中文引用格式： 徐红梅，张帆，杜晓晗，等. 基于图形化弹性基底的细胞牵引力测量研究[J]. 电子技术应用，2023，49(3)：30-36.
英文引用格式： Xu Hongmei，Zhang Fan，Du Xiaohan，et al. Cellular traction force measurement based on patterned elastic substrate[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(3)：30-36.
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早期的细胞力学主要研究外力如何作用于细胞的问题。时至今日，细胞力学已从研究单个细胞力学性质发展到关注细胞与细胞、细胞与基底的相互作用。了解细胞如何产生和感知力，以及这些力如何转化为生化信号，对于解决关于正常和病理状态下细胞行为的基本问题至关重要。如何精确地测量细胞对外界施加的力是生物力学研究中的关键问题。
目前，细胞牵引力测量的两大主流方法有微柱阵列法和细胞牵引力显微镜法（Cell Traction Force Microscopy，CTFM）。利用微柱阵列的方法来测量细胞牵引力，优势在于微柱的力学模型简单，算法简单。但是当微柱的间距超过悬浮细胞的尺寸时，在微柱上接种细胞时，细胞会落入微柱之间，黏附在基底上，无法进行细胞牵引力的测量。CTFM方法的优势在于基底连续，制备方法简单，基底一般是荧光微珠和凝胶混合制备；缺点在于基底位移场和细胞牵引力场高度耦合，计算较为复杂。CTFM方法使用的弹性基底是荧光微珠和凝胶的混合物，荧光微珠分布在凝胶的不同深度，但在解算位移场时对微珠所处的深度没有加以考虑，导致位移场计算精度受到一定影响。本文通过Comsol软件仿真在基底表面模拟细胞施加150 nN的外力，得到距离基底表面不同深度的微珠位移量，因微珠分布不均匀导致计算位移场的偏差在0.1μm左右。所以微珠分布在基底的不同深度会影响位移场的计算精度。2016年，Martin Bergert提出使用量子点(QDs)纳米滴印方法，在弹性基底表面形成了六边形规律排布的量子点阵列，避免了位移标志点分布随机、深度不均匀的问题。但量子点阵列制备工艺复杂，对细胞有一定毒性。
因此，针对细胞牵引力显微镜方法中荧光微珠深度不可控的问题，本文提出在弹性基底表面加工微图形阵列代替荧光微珠作为标志点的方法，开展细胞牵引力测量实验。本文首先介绍了牵引力场测量的原理；其次，对设计有微凸台阵列的弹性基底进行有限元仿真，获得弹性基底在模拟细胞力作用下产生的位移场，通过牵引力反演算法将仿真得到的位移场反演，计算得出力场，通过比较仿真过程中输入的力场与牵引力反演算法计算得出的力场是否相等，验证基底设计和算法的有效性；最后，在图形化弹性基底上接种原代乳鼠心肌细胞，并利用细胞显微成像和图像处理技术测量微凸台阵列的位移场，利用牵引力反演算法计算得到心肌细胞收缩力的大小和分布。
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作者信息：
徐红梅1，张帆1，杜晓晗1，樊文强1，周贇2，陈修寰2，赵冠棋2，朱疆1
（1.北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室， 北京 100192；
2.首都医科大学附属北京安贞医院， 北京 100029）
