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基于原子力顯微鏡微切削加工技術(shù)的癌細(xì)彈性模量計(jì)算
最近更新時(shí)間：2013-3-22
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基于原子力顯微鏡微切削加工技術(shù)的癌細(xì)彈性模量計(jì)算
來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)的研究人員跨學(xué)科完成了卵巢癌細(xì)胞（UACC1598）和結(jié)腸癌細(xì)胞（NCI-H716）微切削逐層去除，證明了這種這種微切削去除方法可以測量細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞骨架細(xì)胞器等各結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，為疾病的診斷和治療提供更的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這一研究成果公布在一期《科學(xué)通報(bào)》上。
細(xì)胞對外界刺激的響應(yīng)主要依賴于細(xì)胞骨架, 細(xì)胞骨架由各種尺寸與剛度不同的細(xì)絲網(wǎng)組成。利用原子力顯微鏡（AFM）探針研究細(xì)胞表面力學(xué)特性, 只能測量在細(xì)胞骨架支撐下細(xì)胞表面的彈性模量, 而將細(xì)胞材料逐層去除后可以測量細(xì)胞內(nèi)部骨架和細(xì)胞器的彈性模量, 得到細(xì)胞內(nèi)部彈性模量的分布。這種測量方法可以使我們對細(xì)胞的力學(xué)特性有一個(gè)更全面的了解, 為細(xì)胞病理學(xué)及各種疾病的研究提供更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，因此, 對細(xì)胞內(nèi)部力學(xué)特性的研究是十分必要的。
在這篇文章中，研究人員利用原子力顯微鏡（AFM）納米加工系統(tǒng)對細(xì)胞進(jìn)行微切削加工, 并應(yīng)用Hertzian理論對原子力顯微鏡納米加工中的單晶硅針尖與細(xì)胞之間的接觸機(jī)理進(jìn)行分析. 在納牛級(jí)載荷下, 將細(xì)胞材料逐漸去除后測量細(xì)胞內(nèi)部各點(diǎn)的彈性模量分布, 得到細(xì)胞內(nèi)部各點(diǎn)的微觀形貌和彈性模量。
由于不同細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性質(zhì)的差異, 研究人員發(fā)現(xiàn)相同的加載力對不同的細(xì)胞材料進(jìn)行切削加工時(shí), 細(xì)胞和針尖之間的接觸壓力和針尖在細(xì)胞上的切入深度差異較大。細(xì)胞表面微切削去除范圍為 8um×8um, 在細(xì)胞上逐層去除材料時(shí)的加載力從 17.523到 32.126uN逐漸增大, 去除后對每層不同位置進(jìn)行彈性模量測量, 得到細(xì)胞內(nèi)部彈性模量分布, 細(xì)胞內(nèi)部彈性模量與細(xì)胞表面彈性模量差分別為卵巢癌細(xì)胞 0.288±0.08 kPa, 結(jié)腸癌細(xì)胞 0.376±0.16 kPa。
這項(xiàng)研究利用AFM測量得到細(xì)胞表面和內(nèi)部彈性模量，并提出了一種利用 AFM 對細(xì)胞進(jìn)行逐層切削來測量細(xì)胞內(nèi)部彈性模量的新方法。通過計(jì)算得到, Hertzian理論對計(jì)算 AFM 加工過程中的力學(xué)特性同樣有效。
研究人員對AFM的測量結(jié)果進(jìn)行研究和分析得到, 細(xì)胞表面彈性模量和內(nèi)部平均彈性模量差異較大, 引起這種差異的主要因素是細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性. 這種內(nèi)部力學(xué)特性的測量方法將為癌癥的診斷提供更的手段。
將細(xì)胞材料逐層切削后測量細(xì)胞內(nèi)部各點(diǎn)彈性模量, 經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可以更地對比各種細(xì)胞彈性模量的差別, 排除了實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選取不當(dāng)造成的誤差, 為各種疾病的診斷提供可靠依據(jù). 這種微切削加工技術(shù)可能為癌癥的檢測和治療提供更和可靠的方法。研究人員表示，在進(jìn)一步研究中, 將應(yīng)用其他微觀成像儀器對細(xì)胞微觀力學(xué)特性進(jìn)行檢測。