力學在細胞生物學中起著基礎性的作用。細胞通過這些機械力來探索周圍的環境，并感知周圍活細胞的行為。細胞所處環境的物理特性反過來又會影響細胞的功能。因此，了解細胞如何與環境相互作用為細胞生物學提供了重要的見解，并在醫學上具有廣泛的意義，包括疾病診斷和癌癥治療。

到目前為止，研究人員已經開發了許多工具來研究細胞和它們的3D微環境之間的相互作用。其中最流行的技術是牽引力顯微鏡(TFM)。它是確定細胞基質表面牽引力的主要方法，為細胞如何感知、適應和響應力提供了重要信息。然而，TFM的應用僅限于提供細胞基質上標記物翻譯運動的信息。關于其他自由度的信息，如旋轉運動，由于技術限制和對該主題的研究有限，仍然是推測性的。

香港大學的工程專家提出了一種測量細胞牽引力場的新技術，以解決這一研究空白。該跨學科研究小組由電機與電子工程系的褚智勤博士和機械工程系的林源博士領導。他們利用納米金剛石(NDs)中的單氮空位(NV)中心提出了一種線性極化調制(LPM)方法，該方法可以測量細胞基質上標記物的旋轉和平移運動。

該研究為細胞多維牽引力場的測量提供了一個新的視角，研究結果已在納米快報期刊上發表，被作為雜志的補充封面。

該研究顯示了細胞基質表面標記的旋轉和平移運動的高精度測量。實驗結果證實了理論計算和前人的研究結果。

具有NV中心的NDs具有超高的光穩定性、良好的生物相容性和方便的表面化學修飾，是許多生物應用的優良熒光標記物。研究人員發現，基于單個NV中心的熒光強度與方向對激光偏振方向的關系的測量結果，可以實現高精度的方向測量和無背景成像。

因此，該團隊發明的LPM方法有助于解決機械生物學中細胞力測量的技術瓶頸，它包含了來自生物學、工程學、化學和物理學的跨學科合作。

“多細胞生物中的大多數細胞都經歷著在空間和時間上高度協調的力量。多維細胞牽引力場顯微鏡的發展一直是該領域最大的挑戰之一?！瘪抑乔诮淌谡f。

“與傳統的TFM相比，這項新技術為我們研究真正的3D細胞-細胞外基質相互作用提供了一種新的和方便的工具。它有助于實現細胞牽引力領域的旋轉-平移運動測量，并揭示有關細胞牽引力的信息，”他補充說。

該研究的主要亮點是能夠高精度地表示標記的平移和旋轉運動。這是在分析細胞-基質界面的力學相互作用方面邁出的一大步。它還提供了新的研究途徑。

通過細胞表面的特殊化學物質，細胞相互作用和連接，這是細胞粘附過程的一部分。細胞在粘附過程中產生張力的方式主要描述為“平面”。牽引應力、肌動蛋白流動和黏附生長等過程都是相互聯系的，并表現出復雜的方向性動態。LPM方法可以幫助理解圍繞著焦點粘連的復雜力矩，并在納米級水平上分離不同的機械負載(例如，正常牽引力、剪切力)。這也有助于理解細胞粘附如何對不同類型的應力作出反應，以及這些如何介導機械轉導(細胞將機械刺激轉化為電化學活性的機制)。

這項技術也有望用于研究其他各種生物力學過程，包括免疫細胞激活、組織形成和癌細胞的復制和入侵。例如，在對癌癥的免疫反應中起核心作用的t細胞受體可以產生對組織生長極為重要的動態力量。這種高精度LPM技術可能有助于分析這些多維力動力學，并為組織發育提供見解。

該研究團隊正在積極研究方法，以擴大光學成像能力，并同時繪制多個納米鉆石。