[发明专利]光子晶体显微镜和细胞力学测量方法

说明书

本公开实施例提供一种光子晶体显微镜和细胞力学测量方法。光子晶体显微镜包括光子晶体基底、载物台、探测光源和成像组件，光子晶体基底在载物台上方，探测光源和成像组件依次位于载物台背离光子晶体基底的一侧，光子晶体基底用于培养待测细胞，并且，在待测细胞在光子晶体基底上生长时，光子晶体基底能够产生形变；其中，探测光源，用于向光子晶体基底发出探测光；光子晶体基底反射探测光至成像组件；成像组件，接收来自光子晶体基底的反射光进行成像，以利用成像图形得到待测细胞与光子晶体基底之间的作用力信息。在保证亚细胞测量精度的前提下实现了通量的大幅度提高，简化了算法的复杂度、提高了时间分辨率、降低装置成本与实验的复杂度。

技术领域

本公开属于晶体显微镜技术领域，具体涉及一种光子晶体显微镜和细胞力学测量方法。

背景技术

细胞产生的力是细胞粘附、信号传递和功能的关键调节器，它们也是发育中形态发生事件的重要驱动力。在过去的数十年中，已经开发了多种方法来测量这些力。虽然广大研究人员对了解这些力在生物学中的贡献有很大的兴趣，但对他们进行广泛的测量仍然具有挑战性。

表征细胞力存在的最简单方法涉及测量细胞、基质或组织的变形，而不试图将这些变形与实际的力联系起来。例如，嵌入在胶原蛋白凝胶中的细胞将压缩凝胶，可模仿在伤口愈合期间发生的收缩。通过在孔板中聚合的凝胶的直径变化来初步判断细胞力的大小。这种方法的优点是，不需要复杂的理论或测量方法对被变形的材料的机械变形进行复杂计算，以转换变形为力。然而，基于变形的方法也有缺点。隐含在分析中的假设是，更多的压实或回缩意味着更多的细胞力，但断裂，塑性和材料的粘弹性可能会使这个假设无效。此外，活体材料的力学性能可以主动改变对扰动的反应，导致组织在恒定的力下发生或多或少的压实。此外，这些变形测定的时间尺度不允许力波动的测量，无法进行重要的快速收缩细胞，如肌细胞的研究。另一种方法被用来测量压实水凝胶中产生的力。第一种方法是使用足够大的凝胶，以连接到外部等力传感器。这些传感器是现成的设备，力会改变其电压或电阻。因此，力，而不是位移，是直接从收缩组织测量。这种系统已被用于测量由细胞产生的力从高度收缩的组织，包括皮肤成纤维细胞，心肌细胞和骨骼肌细胞。虽然这些系统提供了连续和长期的组织收缩力的测量，所需的信号处理，从力传感器的电信号输出转换为实际的力所需的技能超出了大多数标准生物实验室的能力范围。此外，这些方法是有限的吞吐量，因为传感器的工作范围的下限通常是在微到毫微牛顿需要使用大型设备并手动安装到力传感器。

第二种方法是在系统中加入已知刚度的悬臂，这样当组织收缩时，悬臂就会弯曲。悬臂自由端的位移可以用光学显微镜检测并通过位移来理论计算组织收缩力。该系统的一个优点是可以快速测量许多悬臂的变形。该系统也可以比上述电子检测系统具有更紧凑，这意味着它们仅需要更少的细胞和更少的细胞外基质材料且不需要手动安装到单个传感器上。最近，垂直悬臂已经可以从硅弹性体创建的系统，可以测量力低至100-600个细胞的合力。这些系统已经成为越来越重要的工具，用于测量细胞的力，如心肌细胞。虽然使用这些微制造的构造测量力只需要一个具有适当长工作距离的显微镜但系统的制造同样需要生物实验室中的非标技术。悬臂是由软光刻复制成型。然而，创建原始硅母片需要微细加工设施。虽然代工厂会以一定的成本制造硅母片，但需要指定专业的技术设计。测量组织构建产生的净收缩力可以提供有关驱动组织变形的信号的定量信息，特别是ECM的作用。然而，ECM重塑和细胞力是耦合在所产生的集合测量，因此，这取决于用于生成含细胞的ECM凝胶的具体配方。这些因素使得很难比较不同研究之间的测量结果，也很难分离出单个细胞产生的力量。