原子力显微镜对聚丙烯酰胺凝胶以及细胞结构和力学性质的研究

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1、重庆大学硕士学位论文原子力显微镜对聚丙烯酰胺凝胶以及细胞结构和力学性质的研究姓名：范霞申请学位级别：硕士专业：生物物理学指导教师：叶志义20090605重庆人学硕士学位论文中文摘要摘要在细胞的生长、分化、衰老、病变等过程中，常伴随着细胞骨架重构和力学性质的改变。在体外构建模拟体内环境的平台，并以此研究细胞的力学特性对于包括癌症在内的多种疾病的诊断、治疗以及药物的筛选具有十分深远的意义。研究细胞的力学特性对检测手段有相当高的要求。原子力显微镜(AtornicForceMicroscopy，AFM)由于拥有能够以纳米

2、级别的分辨率在液相及气相中检测样品形貌特征的同时检测样品表面力学性质，而且在检测过程中对样品的损伤小，因此成为细胞力学研究中十分重要的工具。本文主要通过原子力显微镜的形貌扫描和力学检测功能分别对聚丙烯酰胺凝胶以及细胞的结构与力学特性进行初步的研究，主要目的是为了建立一种AFM力学分析方法，并为将来更深层次的研究打下理论基础。本文主要实验结果如下：(1)利用本原CSPM5000型原子力显微镜对凝胶进行的5I．tm*51xm范围的图片扫描，从图中可以看到聚合比较均匀，铺展良好的凝胶表面高低起伏不会超过0．5nm。但是

3、当制胶过程中产生了气泡或是聚合不均匀时，凝胶表面会形成许多凹陷的小洞以及突起的颗粒物，深度或高度可达到3-5nm。此外通过赫兹模型对凝胶400nm压痕深度内的曲线拟合发现在7．5％丙烯酰胺单体以及0．6％交联剂浓度的情况下，凝胶的弹性模量大约为28kPa。(2)利用NanoscopeIVBioscopeIAFM检测肺癌细胞发现它基本呈现纺锤状形状，其长度可达40．60I．tm，高度约31xm。通过施加不同的加载速率于活细胞上时，发现细胞表面的杨氏模量会随着加载率的增高而增大，固定后的细胞确始终保持20kPa左右弹

4、性水平。有意思的是通过观察细胞回针曲线可以发现固定细胞表面与探针之间所发生的粘附解离事件以及解离力的大小会随着加载速率的降低而增大，而在活细胞表面出现解离事件的数量却微乎其微。(3)通过利用Sirghi等人建立起来的理论分析方法，在考虑探针与细胞表面粘附能的情况下，对力曲线中的回针区域进行拟合并得出细胞表面杨氏模量，通过与传统理论分析结果的比较发现，在相同的系统偏差内，该分析方法的结果要比传统方法的小，而且弹性模量会随着压痕深度以及AFM加载速率的增加而增大。关键词：原子力显微镜，聚丙烯酰胺凝胶，细胞，弹性模量，

5、粘附力ABSTRACTMostofcellphysiologicalandpathologicalprocesses，suchasdevelopment，differentiation，agingandcancerization，arealwaysaccompaniedbycytoskeletonreconstructionandchangesincellularmechanicalproperties．ConstructingasystemtOsimulateinternalenvironmentinvitro

6、andinvestigatingcellmechanicalpropertieswithitismeaningfultodiseasesdiagnosisandtherapyanddrugscreening．Theatomicforcemicroscopy(AFM)hasbeenanextremelyimportanttoolforBiologicalmechamicsduetoitsabilitytOmeasuresamplepropertieswithsubnanometerresolutioninairor

7、inliquidconditionsandwithminialdestruction．ItcannotonlyprovidesthecapabilitytOresolvesamplefeaturesatnanometerscalebutitalsoprovideslocalmechanicalinformationofsurface．Inthisthesisitfocusedonthestudyofthestructureandmechanicalpropertiesforthelungcanercella549

8、andpolyacrylamidegelwithAFM．Thepurposeofthisworkistosetupapracticalwayfordeterminingthemechanicalproperties，andmakingatheorybasisforthefuturewok．Thefollowingarethemaincontentsandreslutsof