考虑细胞的表面特异性粘附的纳米压痕表征方法研究

准确地表征生物细胞的力学性能和粘附性能对研究许多基本生物过程和病理过程都具有重要的意义。近年来纳米压痕方法在表征细胞的力学性能和特异性粘附性能时获得了越来越多的应用。但是，由于细胞的特异性粘附和普通的表面粘附作用机理不同，现有考虑表面粘附的纳米压痕模型并不能直接应用于细胞体系，这给利用纳米压痕方法定量表征细胞的力学性能和特异性粘附性能带来了较大的不确定性。本课题拟在现有工作的基础上，综合利用解析和数值手段，为细胞这种复杂体系建立考虑其结构特点及表面特异性粘附作用的纳米压痕模型，详细研究特异性粘附参数、力学性能参数和压痕测试条件对细胞压痕响应的影响，提出在表面特异性粘附作用下细胞压痕数据的解读方法，为利用纳米压痕方法研究细胞的力学性能和特异性粘附性能提供更为合理的分析方法。

项目“考虑细胞的表面特异性粘附的纳米压痕表征方法研究”以发展存在表面特异性粘附的生物细胞的压痕表征方法为研究目标，综合利用了解析和数值手段，为生物细胞这种复杂体系建立了考虑其结构特点及表面特异性粘附作用的纳米压痕模型。通过参数化计算，详细研究了粘附参数、力学性能参数和压痕测试条件对细胞压痕响应的影响。针对复杂的多参数反演问题，提出了一种通用的压痕数据反向分析方法，并应用于解读有表面特异性粘附作用下的细胞压痕数据，为利用纳米压痕方法研究细胞的力学性能和特异性粘附性能提供更为可行的分析方法。.　　　　本项目将化学反应动力模型和经典的接触模型结合，开发了基于有限元软件ABAQUS的表面接触模型，该模型可以较合理地描述受体-配体复合物浓度较高的粘附作用。为更好地描述受体-配体复合物浓度较低的特异性粘附作用，本项目将复合物分子模拟为独立的连接弹簧，复合物分子的形成和断开可以通过计算过程中“杀死”或“激活”连接弹簧来模拟，这种处理方法较好地重现了细胞纳米压痕测试中粘附力呈现阶梯状变化的现象。.　　　　本项目的核心研究成果之一是提出并实现了一种通用的压痕数据反向分析方法，该方法结合了有限元计算和Levenberg-Marquardt算法，理论上可以对任意的压痕数据进行反向分析，较好地解决了压痕反向分析中结果的存在性问题，而结果的唯一性则可以通过设置不同的初始值、然后利用最终结果的方差进行评估。.　　　　为进一步研究温度对压痕测试影响，本项目还初步搭建了温度可控的压痕测试系统，最高测试温度已达400℃，目前正对系统进行测试和完善。.　　　　本项目较好地完成了预设的研究目标，并为后续的高温压痕研究奠定了一定的基础。