基于原子力显微镜生物组织的纳米加工检测一体化技术的研究

针对生物工程、组织工程等领域的肿瘤细胞材料，研究其细胞表面及内部纳米力学特性的空间分布规律，在微观尺度上从纳米力学角度深入研究和揭示细胞的发生、发展不同阶段的特定细胞内部三维形态和机械力学特性的特征改变规律。利用原子力显微镜纳米加工切片技术研究细胞内部的结构。提出了"基于原子力显微镜生物组织的纳米加工检测一体化技术的研究"这一交叉性研究课题。本研究自行设计并搭建基于原子力显微镜的大范围三维微动工作台，实现宏观的加工范围、微纳米级的加工及检测精度，对生物组织进行微纳米加工，加工后在线进行细胞三维形貌和纳米力学特性原子力显微镜测量，利用AFM碳纳米管针尖进行微观结构扫描与重构，建立肺癌细胞微观结构及其机械力学特性综合分析评价体系，实现生物组织的加工-检测一体化。解决当前细胞组织切割后离线检测及单一形貌进行诊断的难题，本项目研究目的是满足当前对肿瘤细胞多参数评价的需求。

寻找有效的癌症早期诊断方法和治疗手段是医学界的研究热点。癌细胞是癌症的病源，定量研究癌细胞的力学特性，是进行癌症早期诊断和治疗的突破性手段。本研究从癌细胞微切削加工、静动态机械特性、三维微观成像等方面为癌症早期诊断及发病机理提供参考依据。.建立基于原子力显微镜的加工检测一体化三维微结构加工系统，基于AFM系统，设计控制单元，研究AFM弹性微悬臂探针在细胞刻划加工中的刻划深度形成规律，实现癌细胞的加工及检测。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，推导细胞微切削加工时针尖与细胞之间最大接触压力公式，并对细胞进行逐层微切削加工，得到细胞表面及内部各层弹性模量分布状况，得到正常肝细胞与肝癌细胞的微切削图像和加载力与加工深度的关系，得到各加载力作用下细胞切削层粘附特性的变化规律。.建立三维细胞模型，研究探针对细胞压痕过程的作用力，得到在不同针尖半径作用下的细胞内部各接触面的应力分布和变形情况；建立细胞受力数学模型，得到细胞表面弹性模量和粘度等因素对响应振幅、最大作用力、最大粘附力和最大压应力的影响规律；建立细胞动态流变特性测试系统，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。为微观尺度上操作、控制癌细胞提供基础研究。.设计并制造适用AFM的温控装置，实现细胞的液下检测环境温度保持恒定。利用原子力显微镜对生理状态下的活细胞进行压痕实验，研究非小细胞肺癌（NSCLC）细胞机械特性与其转移潜能的关系。首次对不同恶性程度的NSCLC 细胞机械特性的进行对比分析。建立癌症细胞机械特性的评价体系，发现恶性程度不同的三种细胞弹性模量关系及粘性特征。高转移性的大细胞肺癌NCI-H1299 与低转移性的A549 细胞相比，NCI-H1299 细胞的松弛模量ER 低26%、弹簧常数K1 低26%，表观粘性系数μ低23%。发现转移性的大细胞肺癌NCI-H1299 的蠕变参数明显小于非转移性肺鳞癌细胞NCI-H520，证明了肺癌细胞的顺应性和其侵袭性呈正相关。