癌细胞纳米力学性能测试方法的研究

论文摘要

癌症作为当今时代危害人类健康的头号杀手,在医学界备受关注。目前,对癌症的早期诊断和治疗都采用组织切片和放疗化疗等宏观方法,这些方法具有局限性和不确定性。本研究从纳米量级上对癌细胞进行深入研究,以期能从分子尺度上揭示癌细胞的病变机理和作用机制,为癌症的早期诊断和治疗提供新途径。本文基于原子力显微镜纳米原位测试系统等先进的测试设备,从细胞微观形貌和机械物理力学特性两方面对癌细胞的各种微观特性进行分析和研究。以细胞图像的平均粗糙度作为评定图像清晰度的指标,利用二次回归正交旋转实验,建立了细胞表面微观形貌预测模型,系统地分析了扫描参数对细胞成像质量的影响,得到了最佳的细胞成像条件,提出了在接近生理条件下观察活细胞的实验方法,为细胞微观成像研究领域提供了扫描参数的参考数据。设计并制造了温度控制仪,结合原子力显微镜对生理状态下的活细胞进行压痕实验,得到了癌细胞表面弹性特性和粘附特性,并对癌细胞与正常细胞弹性特性和粘附特性进行了对比分析。根据细胞弹性模量和粘附力的大小可以进行癌症诊断,为癌症的诊断提供了新途径。采用AFM纳米加工系统对癌细胞表面进行微切削加工和压痕实验,得到了细胞内部分层力学特性。对癌细胞压痕实验过程和微切削加工过程进行有限元仿真,将仿真所得的载荷-压深曲线与纳米原位仪的测量结果进行了对比分析,结果表明:理论计算与实验结果具有较好的一致性,从而验证了有限元分析结果的正确性。利用原子力显微镜结合SR830锁相放大器自行搭建了细胞动态性能测试系统,测量了细胞在不同外部噪声频率作用下的反馈信号,通过计算得到肺腺癌和肺鳞癌细胞的动态存储模量、损失模量、损失切量等动态流变特性。研究细胞的动态流变特性可以从微观尺度上操作、控制癌细胞,为癌症的治疗奠定基础。推导出细胞微切削加工时针尖与细胞之间最大接触压力的计算公式,并对细胞进行了逐层微切削加工,得到细胞内部各层弹性模量分布状况。结果表明,细胞每加工一层其表面的弹性模量分布是不同的,为细胞内部的细胞骨架和细胞器共同作用的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及课题研究的目的与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题研究的目的与意义
• 1.2 基于原子力显微镜的癌细胞表面微观形貌研究现状
• 1.3 癌细胞粘附特性的研究现状
• 1.4 癌细胞弹性特性的研究现状
• 1.5 癌细胞硬度的研究现状
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第2章 活细胞最佳成像条件研究
• 2.1 引言
• 2.2 AFM成像原理
• 2.3 影响原子力显微镜成像的因素分析
• 2.4 实验设计
• 2.4.1 实验条件
• 2.4.2 二次回归正交旋转设计
• 2.4.3 回归系数计算与回归方程求解
• 2.4.4 扫描参数对表面粗糙度的影响
• 2.5 不同模式下癌细胞表面微观形貌的对比分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于AFM的活细胞力学性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 纳米压痕过程描述及粘附力的确定
• 3.3 弹性模量E的确定
• 3.4 细胞骨架与细胞力学特性的关系
• 3.5 细胞弹性模量的测量
• 3.6 细胞表面粘附特性的测量
• 3.7 活细胞压痕实验有限元仿真
• 3.7.1 细胞模型
• 3.7.2 有限元模型的建立与网格划分
• 3.7.3 活细胞压痕实验仿真结果
• 3.8 本章小结
• 第4章 癌细胞动态特性测试
• 4.1 引言
• 4.2 幂指数定律模型
• 4.3 幂指数定律模型的导出
• 4.4 细胞动态特性检测方法
• 4.4.1 检测设备
• 4.4.2 小球针尖的制备
• 4.4.3 锁相放大器可调动态范围的确定
• 4.4.4 检测方案设计
• 4.5 检测结果分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 癌细胞微切削加工理论及实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 针尖与细胞之间Hertzian接触应力与切入深度计算
• 5.3 试验方法与步骤
• 5.3.1 微加工试验设备
• 5.3.2 微加工试验步骤
• 5.4 结果分析与讨论
• 5.4.1 细胞表面微加工深度与加载电压之间的关系
• 5.4.2 细胞组织分层力学特性
• 5.5 癌细胞刻微切削加工压入过程有限元仿真
• 5.5.1 有限元模型的建立
• 5.5.2 材料属性与边界条件设置
• 5.5.3 有限元计算结果分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢