多光镊细胞间接搬运微尺度力学机理及闭环控制方法研究

Transportation of biological cells is usually the foundation of the single-cell research. The way of indirect transportation of cells with multiple opitcal tweezers can effectively ensure its biosafety, which has attracted considerable attentions in recent years. However, due to the lack of the microscale mechanical mechanisms and closed-loop control methods, the transportation precision, speed and reliability still can not meet the practical requirements. This program will be focused around the research on microscale mechanical mechanisms and closed-loop control methods of indirect transportation of biological cells with multiple optical tweezers, integrating technologies in robotics, optical tweezers and design & preparation of micro/nanostructure. Firstly, a methodology framework of “multiple optical tweezers-microtool-biological cells” for indirect cell transportation will be developed, in which cells can be transported through manipulation of a novel designed microtool with a robot-aided optical tweezers manipulation system. Secondly, the microscale mechanical mechanisms among multiple optical tweezers, microtool, cells and liquid environment will be analyzed, and then, the dynamic and kinematic models of the microtool and cells in optical tweezers will be investigated. Finally, a new closed-loop control approach will be proposed with the real-time feedback of microtool postures and cell positions by a micro-vision system, and experiments will be carried out to demonstrate the effectiveness of our research. Not only good biosafety, but also the good motion performance, such as precision, speed and reliability, will be achieved simultaneously. This research will lay a new theory and technology foundation for transportation of cells.

细胞搬运为单细胞研究中的核心技术。多光镊细胞间接搬运方式可有效保证其生物安全性，近年来引发了人们关注。但由于缺少相应微尺度力学机理和闭环控制方法的研究，目前在搬运精度、速度和可靠性等方面难以满足实际需要。本项目结合机器人、多光镊和微纳结构设计与制备等技术，开展多光镊细胞间接搬运微尺度力学机理及闭环控制方法研究：通过研制新型微工具，构建“多光镊-微工具-细胞”多光镊细胞间接搬运体系；从微尺度效应下多光镊、微工具、细胞在液体环境中相互作用的力学机理出发，结合微工具和细胞的运动规律，建立相应动力学和运动学模型；基于显微视觉提供的微工具位姿和细胞位置的实时反馈，发展通过多光镊对微工具位姿的精准操控实现细胞间接搬运的有效闭环控制方法；选取具有不同形态学和生物学特征的活体细胞开展实验研究，实现细胞搬运在保证生物安全性的前提下，可取得良好的精度、效率和可靠性。本课题将为细胞搬运研究提供新的理论和方法。

细胞搬运为单细胞研究中的核心技术之一，在细胞工程、基因工程等生命科学领域具有广泛应用价值。利用会聚激光产生三维势阱的光镊技术是实现细胞操作的有效手段，但是，光镊直接操作细胞时容易造成细胞损伤，存在安全性问题；而通过小球等进行间接操作的方法主要依靠手工进行，在搬运精度和效率等方面一直困扰着人们。本项目从多个光镊、微工具、细胞、培养液之间的相互耦合力学机理出发，通过构建“多光镊-微工具-细胞”间接搬运体系下的动力学模型、运动学模型，基于显微视觉图像处理提供的微工具位姿和细胞位姿的实时反馈，提出了多光镊细胞间接搬运的闭环控制策略，实现细胞自动化搬运，在确保搬运安全性的同时取得良好的搬运精度、速度等运动性能。为使本项目研究具有更广的适用性，本项目对类球状细胞和非球状细胞均开展了实验研究。在酵母菌、蓝藻等各类细胞上的实验结果表明：球状细胞方面，在2.5µm/S的搬运速度下，绝对误差可有效控制在2.5µm以内；非球状细胞方面，实现了2µm/S的平稳搬运和0.075rad/S的可靠旋转操作；同时，本项目方法可确保细胞搬运过程中的良好安全性。本项目的研究为细胞搬运提供了新的理论基础和直接工具，为生命科学相关领域的研究提供了细胞操作手段。