基于压痕实验的细胞弹性模量拟合公式修正及应用

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:asdfghjki
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细胞弹性模量与细胞的分化、稳态、衰老、病变等多种生物学功能密切相关,准确测量细胞的弹性模量具有理论研究和临床应用意义。原子力显微镜(AFM)以其超高的灵敏度以及在生理条件下测试的能力,使其在测量细胞弹性模量方面应用最广泛。球形和锥形原子力显微镜探针是两种常用的测量细胞弹性模量的探针,目前通常使用Hertz公式和Sneddon公式对测得的力-位移曲线进行拟合,以获得细胞的弹性模量。但是由于实际压痕实验条件与公式假设的偏离,会造成细胞弹性模量的计算误差。因此,急需提出符合实际情况的修正公式以更准确地拟合细胞弹性模量。使用球形探针测量细胞弹性模量时,由于Hertz公式没有考虑细胞尺寸的影响,使其拟合结果会产生较大误差。我们通过有限元方法模拟球形探针压缩细胞的过程,与Hertz公式比较计算出相对误差。通过函数拟合的方式将相对误差拟合成细胞半径、细胞厚度、探针半径和压入深度的函数,进而提出一个修正公式。通过细胞压痕实验验证了修正公式的准确性。针对细胞厚度的不确定性,提出了一种修正公式的稳定性条件,并通过相对误差的函数求解出了满足稳定性要求的探针半径选取范围,对实验中球形探针尺寸的选择具有参考意义。使用锥形探针测量细胞弹性模量时,由于Sneddon公式没有考虑锥形探针头部存在的曲率半径,使其拟合结果会产生误差。我们通过有限元方法模拟锥形探针压入细胞的过程,与Sneddon公式对比计算出相对误差。通过分析数据将相对误差拟合成圆锥半角、圆锥头部曲率半径和压入深度的函数,进而提出了一个考虑圆锥头部曲率半径的修正公式。通过水凝胶的宏观压缩实验以及水凝胶和细胞微观压痕实验,验证了修正公式在消除锥形探针头部曲率半径的影响方面的作用。使用该修正公式可以更准确地拟合细胞的弹性模量。采用锥形探针,我们研究了电刺激对不同液态介质中人骨肉瘤细胞(MG63)弹性模量的影响。结果表明电刺激前三种液态介质中细胞的弹性模量存在显著性差异,该差异可能是由不同液态介质的黏附力和p H差异所致。电刺激后三种液态介质中的MG63细胞弹性模量均有显著下降,这是细胞骨架解聚与细胞膜和骨架的分离导致的,PBS缓冲液中弹性模量下降最多,DMEM+10%FBS培养基中弹性模量下降最少,这可能是不同液态介质中营养物质和胎牛血清的差异所致。
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