基于壓阻式懸臂梁傳感器對(duì)細(xì)胞力學(xué)特性的研究.pdf

1、細(xì)胞的力學(xué)特性關(guān)系著細(xì)胞的生長以及細(xì)胞自身的調(diào)節(jié)功能，細(xì)胞的變形和疾病之間是相關(guān)聯(lián)的，這在細(xì)胞壓痕試驗(yàn)中得以驗(yàn)證。壓阻式微懸臂梁探針通過機(jī)械方法鑒定單個(gè)細(xì)胞的特性成為一種可能，同時(shí)由于微懸臂梁探針具有精度高以及能在生物環(huán)境中測(cè)量操作等特點(diǎn)，在納米生物學(xué)上得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)還能通過懸臂傳遞樣品受力情況，實(shí)現(xiàn)生物樣品力學(xué)特性的測(cè)量。本文基于壓阻式懸臂梁傳感器對(duì)酵母細(xì)胞力學(xué)特性進(jìn)行研究。本壓阻式懸臂梁傳感器不僅具備原子力顯微鏡（AFM）在納

2、米生物力學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，也具有低成本、外部電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。本文得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為細(xì)胞力學(xué)特性研究提供更多參考，應(yīng)用的設(shè)備和方法將為納米生物力學(xué)領(lǐng)域的研究提供新的工具和技術(shù)選擇。
　　本研究分為五個(gè)部分：第一部分，在國內(nèi)外研究生物細(xì)胞的基礎(chǔ)上，分析了生物細(xì)胞彈性模量的測(cè)量方法，彈性模量特性，粘附力特性。針對(duì)現(xiàn)有的研究方法，我們提出了基于壓阻式懸臂梁傳感器測(cè)量酵母細(xì)胞的力學(xué)特性的方法。第二部分，詳細(xì)介紹了納米壓痕原理，并分

3、析了可能對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響的因素，如壓頭形狀，被測(cè)材料的表面形貌，零點(diǎn)定位。第三部分，基于壓阻式懸臂梁傳感器設(shè)計(jì)出測(cè)力裝置。針對(duì)傳感器輸出信號(hào)微弱的特點(diǎn)，采用了直流電壓激勵(lì)電橋、儀表放大器、巴特沃斯低通濾波器、微調(diào)失調(diào)電壓電路等技術(shù)。在掃描電子顯微鏡下，精確控制納米驅(qū)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)AFM探針探壓傳感器探針完成了力的標(biāo)定。第四部分，完成了對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行壓痕仿真分析和基于壓阻式懸臂梁傳感器測(cè)量酵母細(xì)胞彈性模量的實(shí)驗(yàn)。利用有限元軟件ABAQUS并

4、結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，模擬不同傾斜角的壓頭對(duì)酵母細(xì)胞進(jìn)行了壓痕仿真，得到不同傾斜角下細(xì)胞的力學(xué)曲線。在測(cè)量酵母細(xì)胞的力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，采用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了二次多項(xiàng)式曲線擬合，結(jié)合赫茲力學(xué)模型計(jì)算出酵母細(xì)胞的彈性模量。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，數(shù)據(jù)的符合度較好。第五部分，基于壓阻式懸臂梁傳感器測(cè)量細(xì)胞與針尖，細(xì)胞與基底的粘附力。在測(cè)量細(xì)胞與針尖的粘附力的實(shí)驗(yàn)中，采用單一變量法，分析了載荷大小和加載時(shí)間分別對(duì)粘附力造成