細胞在運動、遷移、收縮、舒張和拉伸的過程中都會產(chǎn)生細胞牽引力（cell traction force， CTF）。這些力極其微小，但是它們卻有著深刻的生物學(xué)影響，與生化信號一起協(xié)同有序地調(diào)控生命過程，在細胞增殖、分化、凋亡、腫瘤發(fā)生轉(zhuǎn)移、傷口愈合以及胚胎發(fā)育中發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，了解細胞牽引力是如何影響細胞功能，不同狀態(tài)下的細胞會產(chǎn)生多大的細胞牽引力，都對細胞生物學(xué)的研究十分重要。

近日，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所、北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心、中國科學(xué)院大學(xué)和廣西大學(xué)的研究團隊共同研制出可實現(xiàn)心肌細胞的實時動態(tài)力成像的壓電光電子學(xué)納米“天線”陣列（Piezo-phototronic Light Nano-Antenna， PLNA），相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期（2021年5月26日）國際學(xué)術(shù)期刊Science Advances上。鄭強博士、彭銘曾博士和劉卓博士為共同第一作者，李舟研究員，翟俊宜研究員和王中林院士為共同通訊作者。

該研究團隊一直聚焦細胞牽引力的精確測量方法和器件研究。早在2009年，李舟和王中林就提出基于硅納米線陣列測量細胞牽引力的方法，研究了正常細胞、良性和惡性腫瘤細胞的最大細胞牽引力的差異（Nano Letter， 2009， 9， 10:3575-3580）（圖1）。通過利用掃描電子顯微鏡（SEM）獲取硅納米線陣列上由細胞引起的彎曲情況，結(jié)合納米線的物理性能參數(shù)和位移數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，能夠準(zhǔn)確獲得施加在納米線上的細胞牽引力的大小。該工作是無機納米線陣列在細胞牽引力研究中的新嘗試，結(jié)合正常細胞和腫瘤細胞的細胞牽引力分析，對研究疾病的發(fā)生和發(fā)展過程提供了新的研究方法和技術(shù)手段。

圖1 硅納米線陣列量化細胞牽引力

2018年，基于細胞外基質(zhì)（Extracellular matrix， ECM）對細胞牽引力的重要的影響，該研究團隊通過優(yōu)化硅納米線陣列的參數(shù)與性能，探究細胞外基質(zhì)對細胞牽引力的調(diào)控機理，并以MC-3T3成骨細胞為載體，系統(tǒng)研究了在亞微米空間分辨下細胞外基質(zhì)調(diào)控成骨細胞牽引力的動態(tài)時序過程（Nano Energy， 2018， 50： 504-512）（圖2）。該研究為理解細胞牽引力的動態(tài)時序變化過程以及ECM修飾的組織工程支架的構(gòu)建提供了重要理論支撐。

圖2 細胞外基質(zhì)對細胞牽引力的調(diào)控機理探究

在上述兩個研究工作中，硅納米線陣列在量化細胞牽引力及其調(diào)控機理方面取得了較好的進展，但是由于硅材料不透光，只能將細胞固定脫水后觀察，這樣就難以通過光學(xué)顯微鏡實時高分辨的觀察細胞的動態(tài)變化過程。因此，實時、動態(tài)、快速、高分辨的活細胞牽引力測量成為下一步的研究目標(biāo)。那么如何逐步實現(xiàn)這一目標(biāo)呢？從2010年起，李舟和王中林就萌生了直接觀察細胞爬行力的分布圖的想法。

壓電光電子學(xué)效應(yīng)的提出為這項研究的推進提供了新思路和新方法。這一效應(yīng)是由2010年王中林院士提出，其利用在壓電半導(dǎo)體材料中施加應(yīng)變所產(chǎn)生的壓電電勢來控制載流子在金屬-半導(dǎo)體接觸或者PN結(jié)處的產(chǎn)生、傳輸、分離或者復(fù)合，從而調(diào)控光電器件的光學(xué)性能。

2015年，該研究團隊基于壓電光電子學(xué)效應(yīng)，首先構(gòu)建了InGaN/GaN多量子阱的納米線陣列（直徑0.8 μm，高度1.2 μm，間距4 μm，分辨率為6350 dpi）。這種材料的使用首先解決了傳統(tǒng)硅基材料不透光的問題，并且InGaN/GaN多量子阱的納米線陣列在405 nm波長的激光激發(fā)下能夠發(fā)光，發(fā)射波長為460nm。在壓力/應(yīng)變下產(chǎn)生的壓電電荷成功調(diào)制了InGaN/GaN多量子阱的光致發(fā)光（Photoluminescence， PL）強度（圖3）（ACS nano， 2015， 9， 3： 3143-3150）。

圖3 壓電光電子學(xué)理論導(dǎo)圖以及壓力/應(yīng)變誘導(dǎo)產(chǎn)生壓電電荷成功調(diào)制InGaN/GaN多量子阱的光致發(fā)光（Photoluminescence， PL）強度裝置示意圖

從硅納米線到壓電光電子學(xué)InGaN/GaN多量子阱納米線，在材料本身獲得改進的基礎(chǔ)上，面向細胞牽引力的測量，其性能的提升至關(guān)重要。在本研究中，研究團隊根據(jù)細胞牽引力的大小，結(jié)合材料的楊氏模量等數(shù)據(jù)，優(yōu)化并改良工藝參數(shù)，以透光的藍寶石為襯底，進一步減小InGaN/GaN多量子阱的納米線的直徑，提高長徑比，優(yōu)化納米線陣列的單位密度，使之更加適配細胞牽引力的作用。最終制備的InGaN/GaN多量子阱的納米線直徑、高度和陣列間距分別為150 nm，1500 nm和800 nm（圖4），空間分辨率達到31750 dpi，相較之前的器件，分辨率和性能都有大幅提升。

圖4 InGaN/GaN多量子阱的納米線形貌

為了探究該納米線陣列是否可以實時動態(tài)的實現(xiàn)力成像，研究人員使用可自主收縮的心肌細胞為細胞牽引力的研究對象，通過心肌細胞的收縮和舒張運動，將細胞牽引力施加到細胞下部的壓電光電子學(xué)納米“天線”陣列上，其產(chǎn)生的正負壓電電荷調(diào)制量子阱光致發(fā)光強度。通過激光共聚焦顯微鏡（confocal microscopy）對自主收縮的心肌細胞及其下部發(fā)光的納米“天線”陣列進行動態(tài)成像，時間分辨率約333 ms，并建立細胞牽引力與光致發(fā)光強度變化的實時對應(yīng)關(guān)系（圖5），對細胞牽引力的測量范圍可達0.17 μN-10 μN，檢測靈敏度為15 nN/nm，同時具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性（抗光漂白）和重復(fù)性。

圖5 通過InGaN/GaN多量子阱的納米線構(gòu)建細胞力與光致發(fā)光強度變化關(guān)系以及強度時閾變化圖

該研究是首次基于壓電光電子學(xué)效應(yīng)提出一種超高空間分辨率實時測量細胞力分布的方法，是壓電光電子學(xué)效應(yīng)的又一獨特的應(yīng)用，并進一步證明了納米線陣列在亞微米尺度上測量細胞牽引力的優(yōu)異特性。該研究歷時11年：從最初的固定脫水靜態(tài)細胞分析到如今的實時動態(tài)活細胞分析；從硅基不透光材料到透明藍寶石基底InGaN/GaN材料，簡化了觀測方法從掃描電子顯微鏡觀察到激光共聚焦光學(xué)顯微鏡觀察；從細胞周圍納米線的局部量化到細胞胞體覆蓋的全域量化；從納米線位移來測量細胞牽引力到壓電光電子學(xué)InGaN/GaN多量子阱納米線光強變化實時反饋細胞牽引力。該團隊厚積薄發(fā)，“十年磨一劍”，逐步實現(xiàn)了實時、快速、動態(tài)、高分辨的細胞牽引力成像這一目標(biāo)。它不但是生物工程探索中的一個重大進展，也是壓電光電子學(xué)效應(yīng)在醫(yī)學(xué)中的一個嶄新應(yīng)用。與此同時，心肌細胞牽引力的動態(tài)精確測量，為心血管疾病相關(guān)的臨床研究提供新的研究方法和平臺，將深化對心肌細胞的生物力學(xué)特性以及心肌細胞之間、心肌細胞與胞外基質(zhì)相互作用的理解，對疾病檢測、藥物篩選、組織工程和再生醫(yī)學(xué)研究產(chǎn)生重要價值。

該工作得到北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授、李淑宇教授、歐陽涵博士，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所韓榮成副研究員，北京納米能源與系統(tǒng)研究所潘曹峰研究員、胡衛(wèi)國研究員的大力合作與幫助。研究工作得到科技部納米專項、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金，中央高?；A(chǔ)研究基金、國家青年人才項目和中國博士后科學(xué)基金等項目資助。

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