微悬臂梁阵列在细胞牵引力测量中的应用

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1、微悬臂梁阵列在细胞牵引力测量中的应用：周治国，刘志文，范哲意【摘要】精确测量细胞牵引力的大小及分布对细胞生物学、组织工程等研究具有重要意义。近年来，基于生物微机电系统技术制作的高深宽比聚二甲基硅氧烷(PDMS)微悬臂梁阵列作为细胞牵引力测量传感器受到广泛关注。不同于传统基于连续基质的测量方法，细胞在致密、垂直、离散的微悬臂梁阵列顶端贴附并延展、迁移，引起微悬臂梁形变。通过对扫描电子显微镜图像处理，细胞牵引力测量精度可以达到数十nN/m。我们综述了基于微悬臂梁阵列细胞牵引力传感器测量方法，重点论述了实验原理、制作工艺和细胞实验，并讨论了微悬臂梁阵列结构倒塌机理。【关键词】

2、细胞牵引力；生物微机电系统；聚二甲基硅氧烷；微悬臂梁阵列；图像处理Abstract：Celltractionforces(CTFs)precisionmeasurementissignificantformanyresearchfieldssuchascellbiologyandtissueengineeringandsoon.Inrecentyears,enabledbytheadvancementintheBiologicalMicroElectromechanicalSystems(BioMEMS)technology,high-aspect-ratiopolyd

3、imethylsiloxane(PDMS)microcantileverarraydevicesultiplediscreteverticalmicrocantilevers,andbentthemicrocantilevers.Byprocessingscanningelectronmicroscope(SEM)images，theresolutionoftheCTFscanreachtensnN/mscale.HerearevieicrocantileverarraymethodforCTFsmeasurementispresented.Themeasurement

4、principle,fabricationprocesses,andcellexperimentsarediscussedindetail.Furthermore,structurecollapsemechanismismentioned.Keyicroelectromechanicalsystems;Polydimethylsiloxane;Microcantileverarray;Imageprocessing1引言细胞通过焦点粘附传递纳牛顿量级牵引力到底层基材［1］。细胞牵引力在细胞迁移和细胞形态保持中起关键作用，在许多生物学过程中扮演了基础角色，比如新生血管生成

5、，胚胎形成，炎症和伤口愈合等。过去几十年来，许多方法用来在亚细胞层面测量细胞牵引力。根据引起细胞形变所采用的技术可以分为两大类：主动方法和被动方法。主动方法使用外力使细胞产生形变来测量细胞牵引力，其中有原子力显微镜方法［2］和微吸管方法［3］；被动方法采用传感器来被动探测细胞产生的力，包括弹性基材法［4］和微珠栅格图案法［5-6］。原子力显微镜法利用固定在柔性悬臂梁上的探针来探测细胞，可以观测细胞和探针的相对形变，以计算施加于细胞上的力大小和细胞硬度。这种方法的缺点是测量探针容易破坏细胞。微吸管法用微吸管吮吸细胞，由于真空吸力使细胞产生形变。施加的力可以通过形变量计算得

6、出，细胞的机械特性也可以由测量到的数据推算得出。弹性基材法通过人造柔性基材来测量单个细胞的牵引力。当细胞贴附、迁移时，将产生牵引力并会对硅树脂基材拉扯，通过观测基材所造成的皱折形变来测量细胞的力学行为。这种方法存在许多测量技术上的限制，当力作用在相同平面基材的不同方向上时，会使标定物在连续平面上的位移互相抵消产生测量错误。微珠栅格图案法是为了改善可皱折式基材测量的缺点而发展起来的，测量原理主要是在硅树脂基材嵌入微珠作为基材形变的标定物，通过显微镜观测微珠的位移进而测量出细胞牵引力。随着BioMEMS技术的进步，近年来经过表面处理高深宽比PDMS微悬臂梁阵列被开发出来作为

7、传感器，用来探测细胞牵引力及在体外研究细胞的机械性质［7-10］。采用微加工工艺在硅片上制作模具，复脱模法制作PDMS微悬臂梁阵列。细胞贴附在微悬臂梁阵列顶端，在多个微悬臂梁顶端间延展迁移，该过程会造成微悬臂梁阵列发生弯曲形变。采用这种致密、垂直、离散微悬臂梁阵列结构替代传统连续测量介质，在基材面上，每个接触到细胞的微悬臂梁作为独立的力学传感器单元来测量细胞牵引力，通过对微悬臂梁阵列形变的显微图像处理，细胞牵引力可以被直接定性、定量测量，精度可以达到数十nN/μm。　　2测量原理图1是细胞在微悬臂梁阵列顶端贴附、延展及微悬臂梁形变示意图。