生物细胞的旋转：基础、方法与应用

工程10（2022）110研究生物医学工程生物细胞的旋转：基础与应用唐涛a，细川洋一郎a，早川武b，c，田中洋d，e，李伟华f，李明g，李明，亚夏尔·亚力昆a，e，a日本奈良630-0192奈良科学技术研究所材料科学部b名古屋大学未来社会创新研究所，爱知464-8603，日本c日本东京112-8551中央大学理工学院精密机械系d大坂大学前沿生物科学研究生院，大坂565-0871，日本eRIKEN生物系统动力学研究中心，大坂565-0871，日本f澳大利亚伍伦贡大学机械、材料、机电一体化和生物医学工程学院，伍伦贡，新南威尔士州2522澳大利亚新南威尔士州悉尼麦考瑞大学工程学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年6月17日修订2020年7月21日接受2021年1月19日在线提供保留字：细胞旋转细胞重定向微操作微流控A B S T R A C T细胞旋转是现代生物科学中最重要的细胞操作技术之一，因为它不仅允许从任意角度观察细胞，而且简化了分析细胞力学特性，表征细胞生理学和进行显微手术的过程已经报道了在广泛的学术和工业应用中用于旋转细胞的许多方法其中，最流行的是基于微型机器人的直接接触式操作和基于场的非接触式方法（例如，光、磁、电、声和流体动力学方法）。本文首先总结了这六种主要方法的基本机制、优缺点，然后详细讨论了它们的差异和局限性我们的目标是弥合每种方法之间的差距，并说明细胞旋转领域的发展进程，目前的进展和©2021 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍细胞旋转是一种细胞操作技术，能够实现三维（3D）细胞成像[1在某些条件下细胞的旋转运动[7，8]（例如，电旋转（ROT））是用于细胞区分的重要的无标记生物标志物细胞旋转的方法根据其应用机制可分为六类：光场[9，10]、机械接触[11]、磁场[12，13]、电场[14，15]、声场[16，17]和流体动力场[18，19]方法，如图所示。 1（a）.细胞群体是异质的，甚至相同类型的细胞彼此不同，因为活的生物细胞在形状，大小和其他生物物理特征方面各不相同[20]。在生物学、医学和临床应用中，检测和可视化细胞表面形态的生物动力学非常重要[21]。然而，共焦显微镜，一种常用的光学显微镜，*通讯作者。电子邮件地址：www.example.comming.li @ mq.edu.au（M. Li），yaxiaer@ms.naist.jp（Y. 亚力昆）。用于细胞图像获取的CAL技术限于透明样品和某些可见角度，并且在XY平面（100 nm）和Z方向（200 nm）上具有有限的分辨率。与其他可用的设置相比，如3D结构化照明显微镜（SIM）[22-例如，由声镊激活的片上细胞旋转[25]已被应用于在普通共焦显微镜下构建高分辨率3D光学重建，其可见角高达140°[1]。此外，在微流体装置中集成光镊（OT）[26，27]进一步将细胞的可视角度扩展到180°，并在称为细胞重定向的过程中从特定角度实现细胞的可视化由于其重新定向和可视化细胞的能力，光激活的芯片上细胞旋转已经在细胞手术过程中实现了广泛的应用（例如，细胞注射、细胞内结构活组织检查和细胞器提取），其中靶细胞需要适当定向以减轻对细胞活力的副作用[28，29]。例如在https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.07.0312095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engT. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110111·Fig. 1.用于细胞旋转操作的六组方法的示意图概述。(a)具有不同外力的细胞旋转方法，基于光场和机械接触的方法通常用于细胞重定向，而其他四种类型的基于场的技术（磁、电、声和流体动力学）主要用于以稳定速度的细胞旋转。(b)细胞旋转和定向的应用包括多角度细胞成像[34]、细胞手术[35]和细胞特性表征[33]。(c)适用的尺寸范围因每个方法组而异，范围为1 nm至1 mm。[33]经美国国家科学院许可，©2012;Ref.[34]经Springer Science Business Media，LLC许可，Springer Nature的一部分，©2020;和Ref.[35]经美国化学学会许可，©2011。在哺乳动物卵母细胞操作中，卵母细胞的极体必须旋转远离注射部位，以防止损坏纺锤体，纺锤体靠近卵母细胞内的极体[3，30]。其他例子包括必要的，精确的控制细胞方向，以避免损伤细胞中的细胞器，从而提高显微操作的成功率[31，32]。不同形状或类型的细胞的旋转运动甚至在相同条件下也不同，因此细胞旋转可用于表征与化学组成或物理特征相关的细胞性质和状态在一项乳腺癌研究中[33]，发现癌细胞的旋转运动与具有球形形状的正常细胞的旋转运动是可区分的。稳定的旋转，或所谓的相干角运动，是正常细胞形成球体所必需的。然而，该研究指出，极性的丧失阻止了癌细胞形成球体，这是恶性肿瘤的最早迹象之一，并导致旋转运动障碍，如图1（b）所示[33此外，细胞的物理特征和化学组成（例如，细胞的介电性质）可基于芯片实验室技术从细胞旋转运动获得例如，Han等人[15]提出了一种具有非均匀电场的微流体装置，其被应用于分析靶细胞的旋转模式（例如，旋转速度和方向），以及Huang et al.[36]证明了其用于细胞表征和区分的能力。细胞和微珠的可控旋转是一种工具，使研究人员能够揭示目标组件的机械特性例如，磁珠在旋转磁场下的旋转使得能够高速测量DNA陀螺仪的结构动力学[37，38]。类似地，基于声场的旋转对于细胞表征是优选的，因为其能够以相对大的输出力激发许多颗粒的旋转[39]。基于外部声场的旋转策略也使得能够用开放或封闭的微流体装置并行分析多个生物样品[40，41]尽管存在若干种用于单元旋转的片上方法，但每种方法具有有限的单元大小的适用范围，如总结的那样。在图1（c）中显示。对于小的生物体或微珠，三种类型的操作（机械、声学和流体动力学）是可用的，适用的尺寸高达1 mm。光场法由于输出力低，适合于旋转大小在0.1至100μm之间变化的细胞或细胞器。 磁场方法主要用于旋转尺寸范围为1至10μm的磁珠。最后，电场方法可用于旋转样品具有从0.001到1000μm的各种尺寸。的机械方法和光学方法的空间分辨率可能分别高达10μm和0.1μm（分辨率将在第4节中总结）。另外，两个技术-Niques使得能够精确控制旋转角度，但是它们在实际应用中也有局限性。机械接触方法具有损伤软细胞膜和损害细胞活力的高风险，而具有高光强（通常> 105 W cm-2）的OT显示出杀死细胞或引起光学损伤的趋势，限制了它们的应用。本综述旨在分析代表性的学术研究，利用六个主要组的方法旋转（无论是直接接触或非接触的方法，如图1（a））。然后，我们提供更多的细节，在不同的条件下，每种方法的优点和缺点，并讨论在这一领域可能的未来趋势。我们已经将这些方法分类，根据旋转的目的，将六组分为两类：细胞重定向和细胞旋转（图1（a））。更具体地，可控细胞重定向旨在使细胞精确地朝向特定角度旋转，并且主要使用光场或机械接触来执行。相比之下，可控细胞旋转的目的是以稳定的速度旋转细胞;在这种情况下，磁场或电场通常用于旋转单个细胞，而声场或水动力场方法主要集中在平行的多个细胞的旋转上。2. 可控细胞重定向精确的细胞定向对于细胞显微注射、对于将物质精确递送到细胞中以及对于研究细胞的生物学特性是必要的。T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110112细胞转染、信号传导途径和细胞器功能[42为了能够在胚胎的特定位置进行注射并避免对特定内部细胞器的任何损伤，过去需要手动调整细胞的位置和姿势，这受到效率低和成功率低的限制[31]。目前，自动化流程正在逐步取代现有的手动重新定位策略。例如，由直流（DC）电机驱动的闭环控制操纵器[5，46]可以提供具有空间位置的细胞的可重复和快速定位。分辨率大于0.1lm，这是很难实现的，手动操作。2.1. 机械接触方法机械接触方法利用工具（例如，具有某些制造规格的微量移液管）安装在操纵器上，该操纵器直接与靶细胞相互作用以实现细胞的移位或重定向与需要高技能操作员的手动重新定向方法相比，使用操纵器和控制系统可以使机械接触方法简化操作过程并减少细胞损伤[4，5，47]。绝大多数机械接触方法旨在用微型机器人取代操作员（表1[4，46例如，Wang等人。[46]提出了一种实时识别和重新定位胚胎的方法，其中靶细胞的重新定位由与细胞变形相关的摩擦力提供动力（图1）。 2（a）），旋转自由度为2°，成功率高达97.50%。此外，如图2（b）所示，由程序[48]控制的推力可以以5°的旋转角误差定向细胞，尽管该方法的自由度（DOF）或者，如图2（c）所示，多个微量移液器可以用作指状物[4]，其中靶细胞由一个“指状物”保持并由另一个“指状物”旋转，这将旋转误差减小到约1.2°。基于最小旋转力模型，根据细胞的变形情况，施加一个可变的转矩来旋转靶细胞，成功地实现了靶细胞的旋转，最小化对细胞活力的副作用，尽管对操作效率有一些代价。最近，已经开发了一种改进的方法[49]，该方法优化了注射微量移液管的方向，并将处理时间显著减少到每个细胞5秒。同时，使用两个微量移液器，系统[50]可以实现高达92.5%的成功率，最大误差为0.3°。目前，基于机械接触的方法被广泛使用用于细胞重定向，尽管它们具有物理损伤和不期望的刺激的风险[55]。这些方法允许粒子的相对高的空间分辨率（高达0.01lm）重新定位和操作，确保sim的可重复性，ilar定向操作。此外，使用基于机械接触的技术实现了0.3°的旋转精度，这比其他手动方法（8.3°）小得多[4]。虽然对控制系统进行了许多改进，以提高操作的稳定性和精度，最小适用尺寸限制在约100μm。与细胞的直接旋转相比，微流控装置的装置对于细胞观察来说要简单得多并且更艾山等人[52]将热膨胀玻璃穹顶结构制造技术[53]与超薄玻璃熔接技术[54]相结合，制作全封闭玻璃腔，建立了一个观察平台，实现了观察角度的高精度控制，误差为0.72°。靶细胞被放置在一个封闭的腔室中，以减少观察过程中外部污染的风险，并消除刚性致动器可能造成的物理损伤;然而，全封闭的微环境限制了其他应用，如细胞手术。2.2. 光场法在Ashkin等人首先研究之后，OT已经成为应用于细胞旋转的最流行的基于光场的技术之一[56、57]。高度聚焦的激光束的作用是表1描述使用机械接触方法开发细胞重定向的出版物总结作者旋转DOF速度旋转角度误差成功率旋转物体应用Zhao等人[4]美国128.6 s/细胞1.2°百分之九十三点三猪卵母细胞核移植Wang等人[50个]331 s/细胞0.3°百分之九十二点五斑马鱼胚胎细胞结构识别Wang等人[46个]2面内：每个单元0.5°百分之九十七点五斑马鱼胚胎细胞结构识别平面外：每个单元Wang等人[47个]3平面外：每个单元-百分之九十六点二五小鼠卵母细胞极体活检Zhuang等人[51]2每头幼虫0.5°z轴：94%;x轴：100%斑马鱼幼体体器官注射Ajamieh等人[48个]1-5°-小鼠胚胎细胞活检操作Zhao等人[49个]123.6 s/细胞-百分之九十三点三猪卵母细胞核移植Aishan等人[52]3-0.72°-爪蟾卵母细胞全表面细胞观察DOF：自由度。图二.不同机械接触方法的示意图。(a)使用摩擦力驱动靶细胞旋转的基于摩擦的技术;（b）使用推力旋转基底上的靶细胞的基于推动的技术;（c）使用微量移液器作为机器人手指旋转靶细胞的基于抓钩的技术。R：半径;h：角度。T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110113一种光学陷阱，其对感兴趣的颗粒施加捕获力和扭矩，允许对捕获的微米尺寸的介电颗粒进行无标记操作[58与机械接触方法相比，OT施加的力的刚度和大小随激光束的强度而变化，OT的捕获力在从毫微微牛顿到纳牛顿的范围内变化，这使得它们非常适合捕获具有不同尺寸和重量的微米尺寸颗粒[63，64]。此外，双光束光阱已经显示出细胞重定向的能力[65，66]，并且已经使用反向传播激光束验证了它们的自组织特性[67，68]选择合适的激光束进行红光处理然后可以被空间光调制器（SLM）分成多个同时捕获的光束。因此，可以利用全息OT并行地执行多个单元图3（b）显示了激光束进入细胞前后传播路径的变化，并显示了细胞表面发生的动量转换。基于斯涅耳入射光束和出射光束之间的动量关系ks，1和ks，2可以用公式表示如下。8>Dk1¼ki;1-ks;1血细胞和癌细胞之间的关系在Kreysing等人的研究中进行了描述[69]Dasgupta et al.[70]. 此外，在我们团队过去的研究[71，72]中，我们发现聚焦飞秒激光Dk2¼ki; 2-ks; 2：Dk¼Dk1Dk2ð1Þ光束可以在没有任何热效应的情况下产生脉冲力，从而实现非接触式细胞操作。虽然关于OT细胞旋转的研究很少，但这一主题可能成为一个研究趋势。2.2.1. 光捕获力与细胞折射由于聚焦激光和被捕获物体之间的相互作用而产生的光捕获力使得靶细胞能够在普通商业显微镜下通过OT旋转。用于光学操纵的典型装置（图3（a））主要由一些光学部件组成，例如具有亮场或照明的显微镜、高数值孔径（NA）物镜和聚光检测透镜。典型地，所应用的激光束的波长是近红外的，这避免了各种生物光损伤，并且可以容易地与成像系统中的其他可见光形式结合[73]。此外，捕获激光器可以与单模光纤耦合以产生干净的光束轮廓，并且根据动量守恒定律，激光束Dk1和Dk2被转移到靶细胞上。结果，被捕获的粒子经历一个补偿动量Dk，指向焦点，如图3（b）所示。由于散射力的作用，OT能够通过高度聚焦的激光束捕获电介质微粒，并将它们捕获在焦平面后面的一个点上（图11）。 3（b））。2.2.2. 用于细胞重定向的图3（c-I-III）显示了细胞直接旋光的方案，这种方法由于其高精度而引起了极大的关注[9，67]。Xie等人[74]最近回顾了过去几十年来机器人辅助OT系统的快速发展，该系统说明了用于细胞旋转的多个激光束的操作。在闭环系统的帮助下，Xie等人。[5，75]还通过控制两个激光镊子的轨迹或距离，实现了XY平面或YZ平面中靶细胞的旋转控制（图1和2）。 3（c-II-III））。机器人辅助方法相当可靠，图三.用于细胞旋转和操纵的光学技术概述。(a)用于生物细胞旋光的仪器的图示。(b)靶细胞的激光动量转移，其中：I：靶细胞位于焦平面的右上方; II：靶细胞位于焦平面的右下方（c）不同旋光策略的示意图F：力;R：半径。>T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110114···适用于要求更高的任务，例如细胞的自旋和在Chen等人的一项研究中[65]，两种具有10μm位移的OT可以使红细胞旋转约10μ m。速度为72.2（°）·s-1;然而，当位移增加到15lm时，细胞沿椭圆轨道运动（150.7（°）s-1），自转速度为57.3（°）s-1。OT的一个限制是它们引起的光学损伤一项研究指出，相对较高的光峰值强度（> 105 W cm-2）[76]是产生稳定陷阱所必需的;然而，如表2[5，65，75，77-更具体地说，直接激光照射可能导致单细胞水平的各种副作用，如局部过热[83]，细胞代谢变化[84]，分子光构象[81，85]，蛋白质变性[86]和光机械应力[87]，所有这些最终都会导致细胞活力丧失。因此，尽管OT提供非常精确的旋转控制，但必须考虑光损伤。直接激光照射的其他不利影响包括布朗运动和热扰动[88]，这可能进一步干扰捕获的颗粒。或者，间接旋光可以避免直接激光暴露的这些副作用并减轻光损伤。表2总结了每种旋光方法的光损伤发生率。如图3（c-IV-VI），这些方法可以分为三类：拓扑抓地力，推为基础的方法，和附加粒子。例如，拓扑夹具[5，78，80]由几个珠子（图3（c-IV））形成，并由多个激光束控制;它们可以将细胞上的激光暴露减少90%。一些细胞对剩余的10%激光照射仍然敏感，并且它们的生理特征在拓扑夹具使用期间将改变。这个问题已经通过在靶细胞和光学操纵的珠之间放置中间珠来解决[77，79]，如图11和12所示。3（c-V-VI），其中光学捕获的珠充当非接触式致动器并消除对靶细胞的几乎所有副激光效应。OT轮换的另一个限制是缺乏选择性和排他性。换句话说，OT将捕获激光焦点附近的任何电介质颗粒[89]。因此，需要相对低浓度的细胞，以防止碰撞和捕获额外的颗粒。已经做出了显著的努力[90此外，基于光学的旋转技术的应用受到OT的低输出力的限制。例如，单光束旋光可以产生仅足以使细胞旋转约100 °的捕获力。10lm，不足以旋转较大的卵母细胞，如卵母细胞（>100lm）[93]。在本节中，我们回顾了两种旋转技术-机器人辅助机械旋转和光学旋转-用于精确角度控制（而不是旋转速度）的细胞可控的细胞旋转是必要的一些其他情况下，如细胞的旋转特性和3D光学重建的分析，这个主题在下面进行审查。3. 可控细胞旋转在本文中，精确的单细胞旋转对于生物技术中的许多应用都很重要，例如细胞表征[94]、药物发现[95，96]、肿瘤异质性分析[97，98]和细胞成像[1，10]。 在本节中，细胞旋转是由非接触物理场，如电场，磁场，声场和流体动力场（图1）。 1（a））。3.1. 电场法细胞可以在旋转电场中旋转，其中旋转扭矩由细胞的偶极矩和旋转电场之间的相位差产生。此外，在非旋转电场中，旋转运动可以由不均匀或时变电场激发。在交变电流（AC）场中，由介电电泳（DEP）引起的电转矩能够通过改变场强、频率或电极几何形状来操纵尺寸从几纳米到数百微米的DEP[99此外，不同的粒子可能对电场有不同的响应例如，Janus粒子的旋转方向与AC频率有关[102]，这导致粒子以低AC频率共场旋转，反之亦然。同时，DEP能够基于细胞的运动来区分和分离不同类型的细胞，这与细胞的介电性质有关3.1.1. 介电泳和ROT文献[99- 101，103]中已详细描述了DEP力的基本原理理论上，细胞可以在非均匀电场中极化[104]。如果它比介质更极化，则产生朝向强电场的净力，称为正DEP，反之亦然。基于这一理论，Chow等人[105，106]设计了一种填充液态金属的多功能微量移液器，并实现了四维（4D）单细胞表2描述使用光场方法的细胞旋转发展的出版物总结作者方法旋转角速度光损伤光束旋转物体应用乔杜里基于推送DOF1（（°）·s-1）-发生率0number2Dictyostelium细胞迁移研究等人[第七十七章]方法盘突细胞乔杜里等人[78个国家]Thakur等人拓扑夹持器推压式1114.32-百分之三十三03–62Dictyostelium盘状细胞酵母细胞细胞的无创运输细胞易位[79个]Cheah等人方法拓扑1-百分之三十三6硅珠抓住并操纵[80个]夹具微观粒子Xie等人[第七十五章]直接旋转28.59百分之六十七2酵母细胞单细胞手术Chen等人直接旋转2自旋：72.19;百分之六十七2红细胞自旋和轨道[第六十五章]Xie等人[五]《中国日报》直接旋转2轨道：151.269.74百分之六十七2急性早幼粒细胞旋转细胞外科白血病细胞T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110115321/4eω-eω=1/4e ω2eωemenjEj2旋转（图） 4（a）[106]）通过在细胞表面上的不同位置形成不平衡的力扭矩。在均匀电场E中，半径为R的均匀球形细胞等效于具有矩相量的偶极子（图2）。 4（b）[7]）。在DEP生物芯片[107]中，偶极子将与外部电磁场相互作用并产生DEP力，如下所示FDEP¼2pR3·em·ReplacefCME2CMp m p m：X其中，TROT与复数克劳修斯-蒙索蒂因子的虚部成比例，z是垂直于电极表面的单位矢量，Im（z）代表复变量的虚部。电偶极子和外场之间的相位延迟导致两个旋转力矩之间的相对滞后角。在稳态平衡条件下，旋转速度或角速度[15]可以定义如下：aROT¼-2gImproffCM浓缩液40mleωe-ir其中DEP力（FDEP）与复数克劳修斯-蒙索蒂因子（f CM）的实部成比例* 表示复变量，并且复介电常数eω与物质介电常数（e）和旋转场的角频率（x）线性相关。此外，Re（ε）代表复变量的实部，r是介质电导率，i是虚部单位。在旋转电场中，细胞旋转可以通过ROT扭矩（TROT）导出。其中，旋转速度（ROT）与复数克劳修斯-莫索蒂因子的虚部成比例3.1.2. 细胞旋转WalidRezanoor和Dutta [110]通过具有时变频率的AC信号在固定电场中实现了细胞旋转，其中产生非均匀电场以使靶细胞旋转（图1）。 4（c））。他们发现，在一个阶段的旋转速度TROT ¼-4pR·em·ImbriefCM· jEj·z3交变电场与交流频率密切相关虽然的底层机制是不完全理解图四、基于电场的可控细胞旋转策略（a）移液器尖端附近的4D ROT示意图;（b）用于3D细胞ROT的微型装置以及单细胞加载和3D旋转的工作原理的图示;（c）共面电极上的电场线和旋转策略的图示;（d）多个电极的分布;（e）用于旋转操作的绝缘层上的电极和细胞捕获的操作方案h：交流信号相位;+u：正极;–（a）复制自Ref。[106]经WILE-VCH Verlag GmbH Co.许可，KGaA，©2018;（b）转载自Ref.[7]经英国皇家化学学会许可，©2018;（d）转载自参考文献[112]经SAGEPublications Ltd.许可©2015;和（e）转载自Ref.[113]经WILE-VCH Verlag GmbH Co.许可，KGaA，©2018.Fð2Þ8><>T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110116此外，细胞的稳定旋转不仅与其规则的形状有关，而且还受到细胞内具有低电导率的偏心夹杂物的影响[111]。目前，使用固定电场进行细胞旋转仍然受到速度控制精度低的限制或者，Han et al.[15]设计了一种基于ROT的微芯片，以利用电信号捕获和旋转细胞（表3[7，15，102，105，106，110-电导率和介电常数）。使用四个电极形成细胞旋转所需的时变电场，并且每个电极由具有不同相位延迟的AC信号激励也有人建议[112]，在实际应用中不应超过四个电极。虽然旋转场的面积随着电极数量的增加而扩大（图4（d）[112]），但中心场的强度保持不变，多个电信号的控制变得更加复杂[115]。多个电极的唯一好处是最小化电场分布对细胞旋转的影响，因为电场的均匀性得到改善。此外，建议不要在中心电场中旋转细胞，因为这可能会破坏电场，甚至可能终止实验。为了稳定旋转运动，Huang等人[114]报道了DEP平台的新设计，该平台具有捕获单细胞并同时实现3D旋转的能力。通过调整交流信号的配置，可以使电池稳定地旋转，并且大大简化了控制过程为了进一步简化这种微器件并扩展应用范围，Huang等人。[7]提出了一种新的ROT-on-a-chip技术（图4（b））。该方法在具有典型结构（例如上述结构）的单个微芯片上执行3D旋转方面具有可控制的方向、速度和旋转轴的基于同样的设计，黄等[116]实现了单细胞的自适应空间定位控制和三维形态重建。与多电极设计相比，Huang等。[113]Feng et al.[117]发现极化细胞也可以作为电极工作;这一种新型的ROT机制大大简化了基于DEP的微芯片的设计（图1）。[113]）。Chow等人[105，106]制造了用于在液体中旋转细胞的液体金属填充的多功能微量移液管（图4（a））;微量移液管可以同时产生3D DEP陷阱和一维（1D）ROT。这种方法的一个独特优点是不需要微加工或光刻步骤来形成电极，这简化了制造工艺并降低了制造成本。一般来说，我们可以得出结论，电场的适用尺寸范围接近（即，0.001范围）。迄今为止，大多数研究都集中在细胞旋转只有一个自由度，而不是细胞旋转沿多个轴，这仍然是一个挑战（表3）;只有黄等人。[7]已经在四个电极的帮助下在电场中以三个自由度完全实现了细胞旋转3.2. 磁场接近基于磁场的镊子[118-放置在磁场中的磁性物体将经历大约皮牛顿到纳牛顿的磁力和/或磁转矩。与容易引起不希望的电化学反应[121]并损害细胞活力的电镊子不同，磁场对生物样品几乎没有影响然而，这种方法的局限性之一是，生物分子或感兴趣的细胞必须附着在磁性颗粒上进行运输、分离和检测[122图5（a）显示了一个附着在磁性Janus粒子上并通过外部磁场旋转的T细胞的例子。考虑到靶细胞需要预处理，一些研究表明，附着的磁珠可能会改变生理特征[126，127]。另一个问题是，在测量细胞机械性能之后难以释放附着的珠粒。当外部磁力矩[89]施加到磁性微粒时，形成磁性镊子（图5这种技术通常与OT一起使用，以将目标颗粒捕获在特定位置，以及克服OT的限制（即，光损伤和热效应）对生物样品操作的影响。例如，Ye和Sitti[88]提出了两种技术的集成，以创建局部涡流，从而沿圆形路径运输附近的然而，Romodina et al.[122]报道，激光诱导的局部过热将破坏旋转粒子和旋转磁场之间的同步状态，因为旋转运动将被与热相关的布朗力矩延迟除了光学捕获之外，在这种情况下可以使用流体捕获，并且已经基于镍纳米线[128，129]（图5（c））和哑铃形磁致动器（图5（d）[130]）实现这两种方法都具有在旋转磁场下产生移动微涡旋的能力，其中表3描述使用电场方法开发细胞旋转的出版物总结作者电场型旋转DOF细胞陷阱机制操纵工具旋转物体应用Han等人[第十五条]旋转1是的环己二醇ROT信号人白细胞和测量细胞癌细胞介电性能Benhal等人[112]旋转1是的环己二醇3-有限元分析Walid等人[110]固定1没有DEP交流电渗流钛酸钡微流体装置设计Huang等人[114]旋转1是的腐nQDEP; ROT信号;成形颗粒HeLa细胞微流体装置设计陈等人[102]旋转1是的环己二醇渠道ROT信号铂硅Janus粒子旋转分析Zhao等人[第111话]固定1没有DEP交流电渗流大鼠脂肪干细胞方向旋转分析Huang等人[七]《中国日报》旋转3是的环己二醇ROT信号哺乳动物细胞根据DEP测量细胞Chow等人【105，106】旋转1是的3D DEP;液态金属电极吸液管HeLa细胞生物物理特性微流体装置设计Huang等人[113]旋转1没有腐腐平行和平面电极;HeLa和HepaRG细胞极化电池作为电极极性细胞nQDEP：负四极介电泳力。T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110117×图五.基于磁镊的可控细胞旋转策略。(a)使用磁性Janus粒子控制T细胞的旋转;（b）显示在显微镜载物台上固定两个电磁体的插入物的示意图;（c）通过纳米线的旋转激活的切向流场和细胞旋转;（d）用于动态捕获和旋转细胞的哑铃形流体镊子CD 3：分化簇3;V：翻译速度; M1、M2、M3、M4：电磁铁。（a）复制自Ref。[13]经WILEY-VCH Verlag GmbHCo.KGaA，©2016;（b）转载自Ref.[89]经Springer Nature许可，©2008;（c）转载自Ref.[128]经美国化学学会许可，©2011;（d）经WILEY-VCH Verlag GmbH& Co. KGaA许可，转载自参考文献[130]，©2016;（e）经Springer Nature许可，转载自参考文献[134]，©2018。细胞可以被捕获并以高达399.92的速度旋转，324.87（°）·s-1。理论上，在磁场中，作用在磁偶极子上的TROT定义为TROT=m B，其中m为粒子的磁偶极矩，B为外磁场。在磁力矩的影响下，磁性粒子将旋转，直到偶极子的方向与磁场对齐因此，时变磁场可以使磁性颗粒在二维（2D）表面上以稳定的速度旋转到目前为止，已经进行了许多研究来测量在时变磁场下施加在细胞，DNA等上的扭矩[131，132]或力[120]然而，如前所述，布朗运动可能会破坏同步状态，并且由于磁珠之间的磁化差异，磁镊施加的扭矩不是恒定的[133]，这使得难以精确地量化磁力。与基于DEP的旋转类似，大多数基于磁性的研究都实现了单一的旋转自由度，而不是3D控制。在Berndt等人的研究中。[134]，发现磁场能够控制活体样本在3D空间中的旋转，而无需连接任何磁珠（图5（e））。然而，这种方法具有损害测试样品的风险，因为操作时施加的磁力过大。相比之下，哑铃形流体镊子（图。 5（d））是实现细胞旋转的更安全的方式，并且通过非接触操作实现相对快速的旋转（即，移动的微涡旋）。然而，单个电池的旋转速度是不稳定的，并且随着时间而变化到目前为止，精确的细胞操纵-旋转或重新定向的测量对于磁镊子来说仍然是一项令人生畏的任务;因此，除了通常用于发育生物学中并且需要高驱动扭矩用于致动的较大模型生物之外，仍然不推荐将它们用于这两种情况。3.3. 声场法基于声场的镊子可以通过声波与固体、液体和气体的相互作用来实时控制物体，正如吴[135]首次提出的那样，transloc ate270μm乳胶颗粒和青蛙卵。这种技术可以应用于在宽的尺寸范围（0.1-1000 μ m）内操纵多种生物颗粒。声镊的应用到的工作原则：①驻波镊子，②行波光镊;③声流光镊。其中，前两类是利用外部声辐射力的直接操纵策略，后一类是利用流体流动诱导的间接操纵策略。3.3.1. 驻波镊驻波的特征在于能够形成声学势能场和机械场的稳定分布。根据声波的产生方法，驻波可以进一步分为两种亚型：表面声波（SAW）和体声波（BAW）。SAW沿着弹性材料的表面传播，通常在叉指换能器（IDT）上产生。等T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110118换能器可以将电信号转换成SAW并产生周期性分布的机械力。SAW可以像OT一样精确地移动颗粒、细胞或微生物，并且声场中的颗粒被推到声压节点（即，最小压力区域）或压力波腹（即，最大压力区域），这取决于颗粒的密度和可压缩性（图6（a）[136]）。此外，该技术可以独立于形状操纵粒子，并且可以并行操纵许多粒子;这两种类型的操纵对于OT都是不可能的[39]。此外，SAW具有颗粒对齐的潜力。Bernard等人[137]报道了非球形颗粒倾向于旋转并与各向异性势阱对齐此外，SAW的适用环境不限于粘性条件，例如在液滴中;例如，Yu et al.[138]报道可以形成具有环形图案的SAW场。在这类液滴中，由于声压分布随声幅的变化而变化，液滴内部Guo等人[139]利用这一现象来实现大量珠粒的聚集，形成特定形状，并将聚集的珠粒朝向信号输入重新定向。与通常用于操纵单个细胞的OT和电镊子相比，声镊子能够并行旋转大量细胞此外，Acoustic镊子（例如，小于5μm的颗粒上为150pN）具有较大的输出力对相同大小的颗粒相比，磁镊子（50 pN）或OT（10 pN）[39]。值得注意的是，为了稳定地操纵亚微米颗粒，所施加的声波的波长必须与颗粒的尺寸相当。BAW在压电换能器上产生，并且通常在微通道内使用。如图6（b）[136]所示，反射器上的反射波与原始波相互作用，在通道中产生压力波节和波腹，用于多细胞操作。此外，这些节点的数量可以通过调整相对于通道[140]的几何尺寸的电压频率来改变。目前，该技术通常用于细胞分离或聚焦，很少用于细胞平移和旋转。3.3.2. 行波镊如图6（c）和（d）[136]，行波镊子主要用于声悬浮。根据Ozcelik等人的综述[136]，根据所应用的发生器，它们可以大致分为两组：即主动方法和被动方法。关键的区别在于使用的换能器数量;对于前者，声波之间的相对相位延迟由传感器阵列产生并用于形成柔性压力节点;对于后者，仅一个换能器就足以实现复杂的声场分布和颗粒的动态控制。更具体地说，在2015年，Marzo等人[141]确定了几种主动方法，并报告称颗粒可以悬浮在半空中，通过调整每个传感器之间的相位延迟，可以实现颗粒旋转或平移，并可通过程序进行控制。此外，对于流体中的应用，Franklin等人[142]提出了一种简单紧凑的换能器，可以产生稳定的3D声阱，帮助颗粒克服流体中的重力;这些研究人员实现了平移操纵。在Andrade等人[143]的综述中，声悬浮方法被描述为具有将物体保持在固定位置以及在三维中旋转和平移物体在2016年，Melde等人[144]提出了一些被动方法，其中粒子可以在声学全息图中捕获和转移，但无法实现旋转操纵。最近，Muelas-Hurtado等人[145]报告了一种使用螺旋有源衍射光栅在空气中产生声学贝塞尔涡流的有效方法，该方法具有精确操纵的潜力。在此研究基础上，Li等[146]进一步分析了一阶和二阶声贝塞尔涡束的声辐射力矩，实现了对不同形状物体的高速柔性旋转操纵。由于由于有限的分辨率、低可控性和大的换能器尺寸，行波镊子还不能用于操纵微米级颗粒[147]。3.3.3. 声流镊声学镊子代表了声学和微流体的融合，并且可以通过微流体使细胞或小生物体见图6。各种声学镊子技术的图示。(a)基于SAW的驻波镊子;（b）基于BAW的驻波镊子装置;（c）主动行波镊子;（d）被动行波镊子;（e）声流镊子;（f）基于固体结构的声流镊子。复制自Ref。[136]经Nature Methods许可，©2018。T. 唐，Y。Hosokawa，T.Hayakawa等人工程10（2022）110119液体中吸收的声能。如图如图6（e）和（f）[136]所示，可控声流通常在高频振荡微泡或微结构周围形成。例如，放置在微流体环境中的振荡固体结构可以产生局部声流，如图7（a）所示，允许操纵在声涡流下被捕获和旋转的附近颗粒或细胞。此外，高频振荡结构可以由外部高频声波驱动。例如，Huang等人[148]报告称，通过调节施加到压电换能器的输入电压，微通道中锐边周围诱导的微涡流的流速是可编程的（图6（f））。到目前为止，Ozcelik等人已经实现了细胞围绕尖锐边缘的可控旋转。[17]旋转速度与电压信号和尖锐边缘结构相关：具有较小角度或较长长度的边缘可以有助于更高的旋转速度。此外，Feng等人[149]报告称，不对称的微结构可有助于在显微镜下进行面内或面外的在他们Feng等人成功地保持了猪卵母细胞的旋转速度恒定，并利用数值模拟研究了卵母细胞在声流中的旋转机制。除了具有尖锐边缘的微结构外，微泡可以类似地在微通道中形成局部微涡旋;Hashmi等人[150]总结了微流控装置中振荡微泡的功能和应用（图6（e））。值得注意的是，施加在生物样品上的力取决于大小，这意味着较大的微生物比较小的细胞更容易受到较大的旋转扭矩的影响。此外，已经表明，单元的旋转速率作为驱动电压的平方函数而变化[16]。因此，理论上，由声流引起的细胞或颗粒的旋转速度可能有助于以区分它们在相同激励电压下的大小。然而，从长期来看，微泡的声学参数是不稳定的，因为微泡的尺寸和几何形状容易变化。此外，两种结构的空间分辨率（即，微泡和锐边结构）的低，这限制了它们的实际应用。图7.第一次会议。基于流体动力学场的可控细胞旋转策略（a）微球垂直旋转的流型示意图（b）通过在两个垂直微通道的接合处的平面延伸流场产生流体动力学阱（c）二维模拟区域示意图和回流区模拟(d)基于振动诱导流动的细胞旋转。VSin：模拟的