基于纳米机器人的细胞粘附力的定量研究

摘要

细胞粘附是一种对所有多细胞和单细胞生物都极其重要的基本现象，在组织生长、细胞间交流、细胞迁移、细胞新陈代谢、发炎和感染中起着重要的作用。对细胞粘附力的研究有助于揭示生命的奥秘，促使新的疾病诊断和治疗手段诞生，推动纳米生物力学的进一步发展，甚至为生物的基因改造提供信息。在众多的方法与技术中，原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）以其测力精度高、范围广且能在生理环境中检测等优势成为纳米生物力学中应用最广泛的研究手段之一。
　　基于自主研发的纳米机器人，本文应用改进的AFM单细胞力谱法对哺乳动物细胞的粘附力进行定量研究。在保持AFM单细胞力谱法高精度的同时，采用中空探针吸附细胞，代替了传统探针的化学修饰，提高了细胞粘附力的测试效率，为细胞力学的研究提供了新的测试技术与方法。主要研究内容包括：
　　首先，本文改进了传统的AFM单细胞力谱法，采用中空探针代替传统AFM探针。设计了中空探针气动装置，使中空探针内产生负压而吸附细胞，减少了固定细胞与标定探针所花的时间，提高了测试的效率。同时，该方法允许细胞和基底长时间的接触，扩大了粘附力的测量范围。
　　接着，本文对中空探针负压提拉细胞的过程进行了模拟。基于薄膜-液体连续介质粘附模型提出并建立了贴壁细胞的力学模型，利用有限元法对不同内径的中空探针负压提拉细胞的过程进行了仿真，得到了探针内径大小对细胞形变与应力的影响。
　　其次，本文分析了外力作用下粘附分子连接（Adhesion Molecular Bonds）的解离反应。基于液体中分子连接受力解离的布朗运动动理学理论，分析中空探针负压提拉细胞过程中粘附分子连接特性，得到了外力及其加载速率对粘附分子连接解离反应速率、寿命、强度的影响规律。
　　最后，本文采用改进的AFM单细胞力谱法对细胞与基底的粘附力进行测量。测量结果精确、效率高、范围广。应用该方法可以得到细胞粘附力与探针上升速度关系以及细胞粘附力与时间的关系。
　　基于纳米机器人系统，改进的AFM单细胞力谱法能够在液相中对细胞进行三维操作和粘附力测试，对纳米生物力学的研究具有推动效应，并为纳米科学的研究提供了新的途径。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 课题来源及研究内容

第2章 基于纳米机器人单细胞力谱法的改进及其气动装置设计

2.1 引言

2.2 纳米机器人系统

2.3 AFM单细胞力谱法及其改进

2.4 气动装置设计

2.5 对微米级物体的三维操作

2.6 本章小结

第3章 细胞建模仿真及探针的选取与装配

3.1 引言

3.2 细胞表面的粘附分子

3.3 薄膜-液体连续介质细胞模型

3.4探针吸取细胞的有限元仿真

3.5 中空探针的选取与装配

3.6 本章小结

第4章 细胞粘附分子连接的动态强度

4.1 引言

4.2 在液体环境中受力解离的布朗运动动理学基础

4.3 细胞粘附分子连接的解离过程

4.4 粘附分子连接的强度

4.5 本章小结

第5章 细胞粘附力的定量研究实验

5.1 引言

5.2 细胞粘附力测试实验方法

5.3中空探针的标定

5.4 系统初始化与实验材料

5.5 细胞-基底粘附力测量实验

5.6 探针上升速度对细胞粘附力的影响实验

5.7 接触时间对粘附力的影响实验

5.8本章小结

结论

参考文献

声明

致谢