宫颈癌细胞表面形貌及力学特性研究

第 1 章 绪论

20 世纪 70 年代末，在“生物力学之父”冯元桢的大力推动下，，生物力学作为一门新兴的交叉学科在我国起步发展。生物力学是一门研究生命体的运动与变形的学科，主要是通过生物学的方法与力学原理的方法有机结合在一起，认识生命过程中的一些规律，并且解决生命和健康范畴的科学问题[2]。近些年来，生物医学与生物力学工程正在处于蓬勃发展的阶段，研究的特点为由宏观向微观深入，生物力学和生物化学相结合[3]。细胞是生命实体与生命的最基本的单位，生物力学的研究与发展也一定会经历细胞层次上的力学研究——细胞力学。如今细胞力学是现代生物力学中特别重要的组成部分。当前癌症研究也早已从宏观的器官组织切片等方面的研究走向微观的单细胞层面的研究[4]。活细胞作为物理实体，它拥有的结构与物理性能使得细胞能够承受生理环境里和体内、体外的机械刺激。活细胞在体内不断遭受机械力的刺激，外部环境和内部的生理环境都会引起细胞的应力和应变。根据机械刺激的大小、方向和分布，细胞作出不同的响应。
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第 2 章 宫颈癌细胞表面形貌的研究

2.1 引言
细胞的表面形貌是了解细胞结构特征和生理学特性的基础。细胞表面的微结构对细胞力学性质的研究也有很大的作用。细胞尺寸很小需要用放大倍数比较大的显微镜来观察。除了光学显微镜以外，激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜都是观察细胞的有效工具。本章用不同的显微镜对固定癌细胞的微观形貌进行了观察，并且分析微结构对细胞的作用与影响。

2.2 宫颈癌细胞的培养与处理
本文选择 Hela 细胞为研究对象进行扫描实验与压痕实验。它是用含 10%胎牛血清、100mg/ml 链霉素、100U/ml 青霉素的 RPMI1640 培养基把细胞培养到对数生长期，用胰蛋白酶常规消化成细胞悬液，然后接种到细胞培养皿中。在含有 5%的二氧化碳、温度为 37℃、相对湿度为 95%的细胞培养箱中培养一天使细胞贴壁生长，如图 2-1 所示为培养好的单层贴壁细胞，注意培养的整个过程要保证无菌操作。胎牛血清可以在细胞培养过程中提供生长必须因子，如微量元素、激素、矿物质以及脂肪。本文用的是固定细胞，所以培养好的活细胞还需要固定处理。如图 2-2 为固定细胞所需要的 4%的多聚甲醛固定液、PBS 磷酸盐缓冲液，其中多聚甲醛要冷藏，否则容易失效，图中左侧的泡沫箱里带有冰袋用于储存固定液。固定的目的主要是：是尽量使细胞保持正常结构与形态；防止细胞的死后变化；防止抗原丢失；使细胞内的蛋白质、糖、酶、脂肪等各种成分转变成不溶性物质；使组织中的各种物质沉淀和凝固起来，以便之后的观测。 固定液需要满足以下特点：渗透能力要很强，能迅速的渗入细胞内部，不会使细胞过度收缩或膨胀，并且能使细胞内易观察的成分可以凝固为不溶性物质。本文选择的 4%的多聚甲醛固定液是比较理想的固定液。

3.1 引言...........................27

3.2 细胞压痕模型的建立..................... 27

第 4 章 宫颈癌细胞力学性能的研究............................38

4.1 引言.........................38

4.2 细胞压痕的理论模型.......................38

结论...............................47

第 4 章 宫颈癌细胞力学性能的研究

4.1 引言
生物力学是研究生命体运动与变形的学科，生物组织的力学特性和其生命活动和功能息息相关[41]。细胞作为生命体结构与功能的基本单元，细胞的力学特性与其生理功能也有很大的关系。弹性模量、细胞硬度、粘弹性、粘附性等都是细胞力学性能的主要参数，这些参数与细胞结构有着密切的联系。通过不同的试验方法与技术可获得这些参数，本章内容主要是用原子力显微镜来测得细胞的弹性模量参数，对细胞进行压痕实验得到力-距离曲线，用赫兹模型对曲线进行拟合求得弹性模量。

4.2 细胞压痕的理论模型
细胞的压痕仿真所用的理论模型有很多种，最常用的就是赫兹接触模型[42,43]，此外还有把细胞作为粘弹性材料[44]、超弹性材料等，用对应材料对应的理论模型。粘弹性材料主要的模型有 Maxwell 模型和 Kelivin 模型，超弹性材料主要模型有 Arruda-Boyce 模型[45]。本节主要讲的是赫兹接触理论模型以及接触内部应力本构关系。赫兹接触理论是比较经典的接触问题精确解法理论。最初的赫兹理论是说明一个刚性球体与一个弹性半空间的法向接触问题[46]，其中球体的刚度远远大于弹性半空间体。接触如图 4-1 所示。测定力曲线时一般只能测定样品与微悬臂之间的位移，很难准确测定探针与样品之间的实际距离。因为在力测定过程中，探针与样品之间有相互作用力，微悬臂有弯曲变形。样品与探针之间的实际距离等于样品与悬臂固定位置之间的距离减去微悬臂的变形量再减去样品形变量。探针与样品的作用力实际上是微悬臂的弹性力，它遵循胡克定律，作用力等于悬臂梁弹性系数乘以悬臂变形量。典型的力曲线如图 4-3 所示。图中力曲线可以分为几个阶段，A 部分是力曲线初始阶段，样品与探针之间有一段距离，微悬臂未发生形变，此时不受探针与样品间力的作用，微悬臂处于自由状态。随着扫描管的不断伸长，样品表面逐渐的接近探针，到达 B 点进入跳触阶段，探针受到吸引作用力向下弯曲，探针跳到样品表面与之接触，此时探针与样品间距离为 0。
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结论

细胞表面形貌及力学特性的研究对细胞病变检查及预测具有重要意义。本课题主要利用原子力显微镜对癌细胞进行表面形貌与力学特性的研究，对癌细胞的识别与诊断有重要参考价值。本课题得出的主要成果如下：1. 本文选择了研究较少的宫颈癌细胞为研究对象，用三种不同的显微镜对癌细胞的形貌进行了全面的研究，确定了细胞的大约尺寸与厚度。用两种显微镜对细胞表面粗糙度进行了测量，结果发现边缘区域的粗糙度大于中间区域的粗糙度。伪足结构对癌细胞力学特性有很大的作用，伪足可以对细胞之间进行连接。2. 根据实验得出的细胞尺寸与高度，以及压痕实验计算出的弹性模量，建立了细胞压痕模型，得出压痕的应力分布、变形图和载荷位移曲线。改变不同的参数摩擦系数、细胞厚度、球头半径以及泊松比，分析了对载荷位移曲线的影响规律，从而也得出了不同参数的取值对压痕实验中计算弹性模量的影响。
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参考文献（略）