中文引用格式： 徐紅梅，張帆，杜曉晗，等. 基于圖形化彈性基底的細胞牽引力測量研究[J]. 電子技術應用，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.
0 引言
早期的細胞力學主要研究外力如何作用于細胞的問題。時至今日，細胞力學已從研究單個細胞力學性質發展到關注細胞與細胞、細胞與基底的相互作用。了解細胞如何產生和感知力，以及這些力如何轉化為生化信號，對于解決關于正常和病理狀態下細胞行為的基本問題至關重要。如何精確地測量細胞對外界施加的力是生物力學研究中的關鍵問題。
目前，細胞牽引力測量的兩大主流方法有微柱陣列法和細胞牽引力顯微鏡法（Cell Traction Force Microscopy，CTFM）。利用微柱陣列的方法來測量細胞牽引力，優勢在于微柱的力學模型簡單，算法簡單。但是當微柱的間距超過懸浮細胞的尺寸時，在微柱上接種細胞時，細胞會落入微柱之間，黏附在基底上，無法進行細胞牽引力的測量。CTFM方法的優勢在于基底連續，制備方法簡單，基底一般是熒光微珠和凝膠混合制備；缺點在于基底位移場和細胞牽引力場高度耦合，計算較為復雜。CTFM方法使用的彈性基底是熒光微珠和凝膠的混合物，熒光微珠分布在凝膠的不同深度，但在解算位移場時對微珠所處的深度沒有加以考慮，導致位移場計算精度受到一定影響。本文通過Comsol軟件仿真在基底表面模擬細胞施加150 nN的外力，得到距離基底表面不同深度的微珠位移量，因微珠分布不均勻導致計算位移場的偏差在0.1μm左右。所以微珠分布在基底的不同深度會影響位移場的計算精度。2016年，Martin Bergert提出使用量子點(QDs)納米滴印方法，在彈性基底表面形成了六邊形規律排布的量子點陣列，避免了位移標志點分布隨機、深度不均勻的問題。但量子點陣列制備工藝復雜，對細胞有一定毒性。
因此，針對細胞牽引力顯微鏡方法中熒光微珠深度不可控的問題，本文提出在彈性基底表面加工微圖形陣列代替熒光微珠作為標志點的方法，開展細胞牽引力測量實驗。本文首先介紹了牽引力場測量的原理；其次，對設計有微凸臺陣列的彈性基底進行有限元仿真，獲得彈性基底在模擬細胞力作用下產生的位移場，通過牽引力反演算法將仿真得到的位移場反演，計算得出力場，通過比較仿真過程中輸入的力場與牽引力反演算法計算得出的力場是否相等，驗證基底設計和算法的有效性；最后，在圖形化彈性基底上接種原代乳鼠心肌細胞，并利用細胞顯微成像和圖像處理技術測量微凸臺陣列的位移場，利用牽引力反演算法計算得到心肌細胞收縮力的大小和分布。
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作者信息：
徐紅梅1，張帆1，杜曉晗1，樊文強1，周贇2，陳修寰2，趙冠棋2，朱疆1
（1.北京信息科技大學 光電測試技術及儀器教育部重點實驗室， 北京 100192；
2.首都醫科大學附屬北京安貞醫院， 北京 100029）
