動載荷條件下細胞力學性能建模與測試基礎問題研究

《動載荷條件下細胞力學性能建模與測試基礎問題研究》是依託天津大學，由崔良玉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：動載荷條件下細胞力學性能建模與測試基礎問題研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：崔良玉
• 依託單位：天津大學

項目摘要

針對細胞科學技術的發展需求，研究細胞在動載荷作用下的力學建模及測試方法，構建集微納操縱與原子力顯微鏡（AFM）測試於一體的聯合測試系統。基於膜理論與粘彈性理論，建立微操縱過程中細胞的力學平衡方程，通過有限元方法進行動態仿真，研究微操縱力對細胞輪廓變形及力學性能的影響規律；基於微納定位技術搭建微納操縱系統，研究其與AFM系統的軟硬體集成技術，側重研究可集成到AFM系統的微操縱機構設計理論及運動控制策略。研發“微納操縱機構-AFM”聯合測試系統並對細胞動態力學性能進行測試實驗，研究細胞在微夾持過程中的夾持力與AFM探針測試實驗中“力-距離”曲線的耦合關係，並與仿真結果進行對比，進一步最佳化細胞力學建模方法，探索針對各項力學性能指標的數據融合及分析方法。該項目為進一步研究細胞力學性能提供理論基礎及測試方法，同時對微納操縱及測試、測量技術在細胞領域中的套用具有重要推動作用。

結題摘要

原子力顯微鏡（AFM）是用於納米級測量的重要儀器，是研究細胞力學特性的有效工具。然而，由於傳統AFM系統組件的頻寬有限，導致其掃描成像速度較慢，難以滿足目前對於對細胞在動載荷作用下力學特性檢測的需求。尤其是傳統掃描器和控制系統的頻寬通常太低而無法實現高速掃描。本項目提出了一種結構簡單緊湊，小型化和高度集成的高速AFM系統。作為AFM成像系統的重要組成部分，為了實現高頻寬和低耦合誤差的掃描運動，研製了一種基於壓電陶瓷驅動的並聯式xyz掃描器。另外，採用高控制頻寬的現場可程式模擬陣列（FPAA），實現了全程模擬信號的處理與控制，並基於有效的混合控制策略，提高了xyz掃描器的軌跡跟蹤性能。同時，為了快速簡單地操作自主開發的AFM系統，開發了一款操作軟體，集成了所有採集數據的處理和成像。最後，基於自主開發的AFM成像系統，展開了一系列的成像實驗研究。為滿足細胞在動載荷作用下的力學性能檢測提供了技術支撐。