在我们的体内，有无数细胞在默默地工作，维持着我们的生命活动。你知道吗？这些微小的生命体具有多种多样的功能，充满着未知的奥秘。我们这篇文章的主角——细胞操作——正是打开这扇奥秘之门的钥匙。今天，就让我们一起走进细胞操作的世界，揭开细胞的神秘面纱。
什么是细胞操作？细胞操作指的是在显微镜和微纳操作系统的帮助下进行的以细胞为操作对象的一系列相关科学研究，在医疗领域有着广泛的应用（图一）。细胞操作主要包含细胞注射、细胞扫描和细胞夹持等三种类型，需要借助光学显微镜、原子力显微镜或荧光倒置显微镜等工具进行观察，在具体操作时需要结合实际应用选择合适的观察工具与操作方法。看到这里，你是否还有些疑惑？请不要担心，接下来我会结合具体的应用场景为你一一讲解，请跟我来吧！
图一 医疗领域对于细胞操作的需求——（a）优生优育和（b）靶向治疗
细胞注射是最常见的细胞操作类型，常应用于体外受精与胚胎移植技术中，即试管婴儿技术（优生优育）。通过一根开口直径稍大一些的中空玻璃管对细胞施加负压，可以将细胞牢牢地固定，此时将一根开口直径稍小的细长玻璃管插入细胞内，通过真空泵使细长玻璃管中的压力大于细胞内部的压力，就可以将玻璃管中的物体注射到细胞内（图二）。整个过程是不是看起来很简单？但在实际操作过程中，因为细胞体积小（通常为几十到几百微米不等）、杨氏模量小，且操作环境为液体，所以想完成这项操作并不容易。但随着图像处理技术和自动化技术的发展，细胞注射的难度在逐渐降低。图像处理技术就像操作人员的眼睛，可以及时地捕捉细胞的位置和姿态等信息，而自动化技术就像一位经验丰富的操作员，在计算机编程的帮助下可以精确地计算出细胞需要调整的角度和注射过程中需要向细胞施加的压力大小。有了这两个“天兵天将”的帮助，当前的细胞注射成功率已经有了很大的提高。
图二 （a）斑马鱼卵细胞结构示意图[1]（b）斑马鱼卵注射实验[1]
相信聪明的你已经注意到，细胞注射中有一个关键的影响因素：细胞的杨氏模量。什么是细胞的杨氏模量？它为什么会影响细胞注射的成败？请接着往下看吧！
细胞由细胞核、细胞器和细胞骨架等部分组成。细胞受到外力时会产生一定的变形，杨氏模量就是衡量细胞变形程度的指标。在细胞注射中，将细长玻璃管精确地插入细胞中的操作，就像在20米的距离外控制一根金属吸管精确地插入一颗浸在水中的鸡蛋，其难度可想而知。看到这里，你一定有些疑问：如何测量细胞的杨氏模量？想弄明白这个问题，你需要了解原子力显微镜的工作原理和与之相关的细胞杨氏模量测量方法，这也是细胞操作的重要组成部分。
图三 （a）原子力显微镜工作原理示意图[2]（b）原子力显微镜测量细胞杨氏模量的示意图[3]
原子力显微镜（图三（a））中最主要的部件是悬臂梁探针，探针的末端通常具有特定形状的针尖。激光发射器中会发出一束激光，打在悬臂梁探针的末端，激光经过反射后打在光电二极管上，光学信号会被监测器与反馈电路收集。当针尖与样品发生接触时，二者之间会产生相互作用力，使悬臂梁产生弯曲或扭转变形，导致激光打在光电二极管上的位置发生变化，监测器与反馈电路可以迅速地捕捉到激光位置的变化，并通过计算确定悬臂梁的变形量。当样品具有一定的高低起伏时，样品与悬臂梁针尖之间的相互作用力会发生变化，从而导致悬臂梁的变形量发生变化。根据以上原理，我们可以通过测量探针针尖压入细胞的压痕深度与细胞的变形量计算得到细胞的杨氏模量（图三（b））。
在测量细胞杨氏模量的过程中，探针针尖会使细胞表面产生变形，此时计算得到的是细胞整体的杨氏模量。如果想知道细胞内部结构（如细胞核）的杨氏模量，又该怎么做呢？答案就是——改变探针的结构！当使用特殊的工艺加长探针针尖后，通过控制探针的运动，就可以让针尖刺破薄薄的细胞膜，从而与细胞内的细胞核接触（图四）。通过测量刺破细胞膜和细胞核膜时针尖受到的相互作用力的大小，就可以计算出细胞膜和细胞核膜的杨氏模量。需要注意的是，整个操作的视野范围只有约100微米，相当于一根头发丝的直径，是不是非常的神奇？
图四 原子力显微镜探针测量细胞内部结构杨氏模量的示意图[4]
通过前面的讲解，相信你对细胞操作已经有了一定的认识。接下来我将为你介绍另一类常见的细胞操作类型——细胞扫描。细胞扫描与细胞杨氏模量的测量不同，它是在原子力显微镜探针的帮助下，采用逐点逐行扫描的方式对细胞表面进行测量，最终生成一幅完整的细胞形貌图像的操作（图五（a））。细胞图像可以帮助我们更好地了解细胞表面的微观结构和细胞的杨氏模量和粘弹性等力学特性。
图五 （a）细胞扫描图像（b）商业原子力显微镜探针[5]（I）和谐波原子力显微镜探针（II）
看到这里，你可能会好奇：既然可以通过加长原子力显微镜探针针尖的方式使探针具有检测细胞内部结构的能力，那么能否通过改变探针的结构提高其扫描细胞的能力呢？答案是肯定的。有研究表明[6][7]，通过在探针的悬臂梁上打孔或者增加小质量块，可以改变探针振动的固有频率，使探针的高阶固有频率成为第一阶固有频率的整数倍，从而提高探针在动态模式下扫描的成像质量。成像质量提高的原因是探针在动态模式下扫描时会受到来自基座的动态激励，当动态激励的振动频率是探针的一阶固有频率的整数倍时，探针在高阶固有频率处的运动振幅也会相应增大。这种利用探针的振动时的谐振特性来提高探针检测性能的探针叫谐波探针（图五（b））。与商业探针相比，谐波探针扫描得到的细胞图像清晰度更高（图六），包含的信息量更丰富，可以帮助我们进一步地了解细胞。
图六（a）谐波探针扫描的细胞图像[8]（b）普通探针扫描的细胞图像（图像尺寸：20微米）
我们来到本文的最后一部分内容——细胞夹持。细胞夹持是一类重要的细胞操作，需要在细胞夹持系统的帮助下完成（图七）。细胞夹持系统可以将细胞稳稳地夹起，转移到指定位置，再稳稳地放下。细胞夹持系统主要由驱动器、位移放大机构和末端钳口三部分组成。驱动器一般为压电陶瓷，可以精确地输出微米级的位移。驱动器输出的位移经过柔顺位移放大机构的放大后，最大行程可达数百微米，能够满足各种类型细胞的夹持需求。夹持器的末端钳口与柔顺位移放大机构直接相连，可以根据被夹持物体的尺寸和力学特性设计不同的构型。细胞夹持器的工作原理虽然简单易懂，但是想要设计出一款符合要求的夹持器却需要大量的数学运算以及实验调试。当你通过努力，最终成功地实现细胞夹持操作时，成就感会充满你的身体，之前付出的所有艰辛与汗水在那一刻都会变得云淡烟轻，这就是科研的魅力！
图七 细胞夹持器[9]
细胞注射、细胞扫描和细胞夹持这三项细胞操作的应用场景虽然大不相同，但是通过巧妙的设计可以将该三项操作集成到一个操作系统中，为优生优育提供强有力的工具。细胞扫描作为检测工具，可以准确地筛选出状态优良的细胞；细胞夹持器作为细胞操作系统中的“手”，可以将被筛选出的细胞转运到指定位置；细胞注射系统作为“执行者”，将完成胚胎移植技术中的体外受精过程。三者相互配合，可以发挥出最大的优势，达到“1+1>2”的效果。
俗话说，失败是成功之母，对于细胞操作来说也是如此。一次成功的细胞操作背后是大量失败的实验案例，饱含无数科研工作者的心血。如果你想在长大后从事细胞操作的相关研究，不仅需要扎实地掌握数学、物理学和生物学等领域的知识，还需要有“板凳要坐十年冷”的耐心和百折不挠的精神。年轻人们，请你们立足当下，扎扎实实地学习基础知识，相信未来的你一定会乘风破浪，在人生的大海里找到属于自己的天地！
【参考文献】
[1] X. Liu, Z. Lu, and Yu Sun, “Orientation Control of Biological Cells Under Inverted Microscopy,” IEEE/ASME Trans. Mechatronics, vol.16, no.5, pp. 918-924. Oct. 2011.
[2]于淼. 基于原子力显微镜的细胞若干力学特性的定量研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大
学，2015.
[3] H. Liu, J. Wen, J. Liu, S. Hopyan, C. Simmons, and Y. Sun, Mechanical characterization of cancer cell nuclei in situ, The 9th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS), Waikiki Beach, HI, USA, 2014, pp. 669-673, doi: 10.1109/NEMS.2014.6908900.
[4] J. Song, X. Meng, H. Zhang et al., “Probing Multidimensional Mechanical Phenotyping of Intracellular Structures by Viscoelastic Spectroscopy,” ACS Appl Mater Interfaces, vol. 12, no. 1, pp. 1913-1923, Jan. 2020.
[5]K. Feng, J. Lai,B. Zhu, and X. Zhang, “Force Modulation Mode Harmonic Atomic Force Microscopy for Enhanced Image Resolution of Cell,” pp. 381-392. CCMMS 2022.
[6] B. Zhu, S. Zimmermann, X. Zhang, and S. Fatikow, “A systematic method for developing harmonic cantilevers for atomic force microscopy,” J. Mech. Des., vol. 139, no. 1, 2017, Art. no. 012303.
[7] W. Zhang, Y. Chen, and J. Chu, “Cantilever optimization for applications in enhanced harmonic atomic force microscopy,” Sensors Actuators A: Phys., vol. 255, pp. 54–60, 2017.
[8] K. Feng, J. Lai, J. Gao, C. Cui, B. Zhu, and X. Zhang, A Novel Harmonic Atomic Force Microscopy With Tip-Sample Couplings, IEEE/ASME Trans. Mechatronics, doi: 10.1109/TMECH.2023.3317498.
[9] M. Lofroth, and E. Avci, “Development of a Novel Modular Compliant Gripper for Manipulation of Micro Objects,” Micromachines (Basel), vol. 10, no. 5, May 9, 2019.