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作者：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】细胞牵引

2、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-ratiopolydimethylsil

3、oxane(PDMS)microcantilever12arraydeviceswhichserveasCTFssensorshavebeenwidelyconcerned.Ratherthanconventionalcontinuoussubstrates,cellattachedandspreadacrossmultiplediscreteverticalmicrocantilevers,andbentthemicrocantilevers.Byprocessingscanningelectronmicroscope(SEM)images，theresolutionoftheC

4、TFscanreachtensnN/mscale.HereareviewofmicrocantileverarraymethodforCTFsmeasurementispresented.Themeasurementprinciple,fabricationprocesses,andcellexperimentsarediscussedindetail.Furthermore,structurecollapsemechanismismentioned.Keywords：Celltractionforce;Biologicalmicroelectromechanicalsystems

5、;Polydimethylsiloxane;Microcantileverarray;Imageprocessing1引言12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，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

6、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

7、。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PDMS12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