基于原子力纳米成像的神经细胞电特性研究

发布时间：2020-06-22 02:38

【摘要】：纳米科学技术、信息科学技术和生命科学技术作为本世纪最具发展前途的三个领域,相互之间联系颇为紧密,互相交叉,相辅相成。例如原子力显微镜(AFM),作为一种在纳米科学领域的基础研究工具,同样在生命科学中备受欢迎。作为用纳米技术去探索生命大分子或者细胞秘密的代表工具之一,能够实现对细胞的形貌表征、细胞多种特性研究和对细胞、DNA和分子的操纵。众多神经系统疾病对人类构成了严重威胁,对神经细胞的物理或生物特性研究与众多神经系统疾病的了解和治疗具有重大研究意义。原子力显微镜的高精度、高便捷等特性在这方面的研究具有极大的优势和作用。本文基于对原子力显微镜的详细介绍和研究,提出了导电原子力压痕研究方法。该技术的目的在于对活体神经细胞等具有电学兴奋性的细胞进行原子力压痕实验的同时,通过压痕实验时探针和细胞的力学曲线判断两者接触情况,在纳米级探针尖刺入细胞膜的同时采集细胞膜电位的变化。该技术基于探针-细胞力学模型和探针-细胞的等效电路模型两者的理论提出的,由此自主设计了液相下细胞电学信号采集模块,弥补了原子力显微镜对于活体细胞电学特性研究这一空白。基于以上研究与系统设计,完成了对神经细胞膜的自我修复行为与修复时间关系的初步研究。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;R329.2
【图文】：

原理图,膜片钳技术,原理

细胞电学特性的研究发展至今，研究人员开发了多种检测技术。就目前而熟的技术有膜片钳技术、场效应晶体管、微电极阵列等。每一种测试技术处和不足之处。片钳（Patch Clamp）电生理检测技术是一种通过检测全细胞、单个或者几的电信号来研究细胞生理功能的技术[4]，属于一种细胞内电信号检测技术物物理研究所的 Neher 和 Sakmann 于 1976 年首创膜片钳技术，经过 40 余膜片钳技术已成细胞电生理特性研究的参考标准，现如今全自动膜片钳系更是标志着膜片钳技术的显著提升。Ebina 等人[7]在 2014 年提出了将膜片钙离子成像结合的技术，并借此方法采集并分析了小鼠神经元的突触电流sola 等人[8]设计了一种膜片钳与 AFM 相结合的工具，将原子力显微镜的探片钳微吸管一般空心管的样式，探针作为微吸管与心肌细胞膜进行封接，了心肌细胞的离子电流。但是膜片钳技术同样存在着不足，首先是对待测态要求苛刻，不允许有污染物或者杂质粘附在细胞膜上，再者就是因操作严重影响了实验的效率，实验测量通量仍然偏低[9]，设备昂贵等，因此膜片用率受到了限制。

电场效应,微电极阵列,场效应晶体管,半导体器件

更是成为生物医学、高通量药物筛选等领域的新兴研技术普遍存在一个兴奋性细胞与 MEA 表面电极耦合质量差，且对亚阈值突触电位无法检测的问题。为了克服仅记录细胞外场电位平台的固有局限性，许多实验室已经开发了用于细胞内记录的体装置中的大多数使用垂直纳米棒或纳米线，其穿透培养细胞的质细胞内微电极的方式记录电生理信号。2012 年，Xie 等人[11]利用的完成对心肌细胞动作电位长时间探测记录，还可检测到靶向离电位的细微变化。甚至，通过纳米电极的电穿孔和再密封过程可胞内进行记录。2015 年，Angle 等人应用纳米级电探针测量到了17 年，Lin 等人[13]制作了垂直纳米柱电极，通过高度局部化的电可以记录多达 60 个单独搏动的心肌细胞胞内动作电位。2018 年，一种类似于蘑菇状的 3D 微电极，成功“诱导”神经元“吞噬”具有细胞内记录特征的神经元动作电位和突触后电位。MEA 技术于检测通道数多、长期实时检测、对细胞无损伤，但也存在依赖度不紧密导致检测信号信噪比低的问题，严重地影响了检测信号的

【参考文献】