nhập này đề xuất nhíp quang học nâng lên bằng điện môi (DL-OT), sử dụng điện trường xoay chiều để tạo ra lực điện môi âm để tách mục tiêu khỏi chất nền rắn và nâng nó lên một cách ổn định, sau đó sử dụng nhíp quang học để đạt được khả năng điều khiển ngang có độ chính xác cao Phương pháp này giúp giảm bớt một cách hiệu quả các vấn đề về độ bám dính của chất nền, ma sát tĩnh, lực cản của chất lỏng gần thành và tổn thương quang nhiệt mà nhíp quang học truyền thống gặp phải khi thao tác với các mẫu sinh học kích thước lớn Nó mở rộng quy mô thao tác điển hình của nhíp quang học từ 1-10 micron lên 100-260 micron, cung cấp một lộ trình kỹ thuật mới cho việc lắp ráp hình cầu đa tế bào, thao tác dạng cơ quan và sản xuất sinh học ở quy mô trung bình

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của nhíp quang học lơ lửng điện môi và ứng dụng của nó trong thao tác sinh học ở quy mô trung bình

Nhíp quang học sử dụng tia laser tập trung để tạo ra lực gradient quang học, lực này có thể thu giữ và thao tác với các hạt, tế bào và đại phân tử sinh học nhỏ xíu theo cách không tiếp xúc Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực vật lý sinh học đơn phân tử, phân tích tế bào đơn và lắp ráp micro-nano Tuy nhiên, khi kích thước của vật thể thao tác tăng lên hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm micron, lực bám dính, lực ma sát tĩnh và lực cản chất lỏng gần thành giữa nó và chất nền được tăng cường đáng kể, thường vượt xa lực truyền động do nhíp quang học cung cấp Mặc dù chỉ cần tăng công suất laser có thể tăng cường lực quang, nhưng nó có thể dễ dàng gây ra sự tăng nhiệt độ cục bộ và nhiễm độc quang, do đó gây bất hoạt tế bào và tổn thương cấu trúc mô

Để giải quyết vấn đề này, nhóm fun88 đăng nhập đã đề xuất cơ chế phối hợp quang điện "điều khiển treo dọc-ngang" Điện trường xoay chiều tạo thành một điện trường không đồng nhất trong buồng vi lỏng và chủ động nhấc các hạt hoặc mẫu sinh học ra khỏi chất nền thông qua lực điện di âm, loại bỏ vật lý tiếp xúc rắn-rắn Sau đó, nhíp quang học chỉ cần cung cấp một lực ngang nhỏ để đẩy mục tiêu di chuyển trong mặt phẳng bay có lực cản thấp

Phương pháp này thực hiện việc tách rời chức năng của trường điện môi và trường ánh sáng: trường điện môi chịu trách nhiệm treo và giảm lực cản theo hướng thẳng đứng, còn trường ánh sáng chịu trách nhiệm định vị và vận chuyển chính xác theo hướng ngang, từ đó chuyển đổi điều khiển tiếp xúc bề mặt giới hạn truyền thống thành điều khiển treo không tiếp xúc

Để mô tả chính xác hành vi lơ lửng của các hạt trong điện trường xoay chiều, nhóm fun88 đăng nhập đã thiết lập mô hình lực điện di dựa trên tenxơ ứng suất Maxwell và tính toán sự phân bố điện trường và lực điện môi xung quanh các hạt có kích thước khác nhau thông qua phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều Phân tích lý thuyết cho thấy chiều cao huyền phù ổn định của các hạt được xác định chung bởi lực điện môi, trọng lực và độ nổi và thường giảm khi kích thước hạt tăng lên

Các nhà fun88 đăng nhập đã tiến hành thêm các thí nghiệm trên các vi cầu polystyrene có đường kính khác nhau và chiều cao huyền phù đo được rất phù hợp với kết quả mô phỏng lý thuyết, xác minh tính chính xác của mô hình Đồng thời, nhóm fun88 đăng nhập một cách có hệ thống những ảnh hưởng của điện áp xoay chiều, tần số và độ dẫn điện của chất lỏng đến trạng thái lơ lửng Trên cơ sở đảm bảo hệ thống treo ổn định, nhóm fun88 đăng nhập cũng tính đến khả năng ức chế phản ứng điện phân và kiểm soát nhiệt Joule

Hình 2: Thí nghiệm huyền phù điện môi, kết quả mô phỏng và tối ưu hóa thông số chính của các hạt có kích thước khác nhau

Trong môi trường điện trở thấp cấu tạo bằng huyền phù điện môi, nhóm fun88 đăng nhập đã chế tạo thành công các vi cầu polystyrene đường kính 100 micron, bánh răng siêu nhỏ SU-8 đường kính 200 micron, tế bào HeLa và trứng Artemia sống có kích thước gần 260 micron

Trong số đó, khi nhíp quang học tác động lên cạnh của bánh răng vi mô, mô-men xoắn quang học có thể được tạo ra thông qua các lực không phải tâm, điều khiển bánh răng vi mô hoàn thành chuyển động quay, cho thấy rằng nền tảng không chỉ có thể đạt được sự dịch chuyển của mục tiêu mà còn có khả năng điều chỉnh tư thế và thao tác nhiều bậc tự do của các mẫu phức tạp và không đều Trứng Artemia được xử lý bằng DL-OT có thể nở bình thường và tỷ lệ nở của chúng không khác biệt đáng kể so với nhóm đối chứng không được xử lý, điều này càng khẳng định tính tương thích sinh học của phương pháp này

Để xác minh những ưu điểm của phương pháp bay lên bằng điện môi chủ động so với các phương pháp chống bám dính thụ động truyền thống, nhóm fun88 đăng nhập đã so sánh một cách có hệ thống các phương pháp thao tác khác nhau như chất nền thông thường, lớp phủ Teflon, lớp phủ polyethylene glycol và nhíp quang học bay lên bằng điện môi

Lớp phủ chống bám dính truyền thống có thể làm giảm độ bám dính giữa mẫu và chất nền ở một mức độ nhất định, nhưng mục tiêu vẫn cần tiếp xúc với chất nền và không thể loại bỏ hoàn toàn ma sát tĩnh và lực cản của chất lỏng gần thành Đồng thời, hiệu suất lớp phủ cũng có thể giảm dần do sự hấp phụ protein và ô nhiễm sinh học Ngược lại, DL-OT loại bỏ sự tiếp xúc vật lý giữa chất rắn và chất rắn thông qua hệ thống treo chủ động và cho thấy những ưu điểm rõ ràng về độ ổn định thu giữ lâu dài, chuyển động mượt mà, công suất laser cần thiết, độ biến dạng của mẫu và hoạt động của tế bào

Khi thao tác với các nhân vật nhân vật đa bào có đường kính khoảng 50 micron, lớp phủ chống bám dính truyền thống cần khoảng 150 miliwatt năng lượng laser và các nhân vật nhân vật tế bào phải chịu sự kéo giãn và tổn thương quang nhiệt đáng kể; DL-OT chỉ cần khoảng 15 miliwatt để đạt được chuyển động ổn định và giảm độ biến dạng tương đối của các nhân vật tế bào từ hơn 25% xuống dưới 2% Đối với các mục tiêu nhỏ 5-20 micron, DL-OT có thể tăng tốc độ điều khiển tối đa khoảng 40% trong cùng cường độ laser

Hình 3: So sánh nhíp quang học treo điện môi và lớp phủ chống bám dính truyền thống

Trên cơ sở đó, nhóm fun88 đăng nhập tiếp tục sử dụng DL-OT để lắp ráp khối cầu đa tế bào và thao tác nhẹ nhàng với các cơ quan có nguồn gốc từ bệnh nhân Nhóm fun88 đăng nhập đã sử dụng DL-OT để di chuyển hai quả cầu đa bào HL-60 đến các vị trí được chỉ định để chúng tiếp xúc và hợp nhất Các quả cầu tế bào hợp nhất được nuôi cấy trong chip trong 24 giờ và vẫn duy trì cấu trúc ba chiều hoàn chỉnh và hoạt động tế bào cao; sau khi nuôi cấy thêm, tổ hợp có thể tiếp tục phát triển

Nhóm fun88 đăng nhập cũng đã đạt được sự vận chuyển ổn định các chất hữu cơ khối u có nguồn gốc từ bệnh nhân với đường kính khoảng 140 micron Sau khi được xử lý và nuôi cấy trên chip, các chất hữu cơ vẫn cho thấy hoạt động sinh học tốt, cho thấy công nghệ này có thể mở rộng hơn nữa thao tác quang học từ cấp độ hạt đơn và tế bào đơn lẻ đến các cấu trúc sinh học ở cấp độ mô như nhân vật đa tế bào và chất hữu cơ

Hình 4: Thao tác nhẹ nhàng với trứng Artemia sống và chuyển động định hướng, phản ứng tổng hợp và nuôi cấy trên chip của các nhân vật siêu nhân đa bào

fun88 đăng nhập này sử dụng lực bay điện môi tích cực để loại bỏ sự tiếp xúc giữa mục tiêu và chất nền, sau đó sử dụng trường ánh sáng để hoàn thành việc điều khiển chính xác, hình thành chế độ phối hợp quang điện trong đó "sự bay lên điện môi chịu trách nhiệm giảm lực cản và lực quang học chịu trách nhiệm điều hướng" Phương pháp này đồng thời làm giảm bớt các vấn đề như độ bám dính của chất nền, ma sát tĩnh, khả năng cản chất lỏng gần thành và tổn thương quang nhiệt, đồng thời phát triển thêm nhíp quang học từ các công cụ thao tác vi mô truyền thống thành các nền tảng lắp ráp và thao tác sinh học cỡ trung bình

Trong tương lai, công nghệ này dự kiến sẽ được kết hợp với nhíp quang học ba chiều, nhận dạng hình ảnh thông minh, lập kế hoạch đường đi tự động và công nghệ điều khiển song song để đạt được khả năng kiểm soát tự động và thông lượng cao đối với nhiều tế bào nhân vật chính hoặc cơ quan, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật mới cho kỹ thuật mô, sinh học phát triển, chip nội tạng, xây dựng mô hình bệnh tật và sàng lọc thuốc cá nhân hóa

Chi tiết giấy tờ: H Liu, R Fu, F Nan, Z Guo, M Zhao, Y Zhang, S Guo, H Li, K Chen, B Chu, K Lou, HP Zhang, H Xie, Z Yang, J Li, JM Cooper, & S Zhang, Nhíp quang học bay lên bằng điện môi để thao tác sinh học ở quy mô trung bình mạnh mẽ, Proc Natl Học viện Khoa học Hoa Kỳ 123 (29) e2533103123 (2026)

Link giấy: https://doiorg/101073/pnas2533103123