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基于原子力顯微鏡微切削加工技術的癌細彈性模量計算
最近更新時間：2013-3-22
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基于原子力顯微鏡微切削加工技術的癌細彈性模量計算
來自哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱醫(yī)科大學的研究人員跨學科完成了卵巢癌細胞（UACC1598）和結腸癌細胞（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胞內(nèi)部細胞骨架細胞器等各結構的力學特性，為疾病的診斷和治療提供更的實驗數(shù)據(jù)。這一研究成果公布在一期《科學通報》上。
細胞對外界刺激的響應主要依賴于細胞骨架, 細胞骨架由各種尺寸與剛度不同的細絲網(wǎng)組成。利用原子力顯微鏡（AFM）探針研究細胞表面力學特性, 只能測量在細胞骨架支撐下細胞表面的彈性模量, 而將細胞材料逐層去除后可以測量細胞內(nèi)部骨架和細胞器的彈性模量, 得到細胞內(nèi)部彈性模量的分布。這種測量方法可以使我們對細胞的力學特性有一個更全面的了解, 為細胞病理學及各種疾病的研究提供更詳細的實驗依據(jù)，因此, 對細胞內(nèi)部力學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)對細胞進行微切削加工, 并應用Hertzian理論對原子力顯微鏡納米加工中的單晶硅針尖與細胞之間的接觸機理進行分析. 在納牛級載荷下, 將細胞材料逐漸去除后測量細胞內(nèi)部各點的彈性模量分布, 得到細胞內(nèi)部各點的微觀形貌和彈性模量。
由于不同細胞的結構和機械性質的差異, 研究人員發(fā)現(xiàn)相同的加載力對不同的細胞材料進行切削加工時, 細胞和針尖之間的接觸壓力和針尖在細胞上的切入深度差異較大。細胞表面微切削去除范圍為 8um×8um, 在細胞上逐層去除材料時的加載力從 17.523到 32.126uN逐漸增大, 去除后對每層不同位置進行彈性模量測量, 得到細胞內(nèi)部彈性模量分布, 細胞內(nèi)部彈性模量與細胞表面彈性模量差分別為卵巢癌細胞 0.288±0.08 kPa, 結腸癌細胞 0.376±0.16 kPa。
這項研究利用AFM測量得到細胞表面和內(nèi)部彈性模量，并提出了一種利用 AFM 對細胞進行逐層切削來測量細胞內(nèi)部彈性模量的新方法。通過計算得到, Hertzian理論對計算 AFM 加工過程中的力學特性同樣有效。
研究人員對AFM的測量結果進行研究和分析得到, 細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胞內(nèi)部結構的復雜性. 這種內(nèi)部力學特性的測量方法將為癌癥的診斷提供更的手段。
將細胞材料逐層切削后測量細胞內(nèi)部各點彈性模量, 經(jīng)過統(tǒng)計分析可以更地對比各種細胞彈性模量的差別, 排除了實驗點選取不當造成的誤差, 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，在進一步研究中, 將應用其他微觀成像儀器對細胞微觀力學特性進行檢測。