基于声镊子的细胞力学特性表征的理论和实验研究

Biological cell mechanical property characterization has become an international hot topic in acoustic research in recent years, which can reveal the relationship between the change of the cell mechanical properties and the emergence and development of the diseases; therefore it is a basic research with strong background. People have provided a number of theoretical and experimental methods to get the mechanical response of cells, however, the safe and effective characterization of the mechanical properties of cells remains a major challenge, and there is an urgent need to get the method, which can come up with the safe and effective characterization of cells. In this project, the acoustic tweezer will be used to achieve the safe and effective characterization of the mechanical properties of cells. We will systematically study the characteristics of acoustic radiation force on renal tubular epithelial cells in high frequency focused ultrasonic field; establish the model of acoustic radiation force induced by sound field in viscous fluid. Using the model, the mechanical properties of cells will be theoretical predicted, numerical analyzed and experimental verified. We will research the mechanical characteristics of renal tubular epithelial cells at different sound pressures and different penetration pressures, and compare the viscous elastic behaviors between normal and biological cells, which will pave a new way to quantitative, nondestructive ultrasonic characterization of biological cells. The study will help us to deep understand the nature of the mechanical change of cells in biological tissues and promote the further development of ultrasound diagnosis technology.

近年来生物细胞力学特性表征研究成为国际声学界研究的热点，它能揭示细胞力学特性变化与疾病的产生和发展的关系，因此是一个具有很强应用背景的基础性的研究课题。人们已经提出了一些理论和实验方法来获得生物细胞的力学响应，但对细胞的力学特性进行安全有效的表征仍然是一大挑战，迫切需要一个安全有效的表征方法。本项目拟采用声镊子来实现对细胞的力学特性进行安全有效的表征，我们将系统地研究肾小管上皮细胞在高频聚焦声场中的声辐射力特性，建立粘滞流体中声场中声辐射力模型，利用细胞力学模型对细胞的力学特性进行了理论预测、数值分析和实验验证。我们将研究肾小管上皮细胞在不同声压和渗透压条件下的力学特性，比较正常和病变细胞的粘弹性力学行为，为定量，无损进行生物细胞表征开辟一条新的途径，对这些问题的深入研究将有助于我们更深入地理解细胞的力学特性在生物组织中变化的物理本质，促进超声诊断技术的进一步发展。

利用声辐射力对粒子的无损、非接触性操控作为一种新兴的粒子操控技术，是声学领域的研究热点之一。对声辐射力进行更深入全面地研究，可以使声辐射力操控技术在众多领域的应用得到实现，同时也能更好地实现相应器件和设备的微型化、集成化以及智能化。在此国家自然基金的资助下，该项目进展顺利。我们按预定计划进行了以下研究工作：（1）基于声波散射理论，研究了高斯驻波场中多层球粒子的声辐射力特性。（2）从声场散射入手，研究存在多个弹性粒子的高斯行波场中粒子受到的声辐射力。（3）针对阻抗边界附近粘弹性圆柱形粒子，在任意入射角传播的平面行波场所受的声辐射力和声辐射力矩进行了研究。（4）采用声辐射力方法，对人体泌尿系统的肾和膀胱两类正常与多组癌细胞进行了细胞变形的实验研究。(5) 推导并给出了平面波以任意角入射到有界粘性流体中的自由圆柱形粒子的声辐射力。(6) 对平面波入射时，粘性流体中自由球形粒子的声辐射力进行了推导，设计了相应的实验，以聚苯乙烯球形粒子为例，通过实验对其声辐射力进行了定量的测量，并将其与理论结果进行对比。(7) 基于腹壁组织图像，利用k-Wave对超声波在腹壁组织区域传播时的声场进行数值模拟，获得了其声场分布，进而求得了组织中声辐射力分布情况。（8）从声波的散射理论出发，通过镜像原理和有限级数展开法等工具，研究单阻抗边界和双阻抗边界下柱形粒子和球形粒子的声辐射力特性，讨论了粒子本身特性、粒子与边界距离等因素对声辐射力函数的影响，并且在平面波入射的基础上讨论了以高斯波为代表的其他类型波束对粒子的声辐射力特性。（9）推导了任意阶X波照射下球形粒子上声辐射力的解析表达式，证明了非衍射波组合构造以X波为基波的远场声场的完整性和算法优越性。(10) 研究两束艾利高斯波对圆柱形微粒子的声辐射力特性，详细推导了两束艾利高斯波的入射速度势，根据边界条件求得散射系数以及声辐射力表达式。本项目共发表论文29篇，其中SCI 24篇：包括刊物Scientific Reports, Ultrasonics, Wave Motion, New Journal of Physics, Physics of Fluid 和Physical Review Applied 等刊物上，出版专著1部，获得国家发明专利1项，另外申请6项国家发明专利。