新型生物傳感器及其在相關(guān)生物物理研究中的應(yīng)用.pdf

1、低溫生物學(xué)和細(xì)胞力學(xué)是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中的兩個重要分支。本博士論文以冷凍保存血小板為主線，闡述了作者為解決血小板冷凍保存這一世界性難題，在上述兩個領(lǐng)域中所做的研究工作。
　　本文第一部分主要針對血小板冷凍保存環(huán)節(jié)中所面臨的如何更快速精確的測量生物材料導(dǎo)熱系數(shù)、如何更深入的認(rèn)識低溫冷凍期間水的跨膜傳輸特性和如何更準(zhǔn)確的預(yù)測胞內(nèi)冰形成概率這三個問題。筆者詳細(xì)介紹了一種基于微納米加工技術(shù)，可以對生物材料的微觀熱物性進(jìn)行高精度自動化測

2、量的微電子機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)工作;同時，還詳細(xì)闡述了使用該套系統(tǒng)在探索生物材料微尺度傳熱以及細(xì)胞冷凍損傷過程中所進(jìn)行的基礎(chǔ)性研究。
　　筆者通過微納米加工技術(shù)將傳統(tǒng)的熱物性探針微型化，并將熱探針的制造工藝工業(yè)化，將熱探針的精度校準(zhǔn)和測量過程自動化和標(biāo)準(zhǔn)化。筆者成功的在4英寸硅晶圓上將作為微探針能量發(fā)生單元和導(dǎo)熱系數(shù)測量單元的尺寸進(jìn)一步降低成線寬僅為3微米、線間距僅為5微米的蛇形高密度金屬熱絲。同時，微探針的分割切片技術(shù)也升級成為自由度

3、及加工精度都更高的感應(yīng)耦合等離子體深硅刻蝕技術(shù)，能夠更快更容易的制造出尺寸和形狀都更為多樣的微型熱物性探針（單針局部測量或陣列式多針多點(diǎn)測量）。通過對不同低溫保護(hù)劑和不同生物材料在不同溫度下進(jìn)行大量且系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)測量，筆者發(fā)現(xiàn)使用微納米加工工藝制造出的微型探針擁有更小的熱容，更緊湊的探針陣列，能更直接地與被測樣品接觸，通過使用不同結(jié)構(gòu)的熱探針可以更準(zhǔn)確、更靈敏、更可靠的對生物及其相關(guān)材料進(jìn)行單點(diǎn)微創(chuàng)式熱傳導(dǎo)系數(shù)的測量，或者獲得某個特定

4、區(qū)域內(nèi)的熱物性分布數(shù)據(jù)。整套芯片的制備過程已經(jīng)完成了從微納米加工與傳統(tǒng)精密制造工藝的混合制造到純微納米加工的轉(zhuǎn)型，能夠像生產(chǎn)集成電路一樣，實(shí)現(xiàn)高良品率、高物理和電學(xué)相似性的大批量生產(chǎn)，完美解決了傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)系數(shù)測量設(shè)備與方法在臨床應(yīng)用和科學(xué)研究上的缺陷與不足（只能對材料進(jìn)行離體檢測，設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，繁瑣的測量前準(zhǔn)備工作，靈敏度低，制造難度大等）。與此同時，本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還揭示出一直被廣泛采用的熱探針精度標(biāo)定過程存在嚴(yán)重缺陷，當(dāng)測量溫度和

5、標(biāo)定溫度不一致時，通過常規(guī)標(biāo)定過程所得出的熱探針系統(tǒng)精度校準(zhǔn)常數(shù)會導(dǎo)致最終測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。因此，本文提出了一套新的標(biāo)定與測量流程，有效確保了熱探針系統(tǒng)精度校準(zhǔn)常數(shù)的準(zhǔn)確性，使得最終測量結(jié)果的分析與處理過程標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、精準(zhǔn)化。并且根據(jù)所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過使用聯(lián)合擬合、方程組合等數(shù)據(jù)分析方法，筆者還首次提出了一種基于Second-order Polynomial和Filippov equation的可用于預(yù)測不同濃度的二元低溫保

6、護(hù)劑溶液在不同溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的雙因素（溫度和濃度）理論公式。
　　通過使用研發(fā)出來的微納米熱探針和低溫顯微鏡平臺，筆者還對細(xì)胞的跨膜水傳輸特性和胞內(nèi)冰形成概率進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，筆者使用了人子宮頸癌細(xì)胞作為概念證明實(shí)驗(yàn)里的實(shí)驗(yàn)對象。對人子宮頸癌細(xì)胞在不同降溫速率下體積的變化情況進(jìn)行了仔細(xì)深入的觀察與分析，對人子宮頸癌細(xì)胞的冷凍響應(yīng)特性（跨膜水傳輸性質(zhì)和胞內(nèi)冰形成概率）進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。使用Mazur提出的跨膜水傳

7、輸模型，聯(lián)合擬合得出人子宮頸癌細(xì)胞細(xì)胞膜的水傳輸參數(shù)，從而進(jìn)一步預(yù)測在其他冷凍環(huán)境下細(xì)胞跨膜水傳輸?shù)捻憫?yīng)規(guī)律。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)冰的形成主要分為Darkening和Twitching兩種類型。這兩種不同類型的胞內(nèi)冰形成機(jī)制很可能與最初所形成的胞內(nèi)冰大小密切相關(guān)。通過使用Toner提出的胞內(nèi)冰生成概率模型對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，筆者還發(fā)現(xiàn)該模型存在較為嚴(yán)重的弊端和局限性，因此筆者通過引入臨界體積這一新參數(shù)，提出了一種新的能更準(zhǔn)確預(yù)測胞內(nèi)冰生

8、成概率的改進(jìn)型理論模型。
　　利用微納米加工技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)微尺度熱探針是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)生物熱物理測量技術(shù)的完美結(jié)合。在傳統(tǒng)宏觀生物材料熱傳導(dǎo)系數(shù)測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，從微尺度、微創(chuàng)和集成的角度上，更加準(zhǔn)確、可靠和全面地研究生物活體材料及其相關(guān)材料的微尺度傳熱及損傷特性，這不僅可以幫助認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)生物材料在微觀傳熱過程中的本質(zhì)規(guī)律，還可以在生物材料或器官的低溫冷凍保存、低溫或聚能外科手術(shù)及相關(guān)傳熱領(lǐng)域中，提供必要的研究測量技術(shù)和理論依

9、據(jù)。
　　本文的第二部分主要針對冷凍血小板復(fù)溫后所面臨的如何快速可靠的對血小板功能進(jìn)行定量測量的問題。筆者詳細(xì)闡述了一種基于BioMEMS技術(shù)對對血小板收縮力進(jìn)行定量檢測的細(xì)胞微力測量系統(tǒng)的研發(fā)和使用該系統(tǒng)對血小板綜合性功能進(jìn)行評估的探索過程。激活后的血小板，其中后期的功能表達(dá)主要表現(xiàn)在用產(chǎn)生的血小板收縮力來強(qiáng)化和鞏固前期形成的松散的止血拴，讓止血栓能更牢固地粘附在受損血管的裂口處，繼續(xù)起到止血，維護(hù)血管壁完整性的作用。在本文中，

10、我們提出用血小板收縮力來做為檢驗(yàn)其中后期功能的新指標(biāo)，并詳細(xì)闡述了一種通過利用陣列微柱式微力感測系統(tǒng)對血小板收縮力直接進(jìn)行微力測量的技術(shù)。
　　筆者通過微納米加工技術(shù)制造出具有不同直徑(600納米-3微米)、不同高度（5-15微米）和不同微柱間距（1-3微米）的微柱陣列，而且用該微力感測系統(tǒng)首次測量并研究了處于納牛頓量級上半靜態(tài)下的血小板收縮力與外界生物蛋白、刺激劑和刺激時間等參數(shù)之間的關(guān)系，更首次在高倍微顯條件下動態(tài)觀測并分析了

11、血小板收縮力的整個產(chǎn)生、發(fā)展和變化過程。
　　通過陣列微柱式微力感測系統(tǒng)，血小板收縮力首次被高精度的測量出來，由此，為解決血小板功能性檢測這一世界性難題，提供了新的解決思路和辦法。為早期發(fā)現(xiàn)血小板功能異常，指導(dǎo)血小板抗凝藥物開發(fā)和闡明相關(guān)疾病的形成機(jī)理，提供了必要的技術(shù)設(shè)備和奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
　　總的說來，本論文針對血小板在低溫保存和復(fù)溫后功能檢測這兩個方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。成功研發(fā)出的兩種新型微納米生物傳感器，可