原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

发布时间：2021-11-22 02:44

　　作为微纳尺度的力学工具,原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究,推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针,原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量,研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法,以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用,分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响,并对该领域的发展进行了展望。 

【文章来源】：实验流体力学. 2020,34(02)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

原子力显微镜示意图

图2展示了典型的振幅A和相位φ随驱动频率ω变化的曲线。当驱动频率ω为系统的共振频率ω0=(kc/m)1/2时，振幅A=F0/（ξω0），相位φ=-90°。不同于静态模式的力灵敏度受到布朗运动热噪声的限制，在动态模式下，原子力显微镜的力灵敏度可进一步提高。原子力显微镜在动态模式下利用锁相技术跟踪驱动频率ω或相位φ，仅检测驱动频率ω附近带宽为ΔB范围内的信号，从而消除其他频率的背景噪声。因此，动态模式的力灵敏度大小为[42]:

如图3(a）所示，原子力显微镜探针悬臂的长度通常为100～200μm，末端有一个微米尺度的锥型尖端，尖端的最小曲率为10nm量级，以提供纳米级的空间分辨率。但对于生物样品（如活细胞），一方面，锋利的尖端容易刺破细胞膜，对细胞造成损伤；另一方面，生物介质和细胞表面的生物大分子极易吸附于探针表面，产生极强的黏附性并造成空间分辨率的降低。因此，在使用原子力显微镜进行生物力学实验前，要根据实验对象对探针尖端形状及表面进行适当修饰。另外，原子力显微镜的生物力学实验对生物样品的制备和实验条件也有一定的特殊要求，本节对具体的实验条件和方法给出建议。2.1 特殊形状探针的制备

【参考文献】：
期刊论文
[1]从生物力学到力学生物学的进展[J]. 姜宗来.  力学进展. 2017(00)
[2]软物质中的理性连续介质力学基础[J]. 陈恩惠,杨锦鸿,李栋,赵亚溥.  物理学报. 2016(18)
[3]细胞—分子层次的多尺度力学—化学—生物学耦合[J]. 龙勉.  医用生物力学. 2016(04)



本文编号：3510773