生物制造技术有多牛？科学家们正用光、磁、声三种超能力，把细胞、组织像搭积木一样组装起来！光驱动，就像用光镊子精准抓取细胞，能搭出复杂3D结构，但速度慢了点。磁驱动，靠磁场指挥细胞排列，成本低，不过得用磁性材料。声驱动，用声波的力量，能同时操纵超多细胞，超适合大规模组装。
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一、生物组装技术的重要性与现状
我们都知道，大自然是非常神奇的，生物系统从微观到宏观都有着精妙的多尺度组织。细胞就像一个个精密的小工厂，有着复杂且有序的结构，而细胞周围的分子和大分子会聚集在一起，形成细胞外基质。蛋白质就是一个很好的例子，它的功能依赖于分子层面的一级结构和宏观的重组。所以，构建生物系统的空间复杂性就显得尤为重要，这不仅能模仿体内的真实结构，还能调控细胞的微环境。
生物制造技术就像是生物医学领域的神奇魔法棒，它能实现细胞、生物材料和生物活性物质的自动化时空沉积和控制，在体外建模和再生医学中有着巨大的潜力。
目前生物制造技术主要分为生物打印和生物组装。
生物打印
能直接安排细胞、材料和生长因子的时空位置，比如常见的挤压式3D生物打印，通过压力把生物墨水从墨盒中挤出，打印出想要的形状。还有用机械臂放置细胞球的方法，但这些技术都存在一些问题，比如制造速度慢，而且2D切片会影响复杂设计的精度。
生物组装
则是通过制造含有细胞的构建块来创建人工组织。早期人们利用重力来制造细胞聚集体，像悬挂滴法，就是靠重力形成细胞球，但这种方法在制造大尺寸细胞构建体时效率很低。
后来也有自动化的微操纵技术，像介电捕获，利用非均匀电场来操纵细胞，但同时操纵多个细胞还是比较困难。这些技术的局限性促使科学家们不断探索新的方法，这就是我们接下来要讲的光、磁、声驱动的生物组装技术。
二、光驱动生物组装技术详解
（一）光学力的奥秘
光驱动生物组装技术的核心是光学力，它是怎么产生的呢？其实，光学力源于光和物体之间的动量交换。当光照射到物体上时，如果物体的尺寸比光的波长小或者差不多，我们可以用偶极近似或全波光学方法来理解光的作用；要是物体比光的波长大，就可以用射线光学近似。
我们来想象一下，光子就像一个个小小的能量包，每个光子都带有能量和动量。当一束光照射到物体上，光子与物体相互作用，就会产生力。如果光垂直照射到一个完全反射的表面，光子会被完全反射，根据牛顿第三定律，就会对表面产生一个力。在实际情况中，表面通常是部分反射的，光也不是垂直照射，这时就需要根据菲涅尔系数和斯内尔定律来计算光的反射、折射和产生的力。而且，要让光对物体产生力，物体和周围介质的折射率得有差异才行。对于非球形的粒子，还会受到光学扭矩的作用，使粒子的长轴沿着光的传播方向排列。
（二）光驱动生物组装技术应用
光镊是光驱动生物组装技术的一个重要应用，它在很多生物物理实验中都有大用处。但是早期的光镊有个问题，就是激光的功率会让温度升高，这对生物样本可不好。比如说，用氩离子激光照射细胞，细胞很容易死亡甚至破裂。后来科学家们发现，把激光波长切换到红外线，就能减少水和生物材料对光的吸收，降低热效应。
利用光镊的位置控制能力，科学家们能实现很多有趣的实验。比如，用细胞大小的微滴构建复杂的2D和3D双层液滴界面网络，通过精确控制微滴的位置，让它们相互接触并连接在一起，形成各种复杂的结构。还有用光学镊子操纵单个细胞，把它们聚集在一起形成特定形状的细胞聚集体。
不过，传统光镊一次只能操纵一个粒子，效率有点低。为了解决这个问题，全息光镊就诞生啦！它就像是光镊的升级版，基于计算机生成全息图的原理，能实现多点操纵和对微观物体的方向控制。通过实时改变全息图的配置，就能动态地操纵多个粒子。科学家们用全息光镊把小鼠胚胎干细胞构建成特定的3D结构，还能在共培养体系中对不同类型的细胞进行精确的图案化操作，构建出复杂的细胞微环境。
三、磁驱动生物组装技术探秘
（一）磁力的作用原理
接下来我们看看磁驱动生物组装技术，它的基础是磁力。经典的粒子磁操控是基于磁泳力，对于球形粒子，磁泳力的大小和粒子、介质的磁化率差异，粒子的体积，以及磁场强度的梯度都有关系。根据粒子和介质磁化率的不同情况，会出现正磁泳和负磁泳两种现象。
如果用的是铁磁、顺磁或超顺磁粒子，放在非磁性介质中，粒子就会朝着磁场强度高的地方移动，这就是正磁泳；要是用的是抗磁粒子，放在强磁性介质中，粒子就会朝着磁场强度低的地方移动，这就是负磁泳。除了磁泳力，细长的磁性粒子还会受到磁转矩的作用，让粒子旋转并与磁场线对齐。而且，磁性纳米和微米粒子在均匀磁场中还会相互作用，组装成链状或棒状结构。
（二）磁驱动生物组装技术应用
磁驱动生物组装技术在细胞和组织工程领域有很多应用。比如说，利用磁悬浮技术进行3D细胞培养，把含有磁性纳米粒子的水凝胶和细胞混合，施加外部磁场后，细胞就能在气-液界面悬浮并组装成3D结构，像细胞聚集体和球状体。还有，通过磁性标记细胞，在磁性支架上实现细胞的3D图案化，先把一种细胞用强磁场梯度引导到支架的一侧，再用相反的磁场配置引导另一种细胞，就能实现两种细胞在支架内的清晰分离。
不过，这种方法也有一些局限性，比如材料可能会引发感染，支架的机械稳定性不好，还可能引起免疫反应。为了避免这些问题，科学家们尝试用远程控制不同的“磁化”细胞类型，实现无支架的组织构建。还有研究用磁性微球来制备水凝胶，让水凝胶中的纤维按照磁场方向排列，模仿结缔组织的结构。另外，通过设计特殊的磁性结构，比如微加工的镍网格，能更好地控制负磁流变力，实现对磁性和非磁性物体的同时操控。
四、声驱动生物组装技术解析
（一）声学力的奇妙之处
现在我们来了解一下声驱动生物组装技术，这里面的关键就是声学力。当一个液滴或胶体粒子悬浮在声场中时，会受到声辐射力的作用。声辐射力是声波直接作用在粒子上产生的，它的大小和粒子、流体的密度、可压缩性，以及振动流体的动能和势能都有关系。这个力需要粒子和流体的性质有差异，而且和粒子的大小成正比。
除了声辐射力，多个液滴还会受到二次声辐射力，也叫粒子间力或比耶克内斯力，它能促进液滴的合并。在声学实验中，粒子还会受到声学流体力的作用，这个力和粒子的半径、流体的粘度，以及声学流场和粒子速度的差异有关。另外，法拉第波也是声驱动生物组装技术中的一个重要现象，它通常出现在两种流体的界面上，由流体的垂直振动产生。法拉第波能在“海底”附近产生流体流动，利用这个流动可以引导粒子在特定位置组装。
（二）声驱动生物组装技术应用
声驱动生物组装技术有很多不同的实现方式。表面声波（SAW）是其中一种，它通过压电元件、叉指换能器和频率发生器来产生。叉指换能器把频率发生器的信号转换成表面声波，在流体中形成压力场，就能操纵粒子了。通过改变激发频率，还能控制压力节点和波腹的位置，实现对粒子或细胞在二维空间的自由操纵。科学家们用表面声波成功地捕获了不同形状和大小的粒子，还能把细胞组装成各种图案，甚至能操纵整个生物体。
