面向癌细胞多维信息检测的微纳机器人关键技术研究

To address the emerging problem in early diagnosis of cancer, in this project, we propose a novel micro-nano robotic system to realize the high-throughput, automatic and multidimensional information detection of cancer cell and the effective drug screening, mainly including: to develop a photoelectric microchip to realize the automatic cell screening, arrangement and controllable three-dimensional cell culture; to develop the micro-nano robotic system with multiple units the relevant cooperative control system based on vision and force feedback , and to realize the precise manipulation and positioning at sub-cell level; to characterize the cell’s physiological information, including force, electricity and temperature, accurately and quantitatively by developing functional micro-nano sensors; to elucidate the relation between the physiological characteristics of cells and physical properties (including force, heat, electricity), and then to establish the diagnosis model of cancer cells and provide a novel way for drug screening finally. This study would provide a theoretical verification and experimental platform for early diagnosis of cancer cells and precise medicine development, which is expected to have long-term and positive impact on the medical development in China.

本项目以癌症的前期诊断问题为背景，针对癌细胞的高通量、自动化、多维度信息的定量检测及物筛选的问题，开展面向癌细胞多维信息检测的微纳机器人关键技术研究，具体包括：研究基于光致电场的细胞排列模型和三维培养模型，实现细胞的自动筛选、排列和可控的三维阵列式培养；研究基于多微纳机器人的协同操作平台和在微纳尺度下的反馈控制方法，实现在亚细胞尺度的精确操作与定位；研究从力、电、热三个物理维度表征细胞生理特性的方法，开发功能性的微纳传感终端，建立集操作、激励和测量于一体细胞精密测量与分析平台，实现从多维度精确、定量自动化的癌细胞的物理特性表征；探索细胞的生理特性与物理特性（包括力、热、电）的耦合联系，为建立癌细胞的诊断模型、治疗药物筛选提供有效的试验手段和理论依据。本研究为癌细胞前期诊断与个性治疗提供理论与实验依据，对提升我国的基础医疗水平，推动我国生物医药技术的发展有重要意义。

对单个细胞从多维度进行测量，对从机理上阐述细胞的生理过程有重要的现实意义。然而，要实现从多维度对单个细胞进行测量，对微纳尺度下的柔性操作、精确定位和精确测量都提出了极高的要求。本项目以癌症的前期诊断问题为背景，开展了面向癌细胞多维信息检测的微纳机器人关键技术研究，主要取得了以下成果：（1）搭建了光致电场的微流道平台，可通过光致交流电场实现对细胞的筛选与排列；建立了水凝胶的三维电沉积模型，可通过光致直流电沉积的方法，实现对细胞的三维培养。（2）研制并搭建了含有四个单元的机器人硬件平台；在考虑环境扰动的基础上，开发了基于图像和力反馈的控制系统；开发了人机界面，在微尺度实现了细胞操作、细胞注射、多角度成像等一系列自动操作。（3）研制了可集成于微纳操作机器人系统的传感测量平台。设计、加工并测试了用于温度、压力和电学信号测量的等多种传感器件，并将其集成到微纳机器人操作器上，为细胞的物理参数测量提供了技术手段。（4）结合机器人定位技术和传感器的测量技术，实现对细胞的定点信息测量。研究了细胞在外界刺激下的离子通道响应，为单细胞诊断提供了技术手段。本研究为单细胞的操作与研究提供了高精度、易操作的微纳平台，为癌细胞前期诊断与分析提供了技术支持与实验依据，对提升我国的基础医疗水平，推动我国生物医药技术的发展有潜在意义。