基于AFM的癌细胞机械特性和表面形貌研究

论文摘要

针对癌症病变机理及早期诊断的瓶颈问题,在微观水平从机械力学及细胞微观结构角度揭示癌细胞的特性变化,提出基于原子力显微镜细胞机械力学特性及表面微观形貌的研究,探索分辨率在纳米水平的细胞内部结构及机械力学特性的变化规律,为癌症的早期预报提供理论基础与参数依据。在癌变细胞的研究中,人们发现正常细胞发生癌变后,形状和内部结构会发生改变,癌变细胞的机械特性随之改变。通过癌变细胞的机械特性及微观形貌的变化规律的测量与分析,能提高癌症诊断准确率。本文结果表明:癌(正常)细胞中间比周围弹性模量小,正常细胞比癌细胞弹性模量值大。首先,在大气条件下对癌细胞和正常细胞分别进行扫描,建立了利用正交表设计实验和利用分形理论分析实验数据的方法,优化扫描参数,观察癌细胞和正常细胞表面形貌的异常。实验结果表明少突胶质细胞的最佳扫描参数是扫描电压2V,扫描频率2Hz,积分增益为1V,比例增益为3V,分析发现正常细胞表面细微结构清晰,且分形维数比癌细胞数值大。其次,应用扫描后的优化参数将细胞定位扫描,实现了癌变细胞的不同部位压痕实验,并按照赫兹接触理论计算压痕,进而计算弹性模量。在每个细胞上选择9个区域,在这9个小块中分别有一个小矩阵压痕点并得到弹性模量,建立了比较不同类型的细胞同区域、同细胞不同区域的弹性模量的方法。结果表明:癌细胞中间比周围软,正常细胞比癌变的细胞硬,两者相差3个数量级。接着对癌细胞进行动态特性的实验,并研究不同频率对于存储模量和损失模量的影响,分析细胞的粘弹性变化和癌细胞的转移特性。最后对癌细胞进行液态下的tapping模式成像和液态下的参数优化及图像分析,并记录扫描压力的变化影响。轻敲模式的液下成像和空气中的对比,结果表明液态下的干扰力更少,扫描电压减小,图像更为清晰。相位图颜色的深浅显示出弹性模量和机械特性的变化,并和计算出来其的大小区域对应起来。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 细胞的生物医学研究方法
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 基于AFM 形貌检测的扫描参数优化的研究
• 2.1 扫描参数的优化理论
• 2.1.1 成像仪器介绍
• 2.1.2 成像模式介绍
• 2.1.3 分形理论及分形维数的计算方法
• 2.2 扫描参数的设定
• 2.2.1 实验设计
• 2.2.2 实验数据
• 2.2.3 实验结论
• 2.3 正常细胞的大气成像
• 2.4 本章小节
• 第3章 细胞弹性模量检测的实验研究
• 3.1 纳米压痕实验理论基础
• 3.1.1 压痕实验的理论建模
• 3.1.2 压痕的数据处理
• 3.1.3 设备简介及工作原理
• 3.1.4 力曲线的测量原理
• 3.2 纳米压痕试验步骤与结论
• 3.2.1 纳米压痕实验步骤
• 3.2.2 压痕的实验结果
• 3.3 本章小结
• 第4章 细胞动态特性的研究
• 4.1 细胞的流变学理论
• 4.1.1 流变学理论
• 4.1.2 流变学理论建模
• 4.1.3 振荡剪切
• 4.2 动态测量实验
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 实验步骤及数据的处理
• 4.2.3 已研究所获得结论
• 4.3 本章小结
• 第5章 细胞的液态成像研究
• 5.1 细胞液态成像
• 5.1.1 实验设计
• 5.1.2 实验数据及分析
• 5.2 相位图的应用和分析
• 5.2.1 相位图的成像原理及应用
• 5.2.2 液态扫描的相位图分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢