纳米机器人多通道应激调控下细胞应答力学特性宽频域实时表征

Cell mechanics is one of frontiers of biomechanics research. Mechanical properties of a cell are closely related to a lot of biological processes, e.g. multiple physiological and pathological processes of the cell can be deduced and evaluated by measuring and analyzing its Young's modulus changes. Meanwhile, cell’s mechanical properties can be changed by external stimulus that are significant to the regulation of its physiological function. However, measurement of cell mechanics is commonly performed by the quasi-static or low-frequency force loading approaches, or the state-of-the-art multi-harmonic resonant probing method. It is still a challenge to characterize cell mechanics over a wideband testing frequency. In this project, a new method called contact oscillating atomic force microscopy is proposed. Studies on fundamental principles, methodologies and key techniques for qualification of the cell’s viscoelastic properties within a frequency band of 1Hz to 1MHz, as well as key techniques for wideband oscillation drive of the probe with low noises and controllable amplitude are addressed. With the proposed method, the cell’s local nanomechanics can be serially qualified by frequency-sweep measurement and global nanomechanics distribution on the cell can be mapped by scanning measurement. Furthermore, a multi-probe (2-4 probes) nanorobotic system, integrated with a microelectrode array, is developed for multi-channel, multi-signals coupled stimulation and regulation of stress responses, as well as real-time characterization of mechanical responses of the breast cancer cell. This project will help biologists to understand the mechanism of external stimulus and cell mechanical responses, and to build viscoelasticity-based evaluation standards for quantitatively describing the apoptosis process of the breast cancer cell.

细胞力学是生物力学研究的一个前沿领域。细胞力学特性与诸多细胞生物学过程密切相关, 如通过测试与分析细胞膜杨氏模量的变化，便可推知或评价细胞的生理病理过程。同时，外界刺激将导致细胞力学特性改变，对细胞生理功能调控起着十分重要的作用。细胞力学测试往往采用准静态、低频加载，或新出现的多模态谐振探针的测试方法。针对目前细胞粘弹性特性宽频域动态测试的难点，提出了接触式振动探针原子力显微镜动态测试方法，研究1Hz～1MHz全频域内细胞粘弹性动态测试的基础理论、方法和关键技术，突破液体环境中探针宽频域、低噪声与振幅可控的激振方法与关键技术，实现细胞纳米力学局部扫频测试及其全局分布图的扫描构建；建立具有2～4个探针的纳米机器人系统，结合微电极阵列，实现乳腺癌细胞多通道、多信息耦合的应激调控及其力学特性的实时表征，揭示外部刺激与细胞力学特性变化的机制，建立基于动态粘弹性力学特性的乳腺癌细胞凋亡评价标准。

细胞力学特性是重现细胞生理病理过程的重要参数之一。该项目针对当时常规低频加载测试法很难实现细胞粘弹性特性动态测试的难题，突破液体环境中探针宽频域、低噪声激振、快速扫描成像难题，实现细胞纳米力学分布图的扫描构建；构建双探针纳米机器人系统，实现细胞多通道、多信息耦合的应激调控及其力学特性的实时表征，揭示外部刺激与细胞力学特性变化规律，量化评价细胞凋亡过程。 . 针对细胞生理环境下探针动态驱动难题，建立了探针-液体-细胞动力学模型，该模型充分考虑受迫振动探针与样品接触振动和压痕的状态下，影响探针动力学特性的因素。提出了探针悬臂梁磁扭直驱的方法，设计开发了磁驱装置与磁探针，实现了液体环境中探针低噪、宽频（1Hz-1MHz）的强迫振动、多阶谐振驱动。. 针对细胞纳米力学快速测量成像，建立了磁驱探针纳米压痕动力学模型，深入研究了压痕过程其动力学行为，提出了基于磁钮驱动的峰值力调制纳米力学扫描成像方法，比目前商用AFM测量的驱动频率、模量范围分别提高2个数量级，实现了细胞纳米力学特性高速、宽频扫描成像。. 建立了双探针纳米操作机器人系统，开发了可完成长时间（48小时）细胞操纵与测试的微环境装置，完成了活细胞长时间操纵和测试。提出了一种基于自主设计磁驱探针的粘弹性动态正交测量法，实现了细胞拉伸/剪切共频驱动，精确测量了细胞的复泊松比，揭示了细胞动态粘弹性特性随频率变化的规律。. 建立癌细胞给药与凋亡监测体外验证系统，开展了在药物刺激下，癌细胞凋亡过程中力学特性长时间（36小时）原位表征实验验证研究，量化揭示了癌细胞凋亡过程中其力学特性变化规律，给癌症治疗、新药开发提供支持。. 另外，提出了基于光纤探针的细胞核杨氏模量原位测量的方法；建立了360度立体多参数扫描成像的方法与系统；提出了纳米力学、表面势能等多参数同步测量与成像方法，同时提出了一种双频激励调制的开环Kelvin探针测量成像新方法，并构建了相应的测量系统。. 在项目的支持下，共发表学术论文28篇，其中在Nature Communications等期刊发表SCI论文24篇；申请发明专利4项，已授权2项；应邀大会报告4次；培养博士生5人(其中1人毕业)；与欧洲多个著名实验室建立了紧密合作关系。完成了课题的研究计划。