マイクロ流体制御技術の核心はマイクロメートルスケールで流体の正確な制御を実現することである。この技術は関連研究に高効率、低消費の技術サポートを提供し、化学合成、生物研究、疾病診断などの分野で重要な応用価値を持っている。技術発展から見ると、マイクロフロー制御システムは主に2種類に分けられる：1種類は「チップ実験室（Lab on a Chip、LoC）」であり、マイクロチップにマイクロチャネルをエッチングすることにより流体制御と多段階実験集積を実現するが、その閉鎖環境はサンプルの可及び性が悪く、製造コストが高く、しかもサンプルのロードとアンロードには専門的な操作技能が必要である、もう1つは開放式マイクロフロー制御装置であり、閉鎖システムの可及性問題を解決したが、安定した連続流ポンプ輸送を実現することが困難であるため、複雑で多段階の実験プロセスを完成する上で限界がある。

長期以来、科学研究分野は1つの核心的な挑戦に直面している：どのように開放的で操作しやすい特性を維持する前提の下で、安定して制御可能な連続流ポンプと多段階集積操作を実現するか。この問題は主流の科学研究シーンにおけるマイクロフロー制御技術の普及応用を制約するものとなり、生物啓発に基づく革新的な設計は、この難題を解決するために画期的な考え方を提供している。

近日中に、北京理工大学の劉暁明教授チームは『PNAS』定期刊行物にオンラインで「「Lab on an end: Micromanipulation using acoustohydrodynamic pillar array as an end effector」という論著があります。この研究は繊毛構造の協同運動の特徴に触発され、「Lab on an End（LoE、末端実験室）」という音響流体微小柱アレイ装置を設計したマイクロ流体の開放環境と時空連続流体の操作との互換性を実現し、マイクロスケール粒子、生物目標及び液体に対するスケール、多機能、柔軟な操作能力を示した。

まず、チーム利用摩擦精密面投影マイクロ立体リソグラフィ（PμSL）3 D印刷技術（nanoArch® P140，精度：10μm）櫛形エンドエフェクタを作成しました。超音波変換器の駆動下では、エンドエフェクタの近くに音場と局所的な音響流体現象が発生する。入力信号の周波数と振幅を変調することにより、音響流体は面内伝達流、面外回転流及び音響放射力に基づく捕獲の3つの効果を呈し、さらにマイクロ目標の捕獲、並進、回転と双方向輸送などの機能を実現し、操作目標は数ミクロンのHeLa細胞からミリスケールのゼブラフィッシュ苗までカバーする。また、櫛形先端の表面を3 Dプリントすると大きな毛細管力が発生するため、疎水性表面での液滴の移動を牽引することもできる。

LoEが個体目標を操作する能力を検証するために、研究者は粒子トレーサを通じて上述の3種類の音響作用効果（図2 A-2 C）を検証し、さらに100μmサイズのポリスチレン（PS）粒子を用いて目標に対する捕獲、並進、回転及び双方向輸送エネルギー力を検証した（図2 D-2 G）。他のエンドエフェクタに比べて、LoEは並列操作能力も備えており、研究者は複数のターゲットを同時に操作することで、分散粒子を「BIT」パターンに配列する能力を示している（図2 H）。

個々の微粒子操作に基づいて、研究者は異なる生物医学、化学研究分野におけるLoEの応用をさらに探索した。

研究者はLoEを利用して「エンドツーエンド」補助生殖体外細胞操作プロセスを完成した。まず、LoEの捕捉機能を利用して散在した卵母細胞を捕捉し、1行に配列した（図3 B）。次に、捕捉された卵母細胞をLoEの面内連続転送流により操作窓に送り、顕微鏡視野を窓内に焦点を合わせる（図3 C）。最後に、LoEの面外連続回転流を用いて操作窓内の卵母細胞の姿勢を調整し、観察と再配向を行った（図3 D）。再配向された卵母細胞は細胞漿内精子注射後も胚に発育することができる（図3 E）、胚の発育過程において、LoEを通じて異なる時期の状態を持続的に観察し、顕微視覚三次元再建技術を用いて胚の発育品質を評価することができる（図3 F-3 G）。上記のマルチステップの複雑な操作はいずれも同じエンドエフェクタで行うことができ、「時空連続流」を利用して複雑なマルチステップ処理を行う能力を体現している。

第二に、研究者はLoEを利用して秀麗な隠れ棒線虫（C. エレガンス)の形態学的特徴づけ研究を行った。エンドエフェクタアレイは、異なるエンドユニット位置で安定した一貫した時間連続流を生成することができ、線虫などの大アスペクト比目標の安定した回転と輸送を確保することができる。研究者はまた線虫の局所共焦点イメージング技術を提案した：LoEを通じて線虫の位置と姿勢を調整し、異なる角度から線虫の異なる部位を高精度イメージングし、それによってクロマトグラフィー蛍光情報が異なる平面蛍光信号の重畳による干渉を避ける（図4）。

第三に、研究者は液体操作におけるLoEの優位性を確認した。他のオープンマイクロ流体プラットフォームと同様に、LoEは疎水性表面または油相媒体中で水滴の安定した捕捉と輸送を実現することができる（図5 A）。他の装置とは異なり、LoEは音響流体の作用下でマイクロスケールの粘性流体の混合と固体粒子状物質の溶解過程を加速することができ、低Reynolds数流体の高濃度界面が拡散しにくい問題を効果的に解決した（図5 B-5 C）。研究者はまた、LoEが化学反応を促進する実験シーンを設計し、特に伝統的なLoCチップでは処理が難しい沈殿物やガス生成を含む化学反応において、LoEは顕著な優位性を示した（図5 D）。事前プログラミング設定により、LoEはマイクロ流体の「直列化処理」能力をシミュレーションし、多段階の複雑な化学反応を実行することもできる。

また、研究者は単細胞および多細胞操作におけるLoEの能力を検証した。生命科学分野の古典的なHeLa細胞系を選択し、まず単細胞の捕獲、輸送、回転などの操作能力を実証した（図6 A）。また、LoEは高スループット操作ツールとしてHeLa細胞の凝集塊（図6 B）を実現することができ、細胞トランスフェクションや薬物送達などの機能（図6 C-6 D）を備えている。

総括：LoEは「開放的で操作しやすい」と「連続流多ステップ処理」の両立を実現した――開放式装置が柔軟で便利で、コストが安く、手が速く、またチップ実験室のように複雑な実験を完成することができる。この装置は専門的な操作技能を必要とせず、一般実験室に適用され、化学合成、生物研究、生殖補助などの分野でのマイクロフロー制御技術の普及を推進し、関連する科学研究に効率的で実用的なツールを提供し、関連分野の研究突破を支援することが期待されている。