面向肿瘤细胞核机械特性分析的原位力学测量与刺激

Cell nucleus is a fundamental component and the control center of the cell. Analysis of the nucleus mechanics has increasing significance on the understanding of mechanism of the tumor development and great potential in method of tumor diagnosis. Due to the limit in the micro/nano manipulation and sensing in micro scale, direct in situ mechanical measurement and stimulus of the cell nucleus is still not available. .We plan to design a biomimetic serial parallel combined microhand with high accuracy, high speed and extensive workspace, and realize dexterous cooperated flexible operation with dual end-effectors based on hybrid force-position control. Force sensing with high accuracy and excellent dynamic and static performance in micro scale has been realized through optimizing the design of the silicon piezoresistive force sensor and considering the influence of the drag force and temperature changes. We will try to find the label of the tumor on cell nucleus, and develop a new method for tumor diagnosis. Besides, after applying the mechanical stimulus to the nucleus directly, we will analyze both the mechanical and the biological response to the stimulus. Then, reveal the relationship between the development of the tumor and force transduction mechanism in cells, and contribute to the research on biological mechanics and tumor development mechanism.

细胞核作为细胞的调控中心以及最主要机械结构组成，研究其机械特性对肿瘤发生发展机制的阐明以及肿瘤诊疗具有巨大的学术价值和应用潜能，但是受限于现有的微纳操作技术以及微尺度下的力感知技术，细胞核原位力学特性的直接测量以及主动力刺激的施加还难以实现。.本研究拟基于仿生学原理设计一种兼顾精度、速度以及工作空间的串并联微纳操作机械手，基于力位混合控制实现双探针协同柔顺灵巧操作。优化硅基压阻力传感器的掺杂区域形状与浓度，考虑测量环境中的气液界面温度变化、液体黏滞阻力等干扰因素，最终实现微尺度下复杂液相环境中的高精度、兼顾动静态特性的力觉感知。分析细胞核原位力学特性测量结果，寻找肿瘤在细胞核层面的力学标记，为肿瘤诊断提供新方法。从力学、生物学两个方面分析细胞核多模态主动力刺激下的应答反应，阐明细胞核力刺激应答机制，揭示肿瘤发生发展与该机制之间的关联性，促进生物力学以及肿瘤发生发展机制研究的发展。

细胞是生命体最基本的结构与功能组成单元。而细胞核作为细胞的调控中心，不仅包含了绝大多数遗传基因，还在细胞机械特性上体现重要作用。以细胞核为研究对象，深入研究其在外部环境多模式刺激下的应激反应，对癌症等重大疾病的预防、诊断、治疗具有重要科学研究意义与应用价值。但是受限于现有的微纳操作技术以及微尺度下的力感知技术，细胞核原位力学特性的直接测量以及主动力刺激的施加还难以实现。. 本研究基于仿生学原理设计并制造了一种高精度、高速度以及大工作空间的灵巧微纳操作机械手，基于力位混合控制实现双探针协同柔顺灵巧操作。优化硅基压阻力传感器，排除细胞核原位测量过程中环境干扰因素，实现微尺度下复杂液相环境中的高精度、自动化的力觉感知。利用阵列化片上磁控微机器人和串联多狭窄通道细胞动态机械特性分析方法，对细胞核原位力学特性展开了测量，寻找肿瘤在细胞核层面的力学标记，为肿瘤诊断提供新方法。从力学、化学、热学等多方面刺激分析细胞核应答反应，阐明细胞核受外部刺激的应答机制，揭示肿瘤发生发展与该机制之间的关联性，促进生物力学以及肿瘤发生发展机制研究的发展。