原子力显微镜在细胞力学特性研究中的进展

原子力显微镜(AFM)能够以高分辨率和高灵敏度实现液体环境下活细胞的操作和检测,利用AFM力曲线测量功能还可以获得细胞力学特性的相关信息。在简要介绍AFM力曲线测量原理的基础上,从细胞的杨氏模量、硬度和配体-受体之间相互作用力三个方面,详细阐述了近年来AFM在细胞力学特性研究中的发展状况,并着重介绍了其在细胞杨氏模量研究中的进展,表明AFM已经成为细胞力学特性研究中重要的生物显微技术。最后,针对AFM的不足及局限性,提出了目前存在的问题,并对AFM在细胞力学特性研究中的前景进行了展望。     

原子力显微镜技术在细胞研究中的进展

原子力显微镜(AFM)是生物显微技术的一个重要组成部分,可实现液体环境下活细胞高分辨率的成像与操作,为细胞生物学研究提供了新的方法。近年来,AFM已经逐渐发展成为集样品成像、力测量及操作等功能于一体的多功能生物细胞研究平台,在细胞研究中得到了广泛的应用。在简要介绍AFM组成与工作原理的基础上,详细阐述了近年来基于AFM成像与力谱技术的细胞研究的发展状况。针对AFM本身所存在的不足,介绍了AFM与其他技术相结合的研究成果,并对AFM在生物细胞研究中未来的发展方向进行了展望。     

原子力显微术应用于生物纳米结构表征与测量的研究进展

对目前基于原子力显微术(AFM)研究纳米生物结构的发展作了简要地概述,特别注意到AFM对生物纳米结构的表征与测量具有重要的意义。本文介绍了纳米生物结构形貌的AFM表征、粘弹性的AFM测量以及生物分子力的AFM测量三个方面,充分显示出了AFM应用于生物领域中研究与发展的显著优势和潜力。     

基于原子力显微镜的微桥机械特性测量

研究了基于原子力显微镜(AFM)的微桥机械特性的测量方法。通过微机电系统(MEMS)技术制备了可用静电力驱动进行机械振动的金属微桥。利用一套改进的商用AFM实验装置对测量方法进行了优化,并对微桥的共振频率进行了测量,所得实验结果与理论估算和仿真计算的结果基本一致。基于AFM的微桥机械特性的测量具有精度高和容易实现的特点,可作为测量平台扩展用于薄膜材料或微量液体的内耗、粘弹等性质的表征。     

原子力显微镜在液相条件下的成像分析

本研究利用原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)分别对Al2O3纳米模板、云母片及数字光盘在固相及液相务件下进行形貌扫描和云母片上的力 - 距离曲线测量.实验结果分析表明液相条件可以降低针尖的展宽效应,使得形貌成像更能够显示出物体的细微结构.在液相条件下,由于样品表面消除了静电效应和液体的阻滞力结果,力 - 距离曲线显示了较好的力均一性.这些结果为AFM实验技术研究生理条件下的生物样品的形态学及生物分子之间的相互作用力提供了实验可行性.     

原子力显微镜磁驱动轻敲模式在活细胞成像中的应用研究

应用MI公司最新发展的磁驱动轻敲模式(MAC mode)时体外培养成纤维细胞系3T3细胞进行在位成像研究.分别用力常数为0.95 N/m及0.03 N/m的微悬臂进行磁驱动轻敲模式成像,并与接触模式进行比较.同时研究了固定细胞与活体细胞之间的形貌差异.结果显示,利用上述两种微悬臂探针,磁驱动轻敲模式均可获得高分辨像.与接触模式相比,磁驱动轻敲模式对活细胞的影响较小,在细胞膜表面微结构及细胞内亚结构成像方面,有明显优势.而接触模式由于其施力方式,使活细胞应力纤维应激性绷紧,更适合于对活体细胞应力纤维的成像研究.固定细胞与活细胞表面形貌存在较大差异,在生理环境下,进行活细胞检测更能了解细胞的真实状况.     

一种基于正负半周联合成像的AFM成像方法

本文针对原子力显微镜(AFM)的扫描成像,提出了一种扫描过程中基于正负半周联合成像的AFM成像方法,该方法分析了AFM扫描过程中探针空降现象对扫描成像精度的影响,通过正负半周获得的扫描数据进行融合补偿,有效地降低了探针空降的影响,提高了扫描精度.最后通过对人肝癌细胞SMMC7721细胞的扫描实验对该方法进行了验证.     

PSD233型位置敏感元件的特性及其在AFM中的应用

给出了自制的 3mm× 3mm位置敏感元件 (PSD)的光谱响应特性 ,覆盖从紫外光、可见光到红外光 (32 0～115 0nm)的广阔区域 .采用光束偏转法对其时间响应特性和位置敏感特性进行测定 .阐述了PSD在卧式原子力显微镜 (AFM)系统中的应用 ,介绍了卧式AFM的工作原理和控制系统 ,提供了部分样品的AFM扫描图像 .结果表明 ,该AFM系统具有较高的成像效率以及良好的工作稳定性、图像重复性和对比度 ,系统的最大扫描范围为 5 μm× 5 μm ,分辨率达到 1nm量级 ,表明PSD在光谱响应、时间响应和位置敏感特性等方面具有优良性能     

数字全息技术在生物医学成像和分析中的应用

数字全息成像具有全视场、非接触、无损伤、实时性和定量化的独特优势,特别适合于无染色剂标记生物样品的定量三维重建和快速跟踪,在生物医学应用领域发展迅速。介绍了生物细胞的数字全息相衬成像原理,从细胞形貌测量、生物学参数、生理状态、药效反应和动力学分析几方面概述了数字全息成像方法在生物医学领域中的研究和应用进展,讨论了数字全息在生物医学方面的发展前景,并指出了数字全息成像所面临的挑战和亟待解决的技术问题。     

原子力显微镜对生理溶液中活细胞成像条件的研究

本文研究用原子力显微技术(AFM)在生理条件下对活细胞成像的基本方法,并对各种影响成像因素如针尖与细胞表面的非特异性相互作用、AFM悬臂弹性系数及细胞表面柔性等问题提供相应的解决方案。从而为AFM在成像的基础上对活细胞其它性质的研究提供基础。用本文方法清晰地显示了固定细胞与活细胞膜表面所具有的明显差别：活细胞膜完整平滑,固定细胞表面粗糙,边缘不整。     

子宫内膜异位症细胞微尺度刚度的初步实验研究

目的:基于原子力显微技术,建立子宫内膜异位症细胞力学性质检测方法,比较子宫内膜异位症在位与异位子宫内膜细胞的微尺度刚度,以进一步研究子宫内膜异位症发病机制。方法:采集子宫内膜异位症患者子宫内膜及其异位到卵巢的巧克力囊肿囊皮,并分别进行原代培养,利用原子力显微镜采集细胞力曲线,获取杨氏模量信息,进行统计分析。结果:在位腺上皮细胞的杨氏模量高于异位腺上皮细胞(2.96±1.48 kPa,1.47±1.15 kPa,P<0.05);在位间质细胞与异位间质细胞杨氏模量比较无明显变化(3.93±1.50kPa,3.14±1.65kPa,P>0.05)。结论:子宫内膜在位腺上皮细胞与异位腺上皮细胞力学特性不同,异位腺上皮细胞刚度降低,因此推论细胞刚度小更有利于细胞的迁移,本研究结果支持细胞迁移学说。     

宫颈上皮脱落细胞的微尺度力学性质及形貌学研究

目前临床中对宫颈脱落细胞的检查多局限于大体细胞形态学的观察.本文应用原子力显微镜及环境扫描电子显微镜对5例临床宫颈炎患者的宫颈脱落细胞进行了微区力学性质表征以及细胞表面微观形态的成像.结果显示,患者正常形态宫颈上皮脱落细胞在针尖压入深度为700 nm时杨氏模量近似正态分布,峰值在20～30kPa.且细胞表面微嵴明显,微...     

激光扫描共聚焦显微镜使用中荧光共定位的一种计算方法

激光扫描共聚焦显微镜在形态学、分子细胞生物学、神经科学和药理学等研究领域得到广泛地应用,荧光共定位计算是该仪器的一种重要应用功能.共定位计算的结果为肿瘤治疗过程中药物与肿瘤的作用机理研究提供了依据之一,推动了肿瘤精准定位治疗的发展.随着科技的进步和科研的深入,人们对共定位的分析结果要求越来越高.本文提出的激光共聚焦显微镜荧光共定位计算方法,通过3D构建和反卷积,获得了更加真实的荧光共定位计算结果.     

Adhesion and Mechanical Properties of PNIPAM Microgel Films and Their Potential Use as Switchable Cell Culture Substrates

Thermoresponsive poly(N‐isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgel films are shown to allow controlled detachment of adsorbed cells via temperature stimuli. Cell response occurs on the timescale of several minutes, is reversible, and allows for harvesting of cells in a mild fashion. The fact that microgels are attached non‐covalently allows using them on a broad variety of (charged) surfaces and is a major advantage as compared to approaches relying on covalent attachment of active films. In the following, the microgels’ physico‐chemical parameters in the adsorbed state and their changes upon temperature variation are studied in order to gain a deeper understanding of the involved phenomena. By means of atomic force microscopy (AFM), the water content, mechanical properties, and adhesion forces of the microgel films are studied as a function of temperature. The analysis shows that these properties change drastically when crossing the critical temperature of the polymer film, which is the basis of the fast cell response upon temperature changes. Furthermore, nanoscale mechanical analysis shows that the films posses a nanoscopic gradient in mechanical properties.     

Temperature‐Responsive Substrates: Adhesion and Mechanical Properties of PNIPAM Microgel Films and Their Potential Use as Switchable Cell Culture Substrates (Adv. Funct. Mater. 19/2010)

Thermoresponsive poly(N‐isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgel films are shown to allow controlled detachment of adsorbed cells via temperature stimuli. Cell response occurs on the timescale of several minutes, is reversible, and allows for harvesting of cells in a mild fashion. The fact that microgels are attached non‐covalently allows using them on a broad variety of (charged) surfaces and is a major advantage as compared to approaches relying on covalent attachment of active films. In the following, the microgels’ physico‐chemical parameters in the adsorbed state and their changes upon temperature variation are studied in order to gain a deeper understanding of the involved phenomena. By means of atomic force microscopy (AFM), the water content, mechanical properties, and adhesion forces of the microgel films are studied as a function of temperature. The analysis shows that these properties change drastically when crossing the critical temperature of the polymer film, which is the basis of the fast cell response upon temperature changes. Furthermore, nanoscale mechanical analysis shows that the films posses a nanoscopic gradient in mechanical properties.     

Manipulation of Stem Cells Fates: The Master and Multifaceted Roles of Biophysical Cues of Biomaterials

Owing to their self-renewal and differentiation ability, stem cells are conducive for repairing injured tissues, making them a promising source of seed cells for tissue engineering. The extracellular microenvironment (ECM) is under dynamic mechanical control, which is closely related to stem cell behaviors. During the design and fabrication of biomaterials for regenerative medicine, the physiochemical properties of the natural ECM should be closely mimicked, which can reinforce stem cell lineage choice and tissue engineering. By reproducing the biophysical stimulations that stem cells may experience in vivo, many studies have highlighted the key role of biophysical cues in regulation of cell fate. Optimization of biophysical factors leads to desirable stem cell functions, which can maximize the effectiveness of regenerative treatment. In this review, the main biophysical cues of biomaterials, including stiffness, topography, mechanical force, and external physical fields are summarized, and their individual and synergistic influence on stem cell behavior is discussed. Subsequently, the current progress in tissue regeneration using biomaterials is presented, which directs the design and fabrication of functional biomaterial. The mechanisms via which biophysical cues activate cellular responses are also analyzed. Finally, the challenges in basic research as well as for clinical translation in this field are discussed.     

MEMS微针的最新研究进展

介绍了MEMS微针技术在微针制备工艺、力学和流体性能模拟以及透皮给药方面研究的近况。描述了硅、金属和聚合物材料的微针制备工艺,分析了这些材料在MEMS微针应用上的优缺点。比如硅微针制备工艺成熟但是硅的质地太脆;金属微针机械强度高却不易载药;聚合物微针易于批量化复制但是机械强度差。进一步阐述了微针研究取得的进展,总结了微针技术发展需要解决的关键问题。微针制备工艺已经日趋成熟,微针将朝着可复制化、批量化方向发展,微针经皮给药将逐渐从动物实验转移到人体实验,以实现微针研究的最终目的——临床给药。     

风能收集型摩擦纳米发电机研究进展

有效地将自然界中的能量转换为电能对于构建环境友好型社会具有重要意义。摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator,TENG)是一种新型的机械能-电能转换装置,可实现将微弱机械能高效地转换为电能。在自然界众多的机械能中,风能因其分布广和储存量大而受到广泛关注。近年来,将风能高效率地转换为电能是TENG技术的研发重点之一。研究人员对此展开了细致的研究工作,获得大量研究进展。一般说来,风能收集型TENG的研究内容主要包括器件结构优化、摩擦起电材料的物理与化学改性以及电源管理电路设计优化。针对这些研究内容,详细介绍了近年来TENG在收集风能方面的研究进展,剖析存在的问题,并对其未来的应用和发展进行了展望。     

1维高反射等腰三角形亚波长光栅的研究

为了能够更深入地理解等腰三角形亚波长光栅,采用严格耦合波法对其进行了理论分析和研究,得到了等腰三角形亚波长光栅数值模拟结果。分析了光栅周期、光入射角对等腰三角形亚波长光栅特性的影响,并从内在磁场分布角度解释了等腰三角形亚波长光栅所表现出的高反射特性。结果表明,不同光栅厚度的等腰三角形亚波长光栅会表现出不同的特性,当光栅厚度在0.54μm~0.57μm之间,等腰三角形亚波长光栅具有宽反射的反射带宽,而当光栅厚度在0.58μm~0.66μm之间,又会表现出导模共振特性。该研究能够为将来制备高性能等腰三角形亚波长光栅提供理论指导。