量化生物环境（例如细胞内部）和复杂流体（例如生物分子凝聚物）的力学响应，有助于更好地理解细胞分化和衰老过程，并加速药物发现。本文介绍了一种基于时间共享光镊微流变学的技术，用于确定生物材料的频率和年龄依赖性粘弹性特性。该方法通过将单个激光束分成两个几乎瞬时的时间共享光阱，同时进行力和位移测量，从而量化从千帕到毫帕范围内的机械性质。为了创建一个实用且稳健的纳米流变仪，我们结合数值和分析模型分析了典型偏差，并提供了纠正这些偏差的方法。我们展示了该技术的多功能性，包括测量MEC-2和CPEB4生物分子凝聚物的液-固相转变，以及量化斑马鱼祖细胞内细胞器的复杂粘弹性特性。在线虫中，我们发现核膜蛋白LMN-1、EMR-1和LEM-2的突变导致人类早衰症，在生物体老化过程中使肠道细胞的细胞质软化。我们证明了时间共享光镊微流变学可以快速表征细胞和蛋白质混合物内部的材料特性，可用于生物医学和药物筛选应用。
许多弱相互作用在体内个体分子之间产生复杂的频率依赖性响应，对自生和外部力做出反应。这种粘弹性力学对于许多生理和病理过程至关重要，包括但不限于细胞分裂、细胞迁移、机械传导和胞内运输。最近的数据表明，细胞及其成分对机械力的反应方式改变与癌症和神经退行性疾病有关。特别是，许多相分离的液体状凝聚物表现出与其机械性能相关的年龄依赖性变化。它们从液体状转变为凝胶或玻璃态与多种神经退行性疾病的不良预后有关。因此，获得其时间依赖性微流变特性的精确表征，可能为药物开发和诊断提供有价值的见解。
许多技术可用于表征细胞的流变特性，包括原子力显微镜、布里渊光谱和应变和应力的基因编码报告分子。然而，没有一种技术可以在活系统内部同时施加力并测量其对细胞力学和机械传导的影响。光镊特别适合于推导生物材料的材料特性，因为它们操作在皮牛范围内，这是分子相互作用的特征，并且可以使用非侵入性的红外激光光在三维空间中以亚纳米精度测量微米级物体的位置。这种测量小体积的能力还允许分析响应的异质性，而不是宏观测量提供的体积模量——这对于旨在理解亚细胞机械区室化的实验来说是一个关键点。基于光镊的主动微流变学是一种强大的技术，用于探测生物系统中细胞质、癌细胞球体和活动物及生物分子凝聚物（BMCs）的复杂流体的机械特性。该方法涉及测量悬浮在流体中的小颗粒（或嵌入粘弹性凝胶或细胞质中的颗粒）由于振荡光阱引起的运动。频率依赖性探针位移 (\hat{x}_{p}(\omega)) 对主动力 (\hat{F}(\omega)) 的响应捕捉了材料在整个流变谱上的弹性和粘性。
然而，要测量材料的机械和流变特性，需要同时记录应力和应变。因此，使用光镊需要两个激光束来测量光学力对光学捕获探针的作用及其由此产生的位移。在本文中，我们提出了一种使用单个时间共享激光束创建两个光阱的主动微流变方法——一个用于驱动主动振荡，另一个用于静态位移检测。我们开发了理论和实验研究BMCs、细胞和动物的流变特性，重点关注斑马鱼和线虫，以探讨材料特性、形态发生、衰老和疾病之间的关系。
为了概念化简化的微流变实验，我们考虑一个单激光源来驱动探针并测量其位移。激光在25 kHz下时间共享，生成两个交替位置的陷阱。因此，时间共享生成了一个不连续但准同步的应力/应变测量（图1a,b）。优点在于减少复杂性和对齐，并且由于共享激光源，陷阱具有相同的功率、位置灵敏度 (\beta_1=\beta_2 \equiv \beta) 和捕获刚度 (k_1=k_2 \equiv k/2)，其中 (k) 是两个陷阱刚度之和（图1a和补充文本1.2）。
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