29、利用磁镊进行细胞和细胞内结构的生物物理测量

利用磁镊进行细胞和细胞内结构的生物物理测量

1. 引言

20世纪20年代起，科学家开始利用磁场驱动磁性微珠来测量流体介质的粘度，随后磁场被用于测量细胞和细胞结构的力学特性。为了产生强磁场，人们使用带有尖锐磁极尖端的永久磁铁或电磁铁，这种磁场产生系统被称为磁镊。磁镊具有输出力大、非接触驱动和良好的生物相容性等优点，很快被应用于各种生物样本的生物物理测量。

在人体中，细胞会受到多种机械刺激，如体液（如血液和小脑脊髓液）的流体剪切力、肌肉运动的拉伸和压缩力以及相邻细胞的挤压力。细胞和细胞结构的力学特性是理解细胞如何感知和响应机械刺激的关键。自20世纪30年代以来，研究人员开始量化细胞的力学特性，并研究其与疾病的关系。例如，具有高转移潜力的癌细胞比早期癌细胞更软；细胞骨架力学异常与神经退行性疾病、癌症侵袭和肺纤维化有关；细胞核力学特性的改变与多种肌肉萎缩症和心力衰竭有关。

早期的磁镊使用带有尖锐尖端的永久磁铁对由铁或氧化铁制成的磁性微珠施加力。然而，使用永久磁铁系统产生力具有挑战性，因为磁力取决于许多因素，包括磁铁的位置、材料类型、寿命和形状。为了解决这些问题，人们开发了一种带有尖锐尖端的铁磁芯上的电磁线圈。当向电磁线圈供电时，会产生可控的磁场，并且在磁极的尖锐尖端附近具有高磁场梯度，该梯度用于对附着在感兴趣结构上的磁性微珠产生可控的力。但单极磁镊只能施加单向吸引力，无法控制/导航微珠的位置。

2005年，人们开发了利用多个磁极在多个方向上对磁性微珠施加力的多极磁镊，这使得测量细胞内粘度成为可能。然而，微珠导航是开环控制的，因为磁性微珠的小惯性和快速动态特性给位置控制带来了困难；而且由于缺乏力控制模型的指导，力的施加是通过凭经验向每个线圈施加电流来实现的。2019年，开发了一