飛秒激光生物細(xì)胞介質(zhì)的微手術(shù)微操縱技術(shù)研究.pdf

1、飛秒激光具有超快時(shí)間分辨、超高空間局域和超強(qiáng)峰值功率的特點(diǎn)，可以在任何的透明介質(zhì)內(nèi)部誘導(dǎo)介質(zhì)的非線性電離和損傷，從而實(shí)現(xiàn)介質(zhì)內(nèi)部的體制造和亞衍射局域損傷，在飛秒激光光聚合微加工和活細(xì)胞微手術(shù)的研究中具有無比優(yōu)越的特性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，飛秒激光活細(xì)胞三維空間手術(shù)屬于新興的研究課題，也將對未來的生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出杰出的貢獻(xiàn)。因此，本課題主要研究了飛秒激光與生物介質(zhì)（細(xì)胞）的相互作用，提出了兩種精密控制細(xì)胞活性的新方法，建立了集激光技術(shù)、

2、生物技術(shù)、納米技術(shù)于一體的多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——飛秒激光非線性介質(zhì)和活細(xì)胞微手術(shù)微操縱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對納尺度科學(xué)問題研究，對構(gòu)筑、操縱納米器件，特別是單分子或單細(xì)胞科學(xué)研究具有重要意義。
　　 飛秒激光與介質(zhì)的相互作用不可避免的經(jīng)過以下過程：飛秒激光的非線性傳輸、飛秒激光的聚焦、介質(zhì)的非線性電離、介質(zhì)的損傷。因此，本課題將飛秒激光所獨(dú)有的超高峰值功率誘發(fā)的非線性效應(yīng)和超快時(shí)間特性誘發(fā)的臨界現(xiàn)象引入理論研究中，對飛秒激光的傳輸和聚焦、介質(zhì)

3、的電離和損傷進(jìn)行理論計(jì)算；根據(jù)飛秒激光的上述獨(dú)特性質(zhì)，討論了實(shí)驗(yàn)過程中顯微物鏡的選擇、亞衍射分辨率的實(shí)現(xiàn)和激光器的合理利用，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。
　　 建立了基于非接觸、高精度的光加工、光手術(shù)、光捕獲的飛秒激光非線性介質(zhì)和活細(xì)胞微手術(shù)微操縱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由四大模塊組成，包括激光發(fā)生模塊、光路傳輸模塊、顯微鏡模塊和超精密定位模塊，可以實(shí)現(xiàn)飛秒激光光聚合三維加工、活細(xì)胞手術(shù)和光鑷功能，對多學(xué)科的研究提供了一個(gè)多功能的平臺(tái)。

4、在光敏樹脂ORMOCER和活細(xì)胞兩種透明介質(zhì)內(nèi)部對飛秒激光的三維制造能力和亞衍射分辨能力進(jìn)行了驗(yàn)證。得到了突破衍射極限的光聚合線寬和細(xì)胞手術(shù)分辨率；在此基礎(chǔ)上，研究了組織工程細(xì)胞支架快速制造和細(xì)胞的可復(fù)性核損傷。
　　 提出了飛秒激光對嗅鞘細(xì)胞活性控制和鈣波誘導(dǎo)的新方法，可以實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞活性的定量控制。首先，研究了各種激光參數(shù)對細(xì)胞突起手術(shù)效果的影響；然后采用合適的激光參數(shù)研究了不同的手術(shù)條件對損傷后細(xì)胞活性的影響，發(fā)現(xiàn)突起直徑的

5、差別對細(xì)胞活性的影響至關(guān)重要，當(dāng)突起直徑小于2.0μm時(shí)，95％以上的損傷細(xì)胞都可以在3h內(nèi)恢復(fù)其活性；最后在保持細(xì)胞活性的條件下對細(xì)胞功能進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)鈣波的無條件誘導(dǎo)。
　　 本課題提出了采用飛秒激光沖擊波對細(xì)胞活性進(jìn)行控制和鈣波誘導(dǎo)的新方法。以海拉細(xì)胞為研究對象，通過改變激光焦點(diǎn)和細(xì)胞之間的相對位置、激光脈沖能量來調(diào)節(jié)沖擊波對細(xì)胞的損傷，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞損傷程度的精確控制；同時(shí)，找到了沖擊波誘導(dǎo)鈣波產(chǎn)生的閾值條件。因

6、此，通過協(xié)調(diào)細(xì)胞的損傷程度和鈣波的形成閾值，可以通過調(diào)節(jié)激光脈沖能量和作用距離精確的控制細(xì)胞的活性和功能。
　　 從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了飛秒激光非線性微手術(shù)微操縱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的飛秒激光光鑷能力。采用高重復(fù)率的飛秒激光作為光源，采用高數(shù)值孔徑的顯微物鏡實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)的三維操縱，以兩種細(xì)胞（人血紅細(xì)胞和酵母細(xì)胞）為研究對象，實(shí)現(xiàn)了對細(xì)胞的力學(xué)行為控制。由于紅細(xì)胞屬于不規(guī)則形體，飛秒激光對其操縱的時(shí)候存在兩種效果：一是基于勢能最低原理的邊緣穩(wěn)定捕獲，