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细胞的力学生物学响应对细胞的生长、变形以及细胞自身调节功能等有着重要影响,目前可通过多种细胞微操作实验技术(微管吸吮法、原子力显微镜、磁珠扭转法、基底应变技术等)实现细胞力学生物学响应的研究。在众多机械力中,流体剪切力是人体内细胞在生理状态下受到的主要应力载荷形式之一,研究细胞对剪切力的响应特征对于揭示相关疾病(如骨质疏松、动脉粥样硬化等)的发病机理、探索更多有效的治疗方法具有十分重要的意义。传统的基于流动小室的细胞剪切力加载实验技术大都以细胞种群为实验对象,无法反映细胞间的异质性。因此,基于单细胞的剪切力加载技术——微流控技术逐渐发展起来,该加载技术能够精确控制流体,实现分析自动化等功能,但是其流体流动方式单一(需要专门设计不同的芯片才能改变流体流动方式)、制作工艺局限性较大。针对微流控技术的局限性,本文提出了一种基于光镊微球精准操控的微流体剪切力加载新方法,主要利用光镊操控微球在细胞附近作精准平移运动,引起局部范围内流体流动,产生大小和作用方式可调、可控的剪切力。该方法集成了自动控制、机器视觉以及光镊等技术,具体研究内容主要包含以下几个方面:(1)光镊精准操控微球的运动控制算法。基于光镊捕获微球的动力学模型,实现了闭环控制算法,结合图像处理技术实时反馈微球位置信息,解决了光镊操控微球运动时由于速度过大或流体干扰等原因引起的微球逃逸问题,实现了光镊对微球的精准操控。(2)微球位置、半径信息获取的图像处理算法。针对光镊操控微球运动过程中微球位置信息反馈的问题、光阱刚度标定问题和实验中微流体剪切力验证问题,利用OpenCV开源项目库提出了基于不同光照环境下微球位置、半径信息获取的图像处理算法。(3)微流体剪切力大小的理论求解。针对微球运动引起的流体剪切力理论求解问题,结合Stokes流动理论提出了相应理论求解模型,通过求解该理论模型的近似解来计算细胞所受剪切力大小的理论值。(4)对本文提出的方法进行实验验证。结果表明本文提出的基于光镊微球精准操控的微流体剪切力加载方法能够精准地对细胞施加大小和作用方式可调、可控的剪切力,具有操作简单、可控性好、精度高等优点。