一種基於視覺感測的新型細胞生物力學測量系統研究

《一種基於視覺感測的新型細胞生物力學測量系統研究》是依託北京航空航天大學，由王玉亮擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：一種基於視覺感測的新型細胞生物力學測量系統研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：王玉亮
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

細胞生物力學性質研究是細胞生物學研究中的熱點內容，對生物學基礎研究以及臨床醫學套用均有重要意義。目前細胞生物力學性質測量技術中存在自動化程度低、細胞生物力學性質表征形式單一等問題。本課題以細胞骨架生物力學性質測量為目標，擬建立一種基於視覺感測的微納力和位移測量技術，實現在較大載荷下細胞力學性質的高精度測量；同時，採用雙微懸臂法，實時測量探針夾持器與樣品表面之間的漂移並對其進行補償，解決測量設備中普遍存在的機械漂移問題。此外，為實現自動測量，開發基於計算機圖像處理的細胞顯微圖像分割技術，實現細胞輪廓的提取和定位。在以上工作基礎上，建立一種新型的細胞生物力學性質自動測量系統並以人體乳腺癌細胞MCF 10A、MCF7、和MDA-MB-231為研究對象，探索融合細胞形態學的細胞生物力學性質的多參數表征方法。

結題摘要

細胞生物力學性質研究是細胞生物學研究中的熱點內容，對生物學基礎研究以及臨床醫學套用均有重要意義。根據目前現有的測量技術以及臨床醫學和藥物研製等方面的發展需要，細胞生物力學測量技術存在的缺點有，自動化程度低，批量數據採集費時費力，長時間和大載荷測量的誤差較大，測量技術本身引入對細胞有害的因素，細胞生物力學性質測量結果的表征形式單一、片面。本課題採用了視覺感測技術進行微納米尺度力和位移測量，並對測量系統的機械漂移進行實時測量和補償，同時採用顯微圖像分割技術對細胞進行輪廓提取及定位。由此建立了細胞生物力學性質自動測量系統，實現高精度、自動化的細胞機械性質測量。其中主要的研究內容有：高精度和低漂移的力和位移測量系統設計研究，基於圖像處理的細胞分割和細胞定位研究，細胞機械性質的多參數表征。本課題組針對上述內容展開了研究，獲得了一系列的研究成果。首先提出了基於視覺感測的顯微鏡下微球三維空間位置測量方案，利用該方法建立了基於CMOS高速相機的視覺測量、控制系統，使測量精度達到了納米級。完成了三維精密定位平台的設計，在100um的行程範圍內可實現10nm的定位精度。將閾值分割法和主動輪廓法相結合，建立了一種新的細胞圖像分割技術，獲得了約97%準確率。綜合以上成果，開展了細胞機械性質耦合研究。以本課題研究成果為依託，共發表SCI文章8篇，期刊包括ACS Nano(影響因子13.334)，Scientific Reports(影響因子5.578)，Applied Physics Letters（影響因子3.142）及Plos One(影響因子3.534)。申請國家發明專利3項。細胞生物機械性質測量是研究細胞生物性質的重要手段，本課題在細胞分割，細胞跟蹤，細胞力學性質測量技術等方面開展了研究，對癌症細胞的研究以及抗癌藥物的研製等均具有重要的意義。