Controlling and manipulating living cell motions in solution hold a high promise in developing new biotechnology and biological science. Here, we developed a magnetic tweezers device that employs a combination of two permanent magnets in up-down double-ring configuration axially fitting with a microscopic objective, allowing a picoNewton (pN) bidirectional force and motion control on the sample beyond a single upward pulling direction. The experimental force calibration and magnetic field simulation using finite element method magnetics demonstrate that the designed magnetic tweezers covers a linear-combined pN force with positive-negative polarization changes in a tenability of sub-pN scale, which can be utilized to further achieve motion manipulation by shifting the force balance. We demonstrate an application of the up-down double-ring magnetic tweezers for single cell manipulation, showing that the cells with internalized paramagnetic beads can be selectively picked up and guided in a controlled fine motion.

1.
I.
Pushkarsky
,
Y.
Liu
,
W.
Weaver
,
T.-W.
Su
,
O.
Mudanyali
,
A.
Ozcan
, and
D.
Di Carlo
,
Sci. Rep.
4
,
6279
(
2014
).
2.
X.
Wang
,
S.
Chen
,
M.
Kong
,
Z.
Wang
,
K. D.
Costa
,
R. A.
Li
, and
D.
Sun
,
Lab Chip
11
,
3656
(
2011
).
3.
L.
Chen
,
W.
Li
,
V.
Maybeck
,
A.
Offenhäusser
, and
H.-J.
Krause
,
Biomaterials
106
,
240
(
2016
).
4.
N.
Walter
,
C.
Selhuber
,
H.
Kessler
, and
J. P.
Spatz
,
Nano Lett.
6
,
398
(
2006
).
5.
D.
Ahmed
,
A.
Ozcelik
,
N.
Bojanala
,
N.
Nama
,
A.
Upadhyay
,
Y.
Chen
,
W.
Hanna-Rose
, and
T. J.
Huang
,
Nat. Commun.
7
,
11085
(
2016
).
6.
J.
Shi
,
D.
Ahmed
,
X.
Mao
,
S.-C. S.
Lin
,
A.
Lawit
, and
T. J.
Huang
,
Lab Chip
9
,
2890
(
2009
).
7.
S.
Kitagawa
,
C.
Kawaura
,
O.
Hashimoto
,
T.
Takahashi
,
M.
Naoi
, and
T.
Tsuda
,
Electrophoresis
16
,
1364
(
1995
).
8.
L.
Kremser
,
D.
Blaas
, and
E.
Kenndler
,
Electrophoresis
25
,
2282
(
2004
).
9.
E. W.
Jager
,
O.
Inganäs
, and
I.
Lundström
,
Science
288
,
2335
2338
(
2000
).
10.
I.
De Vlaminck
and
C.
Dekker
,
Annu. Rev. Biophys.
41
,
453
(
2012
).
11.
K. C.
Neuman
,
T.
Lionnet
, and
J.-F.
Allemand
,
Annu. Rev. Mater. Res.
37
,
33
(
2007
).
12.
I.
Vilfan
,
J.
Lipfert
,
D.
Koster
,
S.
Lemay
, and
N.
Dekker
,
Handbook of Single-Molecule Biophysics
(
Springer
,
2009
).
13.
A. S.
Adhikari
,
J.
Chai
, and
A. R.
Dunn
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
1686
(
2011
).
14.
A. S.
Adhikari
,
E.
Glassey
, and
A. R.
Dunn
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
13259
(
2012
).
15.
H.
Chen
,
H.
Fu
,
X.
Zhu
,
P.
Cong
,
F.
Nakamura
, and
J.
Yan
,
Biophys. J.
100
,
517
(
2011
).
16.
H.
Chen
,
G.
Yuan
,
R. S.
Winardhi
,
M.
Yao
,
I.
Popa
,
J. M.
Fernandez
, and
J.
Yan
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
3540
(
2015
).
17.
T.
Lionnet
,
A.
Dawid
,
S.
Bigot
,
F.-X.
Barre
,
O. A.
Saleh
,
F.
Heslot
,
J.-F.
Allemand
,
D.
Bensimon
, and
V.
Croquette
,
Nucleic Acids Res.
34
,
4232
(
2006
).
18.
Y.
Rondelez
,
G.
Tresset
,
T.
Nakashima
,
Y.
Kato-Yamada
,
H.
Fujita
,
S.
Takeuchi
, and
H.
Noji
,
Nature
433
,
773
(
2005
).
19.
F.
Amblard
,
B.
Yurke
,
A.
Pargellis
, and
S.
Leibler
,
Rev. Sci. Instrum.
67
,
818
(
1996
).
20.
E. M.
Puchner
and
H. E.
Gaub
,
Annu. Rev. Biophys.
41
,
497
(
2012
).
21.
M.
Kruithof
,
F.
Chien
,
M.
De Jager
, and
J.
Van Noort
,
Biophys. J.
94
,
2343
(
2008
).
22.
W.
Li
,
X.-M.
Hou
,
P.-Y.
Wang
,
X.-G.
Xi
, and
M.
Li
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
6423
(
2013
).
23.
X.-M.
Hou
,
X.-H.
Zhang
,
K.-J.
Wei
,
C.
Ji
,
S.-X.
Dou
,
W.-C.
Wang
,
M.
Li
, and
P.-Y.
Wang
,
Nucleic Acids Res.
37
,
1400
(
2009
).
24.
X.
Chu
,
L.
Gan
,
E.
Wang
, and
J.
Wang
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
E2342
(
2013
).
25.
J.
Wang
,
R. J.
Oliveira
,
X.
Chu
,
P. C.
Whitford
,
J.
Chahine
,
W.
Han
,
E.
Wang
,
J. N.
Onuchic
, and
V. B.
Leite
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
15763
(
2012
).
26.
S.
Ghosh
and
K.
Bhattacharyya
,
Chem. Rec.
16
,
601
(
2016
).
27.
A.
Tanaka
,
J.
Choi
, and
T.
Majima
,
RSC Adv.
4
,
59071
(
2014
).
28.
A. P.
Bartko
and
R. M.
Dickson
,
J. Phys. Chem. B
103
,
11237
(
1999
).
29.
Y.
He
,
V.
Govind Rao
,
J.
Cao
, and
H. P.
Lu
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2221
(
2016
).
30.
S. B.
Smith
,
L.
Finzi
, and
C.
Bustamante
,
Science
258
,
1122
(
1992
).
31.
A.
Revyakin
,
R. H.
Ebright
, and
T. R.
Strick
,
Nat. Methods
2
,
127
(
2005
).
32.
T.
Strick
,
J.
Allemand
,
D.
Bensimon
,
A.
Bensimon
, and
V.
Croquette
,
Science
271
,
1835
(
1996
).
33.
T.
Strick
,
J.-F.
Allemand
,
D.
Bensimon
, and
V.
Croquette
,
Biophys. J.
74
,
2016
(
1998
).
34.
T.
Van Der Heijden
,
R.
Seidel
,
M.
Modesti
,
R.
Kanaar
,
C.
Wyman
, and
C.
Dekker
,
Nucleic Acids Res.
35
,
5646
(
2007
).
35.
J.
Zlatanova
and
S. H.
Leuba
,
Biochem. Cell Biol.
81
,
151
(
2003
).
36.
H.
Shang
and
G. U.
Lee
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
6640
6646
(
2007
).
37.
Q.
Guo
,
Y.
He
, and
H. P.
Lu
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
13052
(
2014
).
38.
Q.
Guo
,
Y.
He
, and
H. P.
Lu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
13904
(
2015
).
39.
A.
del Rio
,
R.
Perez-Jimenez
,
R.
Liu
,
P.
Roca-Cusachs
,
J. M.
Fernandez
, and
M. P.
Sheetz
,
Science
323
,
638
(
2009
).
40.
A. H.
de Vries
,
B. E.
Krenn
,
R.
van Driel
, and
J. S.
Kanger
,
Biophys. J.
88
,
2137
(
2005
).
41.
H.
Ebrahimian
,
M.
Giesguth
,
K.-J.
Dietz
,
G.
Reiss
, and
S.
Herth
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
063701
(
2014
).
42.
A. R.
Bausch
,
W.
Möller
, and
E.
Sackmann
,
Biophys. J.
76
,
573
(
1999
).
43.
Z.
Yu
,
D.
Dulin
,
J.
Cnossen
,
M.
Köber
,
M. M.
van Oene
,
O.
Ordu
,
B. A.
Berghuis
,
T.
Hensgens
,
J.
Lipfert
, and
N. H.
Dekker
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
123114
(
2014
).
44.
J.
Lipfert
,
X.
Hao
, and
N. H.
Dekker
,
Biophys. J.
96
,
5040
(
2009
).
45.
M.
Barbic
,
J. J.
Mock
,
A. P.
Gray
, and
S.
Schultz
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1897
(
2001
).
46.
J. S.
Kanger
,
V.
Subramaniam
, and
R.
van Driel
,
Chromosome Res.
16
,
511
(
2008
).
47.
J.
Lin
and
M. T.
Valentine
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
201902
(
2012
).
48.
C.
Gosse
and
V.
Croquette
,
Biophys. J.
82
,
3314
(
2002
).
49.
A.-L.
Gassner
,
M.
Abonnenc
,
H.-X.
Chen
,
J.
Morandini
,
J.
Josserand
,
J. S.
Rossier
,
J.-M.
Busnel
, and
H. H.
Girault
,
Lab Chip
9
,
2356
(
2009
).
50.
S.
Bronzeau
and
N.
Pamme
,
Anal. Chim. Acta
609
,
105
(
2008
).
51.
D. C.
Meeker
, “
Finite element method magnetics
,” Version 4.2, 25 October 2015 Build, http://www.femm.info.
52.
J.
Lin
and
M. T.
Valentine
,
Rev. Sci. Instrum.
83
,
053905
(
2012
).
53.
B. G.
Hosu
,
K.
Jakab
,
P.
Bánki
,
F. I.
Tóth
, and
G.
Forgacs
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
4158
(
2003
).
54.
K.
Norregaard
,
R.
Metzler
,
C. M.
Ritter
,
K.
Berg-Sørensen
, and
L. B.
Oddershede
,
Chem. Rev.
117
,
4342
(
2017
).
55.
J.
Miyakoshi
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
7
,
305
(
2006
).
56.
S.
Kumari
,
S.
Mg
, and
S.
Mayor
,
Cell Res.
20
,
256
(
2010
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.