细胞牵引力显微镜技术(traction force microscope, TFM)

细胞力学已从研究单个细胞力学性质逐渐发展到关注细胞与细胞、细胞与基底的相互作用。了解

细胞如何产生和感知力，以及这些力如何转化为生化信号，对于解决关于正常和病理状态下细胞行为的基本问题至关重要。如何精确地测量细胞对外界施加的力同样成为了生物力学研究中的关键问题。

细胞与外基质相互作用产生的主动作用力叫牵引力，对其进行表征可以使用TFM，该技术主要是由测量细胞外弹性基质的变形得到应变场，再通过反演算法重构细胞所产生的牵引力。将为许多牵引力失衡所导致的疾病（如癌症、组织纤维化、动脉粥样硬化等）的机理探究、诊断与治疗提供重要的理论支撑和检测、治疗依据。

TFM基本原理是将细胞培养在弹性模量已知且预先有荧光示踪粒子标记的基底上，当细胞收缩时会牵引基底产生变形，细胞所施加的这种机械力与基底的变形符合弹性力学基本假设，利用激光共聚焦显微镜记录荧光示踪颗粒的位移变化，即可得到基底的弹性变形程度，最终通过反演算法就能得到细胞施加的牵引力数据。该技术对于研究微环境对细胞的贴壁、迁移、生长分化等生理学功能的影响有极大帮助。

由于荧光微珠分布随机，常用的基底位移场的提取方法大致上可以分成两类，分别是基于模式识别技术的荧光粒子位移跟踪方法和数字图像处理相关方法。

具体方法是利用模式识别技术对变形前后图像中的荧光微珠的位置信息进行匹配，或计算变形前后图像两个子区域的互相关系数，对两张图像中的荧光微珠进行匹配，来获得基底的位移场。对于图形化弹性基底方法而言，由于基底表面的微凸台阵列是呈周期性规律分布的，且凸台的位移小于凸台分布的空间周期，故无需复杂的图像匹配算法，只需通过图像处理计算基底受力前后两张图像中各凸台的中心坐标，将相同凸台受力前后的中心坐标做差，获得各凸台的位移矢量，即可完成基底位移场的提取。