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这篇论文利用双成像显微镜技术，同时解析精子及其周围的三维（3D）流体动力学流场。研究发现精子鞭毛活动产生的 3D 超螺旋流结构像螺旋开塞钻一样推动细胞前进，该成果有助于理解精子运动机制及相关生殖过程。
研究背景
真核细胞（如精子、寄生虫和绿藻）通过鞭毛的弯曲实现运动，鞭毛波形的产生源于动力蛋白驱动的细胞骨架力、被动结构阻力和流体动力拖曳的平衡。目前实验测量和理论模型多基于简化模型描述精子和细菌周围的时间平均流场，但精子在雌性生殖道中运动时，其流场的时间依赖性和动态特性尚未完全明晰，现有测量技术在解析细胞 - 流体相互作用时存在时空分辨率不足的问题。
研究方法
- 微流控装置制备：运用标准接触光刻和软光刻技术，制造出深度为 10 - 100μm、宽度为 200μm 的直微通道，两端带有直径 3.5mm 的储液池作为入口端口。
- 种子颗粒和精子样本制备：对 500nM 红色荧光聚苯乙烯微球悬浮液进行离心、重悬处理，去除表面活性剂和防腐剂，将其注入微流控装置。解冻冷冻的公牛精液，稀释后用于实验。
- 双成像设置：搭建基于倒置荧光显微镜的双成像系统，配备两个同步相机，通过不同光学路径，分别利用微分干涉对比（DIC）和荧光显微镜技术，实现对精子和周围流场的同时成像。
- 实验程序：实验前对相机进行空间同步和校准，确保成像精度。将加载有种子颗粒的微流控装置置于显微镜载物台，记录精子和颗粒的图像序列。
- 图像分析：在 ImageJ 中对精子头部和鞭毛波形进行数字化处理，在 DaVis v.10.1 中进行 μPIV 速度向量计算，通过特定算法计算涡度场等参数。
研究结果
- 双成像同时解析精子运动和周围流场：成功开发双成像系统，以 100 帧 / 秒的速度对自由游动的公牛精子及其周围流场进行成像，无需使用染色或固定细胞，且在不同深度微通道中观察到相似的游泳模式和流场行为。
- 超螺旋流结构推动精子前进：精子鞭毛活动形成两对滚动的超螺旋流结构，通过与周围流体的相互作用，推动精子前进。精子在运动过程中，其头部和鞭毛周围的流场呈现周期性变化，速度和涡度在不同平面有所差异。
- 不对称流结构实现对称推力：计算精子周围流体的瞬时动能发现，精子推力主要在其矢状面产生，且不对称的流场结构随细胞体滚动，调节精子沿直线对称推进。
- 流场衰减符合模型预测：对精子周围流场进行时间和集合平均分析，发现其速度场和涡度场呈现特定分布，流场衰减模式符合力偶极 / 近壁应力 let 模型，即随距离 r 以 r-3的速度衰减。
研究结论
本研究通过双成像方法，精确解析了公牛精子的运动和周围流场，揭示了精子运动的机制，即通过鞭毛产生的超螺旋流结构实现推进。该方法可应用于多种游泳微生物，有助于深入理解它们的运动行为和生殖过程中的细胞 - 表面相互作用，为生殖医学等领域提供理论支持。
