单细胞压痕实验分析

研究细胞变形与功能和力学刺激之间的关系是近年来生物力学领域的一个热点问题。这其中往往需要了解细胞的力学特性。另外，细胞力学特性的改变往往反映其结构和功能的变化。因此，分析和测量细胞的力学特性具有重要意义。原子力显微镜是测量单细胞力学性能的常用工具。目前基于原子力显微镜的压痕实验分析中多采用经典的各向同性弹性或黏弹性模型，这和实际情况有较大差别。本研究拟采用考虑亚细胞结构的本构方程建立细胞压痕实验的接触力学分析模型。通过系统分析细胞各组分本构模型参数和压痕实验响应之间的关系，建立反方法利用压痕实验响应确定细胞力学性能参数。进一步拟采用实验和所发展的反方法分析正常细胞和癌细胞压痕实验，为评价最近文献中提出的基于原子力显微镜的癌细胞探测技术能否用于临床提供有用信息。

本研究中，首先，通过将细胞考虑为黏弹性复合介质，系统分析了特征松弛模量这一关键力学参数与压痕实验响应之间的关系。同时，理论推导了耗散因子这一表征材料黏弹性的重要力学参数与动态压痕实验响应之间的关系，并采用有限元分析对理论解进行了验证。其次，考虑到基于原子力显微镜的单细胞压痕实验中，被压体经常经历有限变形，我们利用有限变形黏弹性本构模型研究了压痕实验响应和材料特性参数之间的关系。这里我们主要发展了表征材料粘性特性的黏弹性核函数的测量方法。受线性黏弹性压痕理论分析结果启发，通过有限元分析，我们证明了黏弹性核函数等于压痕松弛实验中正则化松弛载荷。鉴于正常细胞和癌细胞对弹性基底几何形貌可能的响应差异，研究了基于弹性屈曲制备各种表面形貌的方法。该方法的突出优点是可在不改变基底化学成分及物理特性的情况下，制备多尺度甚至多级表面形貌。通过系统的力学分析，建立了失稳形貌与系统几何和物理参数之间的关系，从而为实验提供指导。最后，基于Bose-3100生物力学实验机，搭建了软材料压痕实验平台。利用该平台验证了基于理论分析和数值模拟得到的表征测试方法。进而在NT-MDT原子力显微镜NTEGRA-Vita基础上，搭建了单细胞测试平台，该平台可方便地用于表征正常细胞和癌细胞在不同几何形貌基底上的力学特性。