基于原子力显微镜阵列的并行检测方法及其应用研究

Elasticity and stiffness of cells play an important role in tumor cell deformation and migration, subsequently effect tumor metastasis and progression. AFM is a very powerful tool to detect biomechanical properties of tumor cell. However, current single cantilever AFM suffers from its low speed and small area of detecting, as well as its low detecting accuracy under physiological condition. This project is focused on designing an arrays of AFMs that can detect biomechanical properties of cancer cell in parallel. Based on a homogenization technique dedicated to strongly heterogeneous materials or systems, we establish a two-scale model for AFM arrays and conduct model verifications through comparing numerical simulation results with three-dimensional finite element model. In addition, we propose a fast coupling algorithm that determines repulsive force between tips and samples to improve the performance of the speed and the precision. For the purpose of reducing vibration of the system in real-time control, we design a controller with semi-decentralized architecture. To satisfy the requirements of detecting the cell sample, we carry out optimization design for AFM arrays. The research work of this project is a basis for further study of theoritical model, computational algorithm and control system for parallel AFM arrays detecting. It is meaningful for increasing detecting speed, and establishing a statistical database that is helpful to tumor research, and evaluating the therapeutic drugs.

肿瘤细胞的弹性及硬度变化能够直接影响肿瘤细胞的变形、迁移，进而影响肿瘤的转移和进展。原子力显微镜（AFM）是检测细胞生物力学特性的重要工具，但目前的单悬臂AFM存在检测范围小，效率低，在生理状态下检测精度不高的缺点。项目研究设计一种可实现并行检测的AFM阵列，基于强异质材料系统的均匀化技术，建立适用于AFM阵列的双尺度模型，并对模型进行仿真对比验证。根据AFM阵列的结构特点，我们将研究基于激光干涉测量的快速耦合算法，提高重构探针与样本之间的排斥力的速度和精度。此外，为了减小阵列系统的振动，构建一种半分散实时控制架构。同时根据样本的检测要求，对AFM阵列进行优化设计。项目的研究为深入开展AFM阵列并行检测细胞样本的理论模型，算法和控制系统的研究奠定了基础，对提高检测效率，建立具有统计意义的数据辅助肿瘤研究及相关药物的评价具有重要的应用价值。

本项目针对肿瘤细胞及其靶向材料相关的形貌和力学特性检测范围小，效率低，在生理状态下检测精度不高的问题，构建了可用于原子力显微镜（AFM）阵列研究的一维和二维悬臂梁阵列在弹性动力学中的双尺度模型。模型的推导基于薄弹性结构的渐进分析，双尺度逼近方法以及用于强异质介质均匀化的尺度因子。本项目提出了仅在某些方向相连的周期性薄板区域四阶边界问题的双尺度逼近理论。该模型呈现了整个系统的动态特性以及每个悬臂梁的运动特性。基于简化的目的，本项目给出了一个非耦合基座大型悬臂梁阵列在动态系统中的力学行为。由于假设支持基座是弹性的，因此悬臂梁之间的交叉干扰也在考虑范围之中。本项目对该双尺度模型也进行了详细的验证，不仅阐述了每个特征模态如何分解为基座模态与悬臂梁模态的积，而且对于其离散化方法以及和完整的三维有限元模拟的数值验证也进行了研究。另外，项目组还展示了用于微系统阵列特别是AFM阵列设计的新的设计工具。在AFM阵列进行微加工之前，结合优化设计工具箱可以对其进行优化设计。基于上述双尺度模型，本项目阐明了一种通过干涉法测量机械位移的静态状态估计算法。我们还提出了对拥有规则分布的驱动器和传感器一维悬臂梁阵列的一种优化主动控制，即线性二次型调节器（LQR）。基于实现实时控制的目的，我们提出了一种可以通过分布式模拟电子电路实现的半分散逼近。更精确的说，该模拟处理器是由周期性电阻网络（PNR）构成。在本文中，该逼近方法还拓展应用于求解受随机噪声干扰的时不变系统中耦合悬臂梁H∞滤波问题。在生物应用上，对靶向肝癌细胞的生物材料等进行AFM成像测试，为肝癌纳米材料的形貌特征检测提供有效的技术手段。