基于光学傅里叶变换的大视场细胞力测量方法研究

Cell traction force is an essential parameter indicating the physiological functions of cells. The mapping of cellular traction forces plays a crucial role in the study of pathology, drug screen, clinical diagnosis and treatment of related diseases. However, the field-of-view (FOV) of existing measurement methods is limited. To address this limitation, cell force measurement method based on micropillar arrays via optical Fourier Transform is proposed in this proposal, allowing cell force mapping in a ten times larger FOV with the spatial resolution of several micron and the force resolution of tens of nano-newton. The proposed research is comprised of four main tasks. Task 1 is to investigate the optical transfer model of locally deformed micropillar arrays in the 4F spatial filtering system. Task 2 is to build the experimental set-up and optimize the optical system design. In task 3, the calibration and validation method of the cell force measurement system will be studied. Lastly, in Task 4, the finalized opto-mechanical platform will be used to compare the in vitro hepatic stellate cell forces exhibited in a static vs. stimulated status. The goal of this research is to develop a novel method allowing effectively cell force measurement in a larger FOV, which will benefit both basic research and clinical application in the field of cell mechanics. The force mapping result of hepatic stellate cells will provide valuable data for the study of liver diseases such as liver fibrosis and the measurement method based on optical Fourier Transform would also be utilized in high through-put measurement of other periodic micro/nano structures.

细胞力是反映细胞生理功能的重要指标，细胞力的测量研究在相关疾病的病理探索、药物筛选、临床诊断和治疗等方面起着重要的作用。 .针对目前细胞力测量方法观测视场小、测量效率低的问题，本项目利用微柱阵列作为细胞培养的基底，提出基于光学傅里叶变换的细胞力测量方法，可将测量视场扩大数十倍，同时保持微米量级的空间分辨率和纳牛量级的力分辨率。主要研究内容包括： 1、局部变形的微柱阵列在4F空间滤波光学系统中的光学传递模型；2、基于光学傅里叶变换的细胞力测量系统优化设计及实现方法；3、基于光学傅里叶变换的细胞力测量标定方法；4、肝星状细胞静止及激活状态下的细胞力测量及分析。.项目研究将形成大视场下细胞力高效测量的新方法，为细胞力学的基础研究和临床应用提供一种新的研究手段，其中肝星状细胞的研究结果可为肝纤维化等肝脏疾病的研究提供有价值的依据，对其他周期性微结构的变形检测也具有借鉴意义。

细胞牵引力是反映细胞生理功能的重要指标，细胞力的测量研究在相关疾病的病理探索、药物筛选、临床诊断和治疗等方面具有重要作用。.针对目前细胞力测量方法观测视场小、测量效率低的问题，本项目在微柱阵列测量细胞牵引力的基础上，利用微柱阵列周期性结构特点，提出了基于光学傅里叶变换的细胞力测量方法，并进行了实验验证。.主要研究内容包括： 1、推导了微柱阵列在4F空间滤波光学系统中的光学传递函数，建立了局部变形的微柱阵列在傅里叶光学系统中的光学传递模型，开展了了数字图像傅里叶变换仿真，研究了图像幅值分布与输入图像中预设变形量的对应关系，以及采用不同形式的空间滤波器、滤波器窗口大小等参数对幅值分布的影响，为光学傅里叶变换应用于大视场细胞力测量提供了理论依据。2、利用Zemax软件进行了光学系统仿真，搭建了基于光学傅里叶变换的细胞力测量系统的光学平台，研究了微柱阵列中微柱顶面与基底的对比度、相干光源光束质量、傅里叶透镜焦距、空间滤波器孔径等参数对像面振幅分布的影响。3、采用标准的二维点光栅进行了无位移情况下的系统零位标定，采用带有已知局部变形的光学铬掩膜版进行了光学系统像面振幅输出与局部位移关系的研究。4、针对全PDMS微柱顶面与基底对比度不理想的问题，通过利用磁珠定向修饰微柱端面使其不透光的方法，提高了微柱顶面与基底间的对比度。5、在微柱阵列上开展了肝星状细胞静止及激活状态下的细胞力动态原位测量及分析，实验测得静止态时肝星状细胞收缩力最大约为20nN，激活态下收缩力最大增强至110nN。.项目研究形成了大视场下细胞力测量的新方法，为细胞力学的基础研究和临床应用提供一种新的研究手段，其中肝星状细胞的研究结果可为肝纤维化等肝脏疾病的研究提供有价值的依据，对其他周期性微结构的变形检测也具有借鉴意义。