| |
 |
图1 通过InGaN/GaN多量子阱的纳米线构建细胞牵引力与光致发光强度变化关系以及强度时域变化
在国家自然科学基金项目（批准号：61875015、51872031、82001982）等资助下，北京纳米能源与系统研究所李舟研究员、翟俊宜研究员、王中林院士团队与合作研究团队共同研制出对心肌细胞实时动态力成像的压电光电子学效应纳米“天线”阵列。研究成果以“压电光电子学效应纳米天线阵列对活细胞牵引力的动态实时成像（Dynamic real-time imaging of living cell traction force by piezo-phototronic light nano-antenna array）”为题，于2021年5月26日发表在《科学•进展》（Science Advances）上，论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/22/eabe7738。
细胞在运动、迁移、收缩、舒张和拉伸的过程中都会产生细胞牵引力（cell traction force, CTF）。这些力极其微小，却与生化信号一起协同有序地调控生命过程，在细胞增殖、分化、凋亡、肿瘤发生转移、伤口愈合以及胚胎发育中发挥关键作用。然而，如何实现高空间/时间分辨率、实时动态的活细胞牵引力测量是细胞生物学研究面临的一个巨大挑战。
针对这一挑战，合作研究团队基于压电光电子学效应提出一种超高空间分辨率实时测量活细胞力分布的方法。他们在透光的蓝宝石衬底上制备出具有压电光电子学效应的InGaN/GaN多量子阱纳米线阵列，其中，纳米线的直径和高度分别为150 nm、1500 nm，阵列间距为800 nm，空间分辨率达到31750 dpi；将待测心肌细胞培养在纳米“天线”阵列上，通过心肌细胞的收缩和舒张运动在量子阱界面处产生压电电荷，从而调制量子阱的光致发光强度，获得细胞牵引力与光致发光强度变化量之间的对应关系，并利用激光共聚焦显微镜（confocal microscopy）对纳米天线阵列光致发光过程进行观测，从而实现了对心肌细胞牵引力的实时动态高空间分辨率成像（图1）。
研究工作为心血管疾病的临床研究提供了新的研究方法和平台，有助于深入理解心肌细胞的生物力学特性以及心肌细胞之间、心肌细胞与胞外基质相互作用，对疾病检测、药物筛选、组织工程和再生医学研究具有重要价值。