一种基于原子力显微镜检测组织力学性能的方法

摘要

本发明公开了一种基于原子力显微镜检测组织力学性能的方法，具体为采用原子力显微镜，对刚离体的组织在微观尺度下的力学性能进行了测试，主要包括软组织的弹性模量、塑性、粘附力以及微观硬度等性能。解决了生物软组织，尤其是内脏组织在微观尺度下力学性能难以测量的问题。从组织的选取、固定到检测、分析，对软组织和内脏组织的微观力学性能检测方法进行了确定。

说明书

技术领域

本发明属于仪器检测技术领域，具体涉及一种基于原子力显微镜检测组织力学性能的方法。

背景技术

随着人类对自身生理环境认知的不断深入，人体软组织的微观力学性能引起了越来越多的关注。由于生物力学与细胞生理状态或功能的相互依存性，细胞力学性能的测量逐步成为判定推断细胞或软组织状态或功能的标准之一。一方面，当软组织自身产生病变或其繁殖、生长等功能异常时，组织自身会呈现出力学性能的差异性，例如有研究发现癌细胞的弹性模量低于正常细胞的弹性模量。另一方面，当软组织或细胞所处的力学环境发生变化时，组织或细胞的正常功能表达也会存在异常。

食管组织作为消化道系统的一部分，当胃镜经食管组织输送至人体病变组织进行检测或治疗时，由于缺乏有效的力学反馈及触觉反馈，仅依靠传统显示屏操作胃镜往往会给术中病人带来极大的不适感，使得病人抵触内镜检查及手术。因此，食管组织的微观力学性能研究对消化道内镜进入人体后的交互力学研究及手术参数优化也具有重要的指导意义。

当前对于消化道组织的力学性能的研究，尤其食管组织的研究主要集中在单轴拉伸、膨胀及摩擦等宏观力学性能上，具体包括探究组织的粘弹性性能(应力松弛与蠕变)，拉伸力学性能(单轴拉伸与双轴拉伸)，膨胀力学性能(组织的轴向、周向及径向的力学性能)以及摩擦学性能(不同滑动速度，法向力及伸长率等)。由于内脏软组织器官呈现的粘弹性、超弹性、弹塑性等共存的属性，其微观力学性能不稳定，测试的难度较大，因此目前微观力学性能研究几乎没有，更多的是采用原子力显微镜研究细胞层面的力学性能。另一方面，目前国外有部分学者采用原子力显微镜测试了小鼠皮肤的力学性能，其皮肤组织的固定主要通过502等强力胶水，其平整性难以保证，组织的硬度加大，易于破环组织的结构属性，因此对于环境更复杂的内脏管道器官(含水量高)，其合适的组织固定方法尤为重要。

目前对于食管组织力学性能的检测集中于宏观层面以及细胞层面，而对于食管组织在微观尺度下力学性能的测试接近空白，缺乏一个系统的检测方法而无法满足软组织微观力学性能的获取及评价。另一方面，由于原子力显微镜对于待测试样的平整性较高，软组织的固定方式十分重要，目前离体皮肤的固定方式难以对食管组织有效。

发明内容

本发明的第一个目的在于，针对现有技术中软组织固定方法会导致组织不平整、增大组织硬度、破坏组织结构属性等问题，提供一种组织的固定方法。

本发明的第二个目的在于，提供一种基于原子力显微镜检测软组织微观力学性能的方法。

本发明所采取的技术方案是：

本发明的第一个方面，提供一种基于原子力显微镜检测组织力学性能的方法，包含以下步骤：

S1：组织固定：选择平整均匀的组织样本区域，固定组织样本；

S2：性能检测：使用原子力显微镜检测组织，采集数据；

S3：数据处理：通过步骤S2所采集的数据计算微观力学性能。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述步骤S1中通过上下两个平台将组织固定。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述上固定平台设有中空部，优选为方形。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述方形中空部尺寸为长度12～18mm，宽度为10～14mm。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述方形中空部尺寸优选长为12mm，宽度为10mm。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述下固定平台设有凸起部，优选为方形凸起，可使中间待测组织的高度超过上固定，避免针尖及其固定部件碰撞上固定。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述方形凸起的尺寸长为6～10mm，宽度为4～8mm。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述方形凸起尺寸优选长为10mm，宽度为8mm，可更好地用于上下两平台的定位固定。

进一步地，根据本发明第一个方面所述的方法，所述中空部尺寸为大于凸起部的尺寸，可将中间的组织凸出以便于测量并避免碰撞针尖及其装置针尖用平台。

进一步地，根据本发明第一个方面所述的方法，所述下固定的凸起高度不低于上固定平台高度。

根据本发明第一个方面所述的方法具体检测结果见，所述固定组织的具体操作为先将组织平铺在下固定平台上，保证其组织的松紧合适而不出现褶皱，组织与平台的接触不出现气泡，其中膜层内表面朝上放置，调节松紧，再将上固定平台盖住组织，同时去除平台外的多余组织，调节松紧度固定组织。

优选地，根据本发明第一个方面所述的方法，所述组织高于上固定平台，以避免测试平台除针尖外的其他部件接触组织及其固定平台。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述平台为钢片、玻片、有机玻璃及塑料等材料。

根据本发明第一个方面所述的方法，步骤S2所述检测组织的具体过程为：针尖靠近组织表面、针尖接触组织表面、针尖压入组织表面、针尖远离组织表面这四个阶段。

根据本发明第一个方面所述的方法，步骤S3的具体操作为将所采集的数据与Oliver-Pharr模型结合进行微观力学性能的计算。

根据本发明第一个方面所述的方法，所述组织为软组织或内脏组织。

优选地，所述内脏组织为食管组织、大肠或小肠。

优选地，所述软组织为皮肤。

本发明的第二个方面，提供本发明第一个方面在组织检测中的应用。

根据本发明第二个方面所述的应用，所述组织为软组织或内脏组织。

优选地，所述内脏组织为食管组织、大肠或小肠。

优选地，所述软组织为皮肤。

本发明的有益效果是：

1.针对生物软组织，尤其是内脏组织在微观尺度下力学性能难以测量的问题，本专利通过自主设计的组织加持方式，较好的固定住待测组织以满足原子力显微镜的测试需求。在此基础上，结合组织的准备以及测试、数据处理，完整的叙述了一个测试内脏管道组织(食管)微观尺度下力学性能的方法。

2.目前内脏组织在微观尺度下的力学性能数据几乎空白，本发明采用原子力显微镜，对刚离体的食管组织在微观尺度下的力学性能进行了检测，主要包括组织的弹性模量、塑性、粘附力以及微观硬度等性能。从组织的选取、固定到检测、分析，对内脏软组织的微观力学性能检测方法进行了确定。

附图说明

图1为组织固定示意图。

图2为原子力显微镜针尖的力-位移曲线模式。其中图A为力-位移曲线，图B为压痕曲线；其中a为针尖逐步撤离组织的过程，曲线b为针尖逐步压入组织表面的过程，c为针尖压入石英、玻璃等材料的线性应力应变曲线，也是悬臂梁弹性系数的校对曲线。

图3为实验数据的处理过程。其中图A为原子力显微镜悬臂梁的偏转与针尖的位移，图B为针尖的力压痕关系，图C为将力压痕曲线与Oliver-Pharr模型进行拟合；其中曲线a为针尖逐步压入组织表面的过程，曲线b为针尖逐步撤离组织的过程。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

微观力学性能(Micromechanical property)：人体软组织的微观力学性能主要包括弹性模量(Elastic modulus)、塑性指数(Plasticity)、粘附力(Adhesion force)及微观硬度(Hardness)等。

实施例1

一种基于原子力显微镜检测食管组织力学性能的方法，主要包括组织的选取、组织的固定、性能的检测以及相应的数据处理。

1.组织的选取

以食管组织粘膜层内表面的力学性能检测为例，首先选择刚离体的猪食管组织，在实验室去除食管组织的外肌肉层，保留内粘膜层。用手术刀沿着粘膜层的轴向剪开，选择平整均匀的组织区域，在4℃的PBS缓冲液中冷藏备用。

2.组织的固定

如图1所示，为食管组织粘膜层的固定方式，其中粘膜层内表面朝上放置。组织的固定采用上下两块医用不锈钢钢片完成(30mm-15mm-1.5mm)，其中上钢片中间开方形中空部(12mm-10mm)，下钢片中间则凸起方形钢片(10mm-8mm)。钢片两端开有线槽，整体的钢片-组织-钢片的“三明治”结构采用缝合线固定。

3.性能检测

原子力显微镜的针尖在检测食管组织力学性能的过程主要分为四个阶段，针尖靠近组织表面—针尖接触组织表面—针尖压入组织表面—针尖远离组织表面。在此过程中，通过对比原子力显微镜采集到的力-位移曲线与针尖在石英表面接触的力-位移曲线，确定采集到数据的有效性，即软组织的存在的粘弹性、超弹性等性能使得曲线是曲线型且有压痕产生。由于相应的软组织的微观力学性能检测方法较少，压痕的有无也是针尖采集的数据是否有效以及后续数据能否处理的判断标准。其中力-位移曲线如图2A所示，压痕曲线如图2B所示。

4.数据处理

在步骤3采集到的数据有效的情况下，由于软组织存在的粘弹性超弹性等特点，依据相关的文献对原子力显微镜采集到力学-位移曲线的卸载曲线与Oliver-Pharr模型结合，即可得到食管组织粘膜层的弹性模量及硬度。通过计算针尖在远离组织的过程中产生的最大拉力与针尖最终远离组织后的力之间的差值，即为组织表面的粘附力。通过计算力-位移曲线中加载卸载段曲线包含的面积与加载段横坐标轴间的面积的比值，即可得到组织的塑性指数。图3为实验数据的处理过程，其中图3A为原子力显微镜悬臂梁的偏转与针尖的位移(Deflection-Zsnsr)；通过胡克定律将悬臂梁的偏转转化为力，同时通过针尖的位移转化为针尖在组织上的压痕，可得到图3B针尖的力压痕关系(Force-Indention)；最后通过将力压痕曲线与Oliver-Pharr模型进行拟合，得到该曲线采集的弹性模量，塑性等微观力学性能，如图3C所示。可以计算出弹性模量为22.84kpa，塑性指数为0.27，粘附力为0.16nN、硬度为6.25kpa，其拟合度为χ

以上实施例仅为介绍本发明的优选案例，对于本领域技术人员来说，在不背离本发明精神的范围内所进行的任何显而易见的变化和改进，都应被视为本发明的一部分。