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細胞是生命的起源，了解細胞與其周圍三維微環境的相互作用，能為細胞的成長發展和病變等生命過程提供重要線索，醫學應用上有助透視疾病的成因和轉變，對醫療診斷和制定合適的治療方案產生深遠的影響。

在生物工程學領域，多細胞生物體中的大多數細胞都與微環境存在著高度複雜的多維度時空的牽引力，這對了解細胞遷移、細胞粘附、組織形變和力學傳遞等背後的物理機制非常重要，有助解構一些疾病如癌細胞的增長、發育以至擴散等情況。

因此，開發精密可靠的多維度細胞牽引力場顯微鏡一直是領域内面臨的最大挑戰之一。其一是牽引力顯微鏡（traction force microscopy TFM），用以測量生物細胞對基底表面的牽引力。傳統TFM存著技術局限，應用僅限於提供細胞基質上標記物的平移運動資訊。有關其他自由度，例如旋轉運動等細胞在真實環境中運動的資訊，仍屬推測性。

由香港大學（港大）電機電子工程系褚智勤博士和機械工程系林原博士帶領的跨學科研究團隊成功填補了這片技術上的空白。他們提出了一種基於納米金剛石（NDs）中的單個氮空位（NV）色心測量細胞牽引力場的新技術。技術核心是利用線性偏振調製（linear polarization modulation LPM）NV色心螢光的方法來測量細胞基底上金剛石標記物的NV軸向，由此來追踪標記物的旋轉運動。

利用新技術，研究展示了對細胞基底表面上的標記物的高精度旋轉及平移運動測量。實驗結果與理論計算以及之前的生物實驗結果相吻合。

這項研究為測量多維度細胞牽引力場提供了新的視角，有助進一步解構細胞運動方式。研究結果已於學術期刊《納米通訊》發表，論文題為「『納米金剛石中單個缺陷的全光學調製：揭示細胞牽引力場中的旋轉和平移運動』，並獲選為期刊封面作重點研究推介。

具有NV色心的螢光金剛石，由於其超高的光穩定性、良好的生物相容性和易於化學修飾等特性，被業界視爲優秀的螢光標記物，已經廣泛應用於生物領域。利用NV色心獨特的光學特性，新技術的本質在於單個NV色心的光學偏振選擇性激發，基於對單個NV色心螢光強度與線偏振激發鐳射的偏振方向關係的測量結果，實現了金剛石標記物的高精度的朝向測量。

研究聚焦生物力學測量中的技術瓶頸問題，涵蓋了生物學、工程學、化學和物理學等多個跨學科領域。褚博士說: 「目前的實驗提供了一個嶄新且實用的平台，對我們研究真實的三維細胞與 外環境相互作用又推進了一步。研究有助開啟癌細胞力學對癌細胞研究的新篇章，具備極大的臨床應用潛力，尤其是用於癌症早期檢測、診斷和治療等。」

新技術提供了一種多維力測量工具來研究細胞與其微環境之間的複雜力學相互作用，它能直觀展示細胞如何識別其微環境中的物理要素，以及細胞外基質的力學性質如何改變細胞行為和功能。新技術具潛力應用於其他生物工程相關的研究，從機械工程角度，解構免疫細胞激活、組織形成和癌細胞分裂複製和侵略行爲等過程。例如，激發人體對癌細胞產生免疫反應起著主要作用的T細胞受體，已知能產生極度動態的力學變化，這對組織的生長發育起著關鍵作用。當前發展的高精度線性偏振調製（LPM）技術有望能夠説明分析這些多維動態的力學過程並為研究組織生長發育帶來新的思路。

在下一步工作中，研究團隊正在積極研究新的方法去進一步提高光學成像能力並實現大範圍多個納米金剛石同時測量的目標。

文章連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c02232

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