《單細胞壓痕實驗分析》是依託清華大學，由曹艷平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：單細胞壓痕實驗分析
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：曹艷平
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
研究細胞變形與功能和力學刺激之間的關係是近年來生物力學領域的一個熱點問題。這其中往往需要了解細胞的力學特性。另外，細胞力學特性的改變往往反映其結構和功能的變化。因此，分析和測量細胞的力學特性具有重要意義。原子力顯微鏡是測量單細胞力學性能的常用工具。目前基於原子力顯微鏡的壓痕實驗分析中多採用經典的各向同性彈性或黏彈性模型，這和實際情況有較大差別。本研究擬採用考慮亞細胞結構的本構方程建立細胞壓痕實驗的接觸力學分析模型。通過系統分析細胞各組分本構模型參數和壓痕實驗回響之間的關係，建立反方法利用壓痕實驗回響確定細胞力學性能參數。進一步擬採用實驗和所發展的反方法分析正常細胞和癌細胞壓痕實驗，為評價最近文獻中提出的基於原子力顯微鏡的癌細胞探測技術能否用於臨床提供有用信息。
結題摘要
本研究中，首先，通過將細胞考慮為黏彈性複合介質，系統分析了特徵鬆弛模量這一關鍵力學參數與壓痕實驗回響之間的關係。同時，理論推導了耗散因子這一表征材料黏彈性的重要力學參數與動態壓痕實驗回響之間的關係，並採用有限元分析對理論解進行了驗證。其次，考慮到基於原子力顯微鏡的單細胞壓痕實驗中，被壓體經常經歷有限變形，我們利用有限變形黏彈性本構模型研究了壓痕實驗回響和材料特性參數之間的關係。這裡我們主要發展了表征材料粘性特性的黏彈性核函式的測量方法。受線性黏彈性壓痕理論分析結果啟發，通過有限元分析，我們證明了黏彈性核函式等於壓痕鬆弛實驗中正則化鬆弛載荷。鑒於正常細胞和癌細胞對彈性基底幾何形貌可能的回響差異，研究了基於彈性屈曲製備各種表面形貌的方法。該方法的突出優點是可在不改變基底化學成分及物理特性的情況下，製備多尺度甚至多級表面形貌。通過系統的力學分析，建立了失穩形貌與系統幾何和物理參數之間的關係，從而為實驗提供指導。最後，基於Bose-3100生物力學實驗機，搭建了軟材料壓痕實驗平台。利用該平台驗證了基於理論分析和數值模擬得到的表征測試方法。進而在NT-MDT原子力顯微鏡NTEGRA-Vita基礎上，搭建了單細胞測試平台，該平台可方便地用於表征正常細胞和癌細胞在不同幾何形貌基底上的力學特性。
