Discoverer生物型布里渊显微镜——水凝胶与软物质力学的三维表征
水凝胶作为一类具有三维网络结构的软物质材料，在组织工程、药物递送、细胞培养和生物传感等领域发挥着越来越重要的作用。水凝胶的力学特性——如弹性模量和粘性——直接影响细胞的粘附、增殖、分化和迁移，也决定了其在体内外的功能表现。然而，传统的水凝胶力学测试方法（如压缩测试、流变测试）往往提供的是宏观整体的平均力学数据，无法揭示微观尺度的力学异质性。布里渊显微镜的出现，使研究人员首次能够在水凝胶内部实现非侵入、无标记的三维力学成像。世联博研（北京）科技有限公司是该产品的核心合作伙伴。
一、水凝胶力学表征的传统挑战
水凝胶本质上是高度含水的聚合物网络，其力学特性受交联密度、聚合物浓度、含水量和微观结构等多种因素影响。传统的水凝胶力学测试方法面临的共性挑战包括：接触式测量可能破坏水凝胶的网络结构（尤其对于低模量水凝胶）；传统的流变学和压缩测试只能获得宏观整体的力学数据，无法揭示空间异质性；水凝胶在测试过程中易失水或膨胀，导致力学特性的动态变化。
布里渊显微镜采用非接触、无标记的方式，通过分析散射光的布里渊频移获取力学信息，可在水凝胶保持完整湿润状态的条件下，实现亚微米级空间分辨率的力学成像。这一能力使研究人员首次能够“看到”水凝胶内部的力学异质性，追踪其随时间的变化，并在细胞培养过程中实时监测力学环境的演变。
二、水凝胶力学异质性的可视化
当水凝胶中的交联密度或聚合物浓度存在空间分布不均匀时，其力学特性也会随之变化。布里渊显微镜可在三维空间中逐点获取布里渊频移和线宽信息，生成水凝胶的“力学CT图像”。研究人员可直接观察到水凝胶内部的刚度分布——交联密度高的区域呈现较高的布里渊频移（更硬），而交联密度低的区域呈现较低的布里渊频移（更软）。在肿瘤研究中，研究人员将MCF-7细胞包埋在PEG-肝素水凝胶中。在顺应性水凝胶（1-2 kPa）中，部分球体发育出中央腔结构——这是乳腺形态发生的特征结构，通常在肿瘤发生过程中会消失。布里渊显微镜以亚细胞分辨率区分了细胞核和核仁等细胞器的力学特性。
三、软物质研究的应用方向
Discoverer在软物质研究中的应用覆盖多个方向：
水凝胶力学表征：在PEG-肝素水凝胶、Matrigel、胶原蛋白凝胶等系统中，系统可高精度测量水凝胶的布里渊频移和线宽，反映其弹性模量与粘性特性。在微流控诱导快速形变下的乳腺肿瘤球体研究中，布里渊显微镜揭示了肿瘤球的力学响应。模拟体内应力的循环机械形变深刻影响肿瘤生理，在乳腺癌肿瘤球体中，早期应激响应调节因子ATF3的表达显著上调了48倍。
聚合物与生物材料：布里渊光谱最初就被用于测量从橡胶到陶瓷等广泛材料的力学特性，在研究软物质和复杂材料方面尤为有效。布里渊显微光谱已被证明能够准确测量一系列新型生物相容性聚合物的微观力学特性，这一能力对于推动组织工程、药物递送和心血管健康等生物医学技术的发展至关重要。
多孔介质与凝胶：在多孔材料和凝胶体系中，布里渊显微镜可检测其力学特性的空间分布，为优化材料的设计提供反馈。
四、联合细胞培养的实时监测
Discoverer的低光毒特性（780 nm）使研究人员可以在水凝胶中培养活细胞的同时，对水凝胶和细胞的力学特性进行实时监测。这一能力对于理解细胞-基质相互作用、追踪水凝胶在细胞培养过程中的降解和力学演变，以及评估组织工程构建体的成熟度，具有不可替代的价值。
特征与好处
特征 好处
全光学非接触测量，无需物理接触 避免接触式测量对水凝胶网络结构的破坏，保持样本完整性
亚微米级空间分辨率的力学成像 揭示水凝胶内部的微观力学异质性，而非仅提供宏观平均数据
可在水凝胶保持湿润状态下测量 直接获取水凝胶在生理状态下的力学特性，避免失水或膨胀带来的偏差
780 nm近红外激光，低光毒性 可在水凝胶中进行长时间活细胞力学追踪，不干扰细胞生理状态
适用于多种软物质体系 PEG-肝素水凝胶、Matrigel、胶原蛋白、聚合物薄膜等均适用
三维体积力学成像 获取水凝胶内部不同深度的力学信息，而非仅表面数据
| 技术特性 | 关键参数与说明 |
|---|---|
| 激发波长 | 780 nm 近红外激光，低光毒性 |
| 光谱分辨率 | < 1 pm，可检测水凝胶内部细微的力学变化 |
| 成像方式 | 全光学非接触式，无需物理接触、无需标记 |
| 空间分辨率 | 亚微米级 |
| 成像维度 | 三维空间（XYZ）力学成像 |
| 适用样本 | 水凝胶（PEG-肝素、Matrigel、胶原蛋白等）、聚合物薄膜、生物材料 |
| 多模态兼容 | 可与明场、DIC、荧光、共聚焦同步成像 |
| 活细胞兼容 | 780 nm低光毒激光，可在水凝胶中实时追踪活细胞行为 |
| 定量参数 | 布里渊频移、线宽→弹性模量、粘性 |
