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基于原子力显微镜的溶液流动环境下癌细胞力学特性测量研究

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生物化学与生物物理进展 2022年第10期49卷 2041-2053页

作者：魏佳佳李密冯雅琦刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具,基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成... 详细信息

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用,开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具,基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法,为单细胞行为研究带来了大量新认识。然而,现有基于AFM的细胞力学特性研究主要集中在静态溶液环境,而癌细胞在体内转移过程中处于脉管系统的动态液流环境下,因此现有的测量结果无法完全反映溶液流动环境下的癌细胞真实生理行为,特别是目前对于肿瘤转移过程中液流环境与癌细胞之间相互作用的力学机制的认知还十分有限。本文通过将AFM与液流控制技术结合建立了溶液流动环境下的细胞力学特性测量方法。方法基于两侧开口培养皿并结合注射泵/抽取泵液流控制搭建细胞培养基动态液流系统,并将其分别与AFM及光学倒置显微镜进行集成。选取MCF-7(人乳腺癌细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种癌细胞进行实验。利用细胞培养基动态液流系统培养细胞并分析溶液流速以及流动时间对细胞生长及力学特性的影响。在光学显微镜导引下控制AFM对培养基静态/流动环境下生长的细胞进行压痕实验以获取力曲线,并利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。利用荧光染色试剂分析溶液流动环境对细胞活性及细胞骨架蛋白的影响。结果首先分析了溶液流动环境对细胞生长的影响,实验结果表明,与静态培养环境相比,培养基动态液流环境可更好地促进细胞生长。随后分别对静态和流动环境下生长的癌细胞力学特性进行了测量,结果表明当癌细胞生长环境由静态变为动态后细胞的杨氏模量显著减小,且溶液流动环境会导致细胞骨架结构的变化,显示了溶液流动环境对癌细胞力学特性的显著影响。结论将AFM与液流控制技术结合可对溶液流动环境下的单细胞力学特性进行探测,为研究溶液流动环境与癌细胞之间的相互作用提供了新的方法和思路。

关键词：原子力显微镜溶液流动环境癌症转移细胞力学特性杨氏模量

基于AFM的溶液流动环境下癌细胞力学特性测量研究

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生物化学与生物物理进展 2022年

作者：魏佳佳李密冯雅琦刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室中国科学院机器人与智能制造创新研究院中国科学院大学

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用，开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具，基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已... 详细信息

目的细胞力学特性在细胞生理病理活动过程中起着重要的调控作用，开展细胞力学特性研究对于揭示生命活动内在规律具有重要意义。原子力显微镜(AFM)的发明为单细胞力学特性表征提供了新的强大工具，基于AFM压痕分析的细胞力学特性探测已成为生命科学领域的重要研究方法，为单细胞行为研究带来了大量新的认识。然而，现有基于AFM的细胞力学特性研究主要集中在静态溶液环境，而癌细胞在体内转移过程中处于脉管系统的动态液流环境下，因此现有的测量结果无法完全反映溶液流动环境下的癌细胞真实生理行为，特别是目前对于肿瘤转移过程中液流环境与癌细胞之间相互作用的力学机制的认知还十分有限。本文通过将AFM与液流控制技术结合建立了溶液流动环境下的细胞力学特性测量方法。方法基于两侧开口培养皿并结合注射泵/抽取泵液流控制搭建细胞培养基动态液流系统，并将其分别与AFM及光学倒置显微镜进行集成。选取MCF-7(人乳腺癌细胞)和HGC-27(人未分化胃癌细胞)两种癌细胞进行实验。利用细胞培养基动态液流系统培养细胞并分析溶液流速以及流动时间对细胞生长及力学特性的影响。在光学显微镜导引下控制AFM对培养基静态/流动环境下生长的细胞进行压痕实验以获取力曲线，并利用Hertz-Sneddon模型对力曲线进行分析得到细胞杨氏模量。利用荧光染色试剂分析溶液流动环境对细胞活性及细胞骨架蛋白的影响。结果首先分析了溶液流动环境对细胞生长的影响。实验结果表明，与静态培养环境相比，培养基动态液流环境可更好地促进细胞生长。随后分别对静态和流动环境下生长的癌细胞的力学特性进行了测量，结果表明当癌细胞生长环境由静态变为动态后细胞的杨氏模量显著减小，且溶液流动环境会导致细胞骨架结构的变化，显示了溶液流动环境对癌细胞力学特性的显著影响。结论将AFM与液流控制技术结合可对溶液流动环境下的单细胞力学特性进行探测，为研究溶液流动环境与癌细胞之间的相互作用提供了新的方法和思路。

关键词：原子力显微镜溶液流动环境癌症转移细胞力学特性杨氏模量

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微型仿生爬虫机器人类脑环境感知方法

科学通报 2023年第23期68卷 3095-3106页

作者：王运梦李涛徐剑君唐凤珍崔龙刘钊铭刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049 沈阳工业大学信息科学与工程学院沈阳110870

微型仿生机器人是一种仿照生物外形和运动形态制作设计的机器人,凭借其体型小、机动性高、环境适应性强等优点,在复杂环境探索、敌情侦察等特殊场景中具有较高的应用前景,近年来备受研究人员的关注.但是微型机器人运动稳定性弱、单目相... 详细信息

微型仿生机器人是一种仿照生物外形和运动形态制作设计的机器人,凭借其体型小、机动性高、环境适应性强等优点,在复杂环境探索、敌情侦察等特殊场景中具有较高的应用前景,近年来备受研究人员的关注.但是微型机器人运动稳定性弱、单目相机环境感知精度低等问题的存在一直制约着其实际应用.本文仿照昆虫“独角仙”设计了一种新的微型仿生爬虫机器人,开发了基于生物运动调控机制的六足机器人控制系统,改进了基于啮齿类动物空间导航原理的同时定位与建图系统.使用自研的微型仿生爬虫机器人在人造沙盘和真实室内走廊两个场景中进行了实验验证.在人造沙盘场景,由于微型仿生爬虫机器人提供的环境图像质量模糊,ORB-SLAM3算法无法完成回环检测,不能正确识别曾经见过的场景.类脑同步定位与地图构建(simultaneous localization and mapping,SLAM)系统回环准确率高达100%,比原RatSLAM算法提高了4.36%.在真实室内走廊场景,ORB-SLAM3算法和RatSLAM算法建图效果都比较差,而类脑SLAM不仅有着较好的建图结果,而且在准确率100%的同时召回率也高达97.87%.与ORB-SLAM3和RatSLAM算法相比,类脑SLAM系统取得了较好的建图结果.因此,自研的微型仿生爬虫机器人具有灵活的运动能力、鲁棒的导航定位能力,促使微型仿生机器人离实际应用更近了一步.

关键词：微型仿生机器人生物运动调控机制空间导航神经机制类脑SLAM 环境感知

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微纳米机器人的最新研究进展综述

机器人 2022年第6期44卷 732-749页

作者：李梦月杨佳焦念东王越超刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 中国科学院大学北京100049

对2017~2021年微纳米机器人(尺寸介于1 nm~1 mm之间)的最新研究进展进行了综述。首先从物理驱动、化学驱动、生物驱动和混合驱动4个角度对微纳米机器人在微纳米操作、集群控制、靶向治疗等方面的最新研究成果进行总结。然后从制备、定... 详细信息

对2017~2021年微纳米机器人(尺寸介于1 nm~1 mm之间)的最新研究进展进行了综述。首先从物理驱动、化学驱动、生物驱动和混合驱动4个角度对微纳米机器人在微纳米操作、集群控制、靶向治疗等方面的最新研究成果进行总结。然后从制备、定位和成像、功能化、集群等方面分析了微纳米机器人应用中面临的挑战。最后对微纳米机器人的研究进程进行总结,对未来发展趋势进行展望。

关键词：微纳米机器人物理驱动化学驱动生物驱动混合驱动

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生命-机电系统融合的类生命机器人

机器人 2023年第1期45卷 89-109页

作者：杨连超张闯王瑞乾张艺伟谭文君刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院辽宁沈阳110169 中国科学院大学北京100049 沈阳理工大学自动化与电气工程学院辽宁沈阳110159

类生命机器人是一种由生命系统与机电系统在分子、细胞、组织尺度有机融合而成的新型机器人,具有能量转换效率高、续航时间长、小型化等潜在优点,可为突破传统机器人在驱动、感知、智能等方面所面临的瓶颈提供新的思路。本文围绕类生命... 详细信息

类生命机器人是一种由生命系统与机电系统在分子、细胞、组织尺度有机融合而成的新型机器人,具有能量转换效率高、续航时间长、小型化等潜在优点,可为突破传统机器人在驱动、感知、智能等方面所面临的瓶颈提供新的思路。本文围绕类生命机器人的研究现状,首先根据不同的生命材料(如心肌细胞、骨骼肌细胞、神经-肌肉、昆虫肌肉组织、微生物)对现有类生命机器人进行了系统性的归类与介绍。然后,对类生命机器人常用的非生命材料(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、水凝胶)、控制方法(如电控制、光控制、化学控制、磁控制)及其应用场景(如微型机器人、芯片实验室、生物医学)进行了详细的讨论。最后,对类生命机器人研究所面临的潜在挑战与可能的发展方向进行了分析与展望。

关键词：类生命机器人生物混合机器人生物驱动器细胞驱动肌肉驱动

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基于无掩模光刻的生物透镜阵列组装方法

中国科学：技术科学 2023年第4期53卷 536-546页

作者：寮欣于海波葛治星张天尧仲亚刘斌刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110016 中国科学院大学北京100101

在微纳光学领域,透明的介质微球和活体生物细胞都因具备光学成像能力,而受到研究者越来越多的关注.然而,由于其尺寸和生物活性限制,很难将它们直接集成到光学系统上.基于光镊、声镊等多物理场方法虽然可以操作微球和细胞用于成像,但是... 详细信息

在微纳光学领域,透明的介质微球和活体生物细胞都因具备光学成像能力,而受到研究者越来越多的关注.然而,由于其尺寸和生物活性限制,很难将它们直接集成到光学系统上.基于光镊、声镊等多物理场方法虽然可以操作微球和细胞用于成像,但是对成像样本往往有特殊的要求.为此,本文提出了基于无掩模光刻的微球/细胞透镜阵列模块制备方法.利用自然沉降原理,分别将SiO_(2)微球和MCF-7细胞组装在水凝胶微孔阵列模块上形成微透镜阵列.实验和仿真结果表明,嵌入在水凝胶中的SiO_(2)微球阵列仍然保持其超分辨成像能力, MCF-7细胞可实现图像的放大.由于是阵列化成像,因此能够获得比单个微球或细胞更大的观测视野.本文所提出的模块化成像方法,有望应用于生物光子器件及在体光学成像领域.

关键词：生物透镜无掩模光刻细胞透镜光学成像超分辨

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复杂气象条件下的机器人视觉

模式识别与人工智能 2019年第1期32卷 24-35页

作者：田建东刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110016

文中系统地总结了近年来团队提出的雨雪及散射的建模与去除算法,包括基于近场光照散射成像模型的深度估计和散射去除算法、基于远场平行光照散射成像模型和区域优化的远场图像去雾算法及基于低秩分解的雪花去除算法和基于矩阵分解的雨... 详细信息

文中系统地总结了近年来团队提出的雨雪及散射的建模与去除算法,包括基于近场光照散射成像模型的深度估计和散射去除算法、基于远场平行光照散射成像模型和区域优化的远场图像去雾算法及基于低秩分解的雪花去除算法和基于矩阵分解的雨雪去除算法.

关键词：机器人视觉雨雪去除去雾散射去除

基于液相AFM的植物黏液功能界面超微结构及其机械特性研究

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中国科学：技术科学 2021年第5期51卷 543-553页

作者：李密席宁刘连庆中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049 香港大学工业及制造系统工程系香港999077

生物黏液在生命活动过程中起着重要的调控作用,然而由于缺少合适的观测手段,目前对于天然状态下生物黏液功能界面超微结构的认知还很不足.原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)的出现为原位研究生物材料的结构和特性提供了新的强... 详细信息

生物黏液在生命活动过程中起着重要的调控作用,然而由于缺少合适的观测手段,目前对于天然状态下生物黏液功能界面超微结构的认知还很不足.原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)的出现为原位研究生物材料的结构和特性提供了新的强大工具,但现有的研究主要在空气环境下进行观测,研究结果难以完全反映溶液状态下的生物材料结构.本文以食虫植物茅膏菜分泌的黏液为研究对象,利用AFM直接在液相环境下实现了对生物黏液纳米结构的高分辨率成像及分析.分别将茅膏菜黏液平铺至载玻片和云母表面,在溶液环境下的AFM成像结果显示茅膏菜黏液中含有大量纳米颗粒.作为对照,在空气中进行的AFM成像结果显示干燥后的茅膏菜黏液中含有大量纳米纤维结构,表明了茅膏菜黏液在空气环境下与溶液环境下的结构差异.进一步利用AFM多参数成像方法对溶液环境下茅膏菜黏液纳米颗粒和纳米纤维的机械特性进行了可视化表征并揭示了纳米颗粒和纳米纤维机械特性的显著差异.研究结果为生物黏液功能界面超微结构原位成像及机械特性研究提供了新的方法和思路,对于生物材料研究具有广泛的基础意义.

关键词：原子力显微镜生物黏液功能界面纳米颗粒纳米纤维机械特性

基于AFM的化疗药物与质粒DNA间动态相互作用观测（英文）

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Science China Materials 2017年第3期60卷 269-278页

作者：李密刘连庆肖秀斌席宁王越超 State Key Laboratory of Robotics Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Sciences Department of Lymphoma Affiliated Hospital of Military Medical Academy of Sciences Department of Electrical and Computer Engineering Michigan State University

原子力显微镜(atomic forcemicroscopy,AFM)的出现为单根DNA分子形貌成像提供了新的技术手段.DNA是许多化疗药物的作用靶点.尽管研究人员利用AFM对化疗药物与DNA之间的相互作用进行了大量研究,但对于化疗药物与质粒DNA间动态相互作用过... 详细信息

原子力显微镜(atomic forcemicroscopy,AFM)的出现为单根DNA分子形貌成像提供了新的技术手段.DNA是许多化疗药物的作用靶点.尽管研究人员利用AFM对化疗药物与DNA之间的相互作用进行了大量研究,但对于化疗药物与质粒DNA间动态相互作用过程的认知还很缺乏.本文利用AFM研究了纳米尺度下质粒DNA与两种商用化疗药物(甲氨蝶呤,顺铂)之间的相互作用.质粒DNA吸附在硅烷化的云母表面.AFM成像结果清晰地揭示出化疗药物刺激下单根质粒DNA形貌的动态变化.从AFM图像中提取出质粒DNA的几何特征,统计结果表明化疗药物刺激后质粒DNA的几何特征发生了显著变化.本研究为单分子尺度下研究化疗药物与质粒DNA之间的相互作用提供了新的思路.

关键词：质粒DNA AFM图像化疗药物相互作用 AFM成像观测原子力显微镜分子形貌