基于压阻式悬臂梁传感器对细胞力学特性的研究

发布时间：2017-06-29 04:13

  本文关键词：基于压阻式悬臂梁传感器对细胞力学特性的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：细胞的力学特性关系着细胞的生长以及细胞自身的调节功能,细胞的变形和疾病之间是相关联的,这在细胞压痕试验中得以验证。压阻式微悬臂梁探针通过机械方法鉴定单个细胞的特性成为一种可能,同时由于微悬臂梁探针具有精度高以及能在生物环境中测量操作等特点,在纳米生物学上得到广泛的应用。同时还能通过悬臂传递样品受力情况,实现生物样品力学特性的测量。本文基于压阻式悬臂梁传感器对酵母细胞力学特性进行研究。本压阻式悬臂梁传感器不仅具备原子力显微镜(AFM)在纳米生物力学领域应用的优势,也具有低成本、外部电路简单、灵敏度高等优点。本论文得到的实验结果将为细胞力学特性研究提供更多参考,应用的设备和方法将为纳米生物力学领域的研究提供新的工具和技术选择。主要研究内容包括:第一部分,在国内外研究生物细胞的基础上,分析了生物细胞弹性模量的测量方法,弹性模量特性,粘附力特性。针对现有的研究方法,我们提出了基于压阻式悬臂梁传感器测量酵母细胞的力学特性的方法。第二部分,详细介绍了纳米压痕原理,并分析了可能对测量结果造成影响的因素,如压头形状,被测材料的表面形貌,零点定位。第三部分,基于压阻式悬臂梁传感器设计出测力装置。针对传感器输出信号微弱的特点,采用了直流电压激励电桥、仪表放大器、巴特沃斯低通滤波器、微调失调电压电路等技术。在扫描电子显微镜下,精确控制纳米驱动平台带动AFM探针探压传感器探针完成了力的标定。第四部分,完成了对酵母细胞进行压痕仿真分析和基于压阻式悬臂梁传感器测量酵母细胞弹性模量的实验。利用有限元软件ABAQUS并结合相关文献和实验数据进行仿真,模拟不同倾斜角的压头对酵母细胞进行了压痕仿真,得到不同倾斜角下细胞的力学曲线。在测量酵母细胞的力学实验中,采用MATLAB对实验数据进行了二次多项式曲线拟合,结合赫兹力学模型计算出酵母细胞的弹性模量。对实验数据和仿真数据进行了比对,数据的符合度较好。最后一部分,基于压阻式悬臂梁传感器测量细胞与针尖,细胞与基底的粘附力。在测量细胞与针尖的粘附力的实验中,采用单一变量法,分析了载荷大小和加载时间分别对粘附力造成的影响;在细胞与基底的粘附力实验中,分析了接触时间和不同基底对酵母细胞粘附力的影响。得到结论:加载时间和载荷都能使粘附力增大;带正电的载玻片明显比普通载玻片的粘附力大。
【关键词】：压阻式悬臂梁传感器 纳米压痕 酵母细胞 弹性模量 粘附力
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 课题研究的目的和意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-20
• 1.2.1 细胞的弹性模量特性的研究现状及分析12-17
• 1.2.2 细胞粘附力特性的研究现状及分析17-20
• 1.3 课题来源及主要研究内容20-21
• 1.3.1 课题来源20
• 1.3.2 主要研究内容20-21
• 1.4 本章小结21-23
• 第二章 纳米压痕原理23-33
• 2.1 压痕技术概述23
• 2.2 纳米压痕理论基础23-29
• 2.3 影响测量结果因素分析29-32
• 2.3.1 压头形状的影响29-30
• 2.3.2 被测材料表面形貌的影响30-31
• 2.3.3 零点定位的影响31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第三章 基于压阻式微悬臂梁传感器测力装置的实现33-48
• 3.1 压阻式微悬臂梁传感器33-37
• 3.1.1 压阻原理33-36
• 3.1.2 压阻式悬臂梁传感器探针结构36-37
• 3.2 基于压阻式传感器信号调理电路的实现37-43
• 3.2.1 惠斯通电桥37-38
• 3.2.2 前置放大电路38-41
• 3.2.3 巴特沃斯低通滤波器的设计41-43
• 3.3 悬臂梁传感器探针的力标定43-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 基于压阻式悬臂梁传感器测量酵母细胞弹性模量48-63
• 4.1 弹性模量的计算模型48-49
• 4.2 基于ABAQUS对酵母细胞的压痕力学仿真49-54
• 4.2.1 酵母细胞的模型参数49-50
• 4.2.2 酵母细胞有限元力学分析50-53
• 4.2.3 酵母细胞的力学仿真结果53-54
• 4.3 基于ABAQUS分析探针倾斜角对力测量的影响54-56
• 4.4 测量酵母细胞弹性模量实验研究56-61
• 4.4.1 实验装置和实验材料56-57
• 4.4.2 基于压阻式悬臂梁传感器探压酵母细胞57-59
• 4.4.3 压痕深度的确定59-60
• 4.4.4 实验结果分析与讨论60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第五章 基于压阻式悬臂梁传感器测量酵母细胞的粘附力63-76
• 5.1 粘附力的确定63-65
• 5.2 传感器探针测量细胞粘附力的方法研究65-67
• 5.2.1 探针针尖与酵母细胞粘附力测量方法65-66
• 5.2.2 酵母细胞与基底粘附力测量方法66-67
• 5.3 实验系统与实验材料67-68
• 5.4 探针针尖与酵母细胞粘附力测量实验68-71
• 5.4.1 探针针尖与酵母细胞粘附力测量实验过程68-69
• 5.4.2 加载时间对粘附力影响的研究69-71
• 5.4.3 载荷大小对粘附力影响的研究71
• 5.5 酵母细胞与基底粘附力测量实验71-74
• 5.5.1 酵母细胞与基底粘附力测量实验过程71-72
• 5.5.2 接触时间对粘附力影响的研究72-73
• 5.5.3 不同基底对粘附力影响的研究73-74
• 5.6 实验结果分析与讨论74-75
• 5.7 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 6.1 总结76-77
• 6.2 展望77-78
• 参考文献78-85
• 攻读学位论文期间公开发表的论文及科研成果85-86
• 致谢86-87

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