第 1 章 緒論

20 世紀(jì) 70 年代末，在“生物力學(xué)之父”馮元楨的大力推動(dòng)下，，生物力學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科在我國(guó)起步發(fā)展。生物力學(xué)是一門研究生命體的運(yùn)動(dòng)與變形的學(xué)科，主要是通過生物學(xué)的方法與力學(xué)原理的方法有機(jī)結(jié)合在一起，認(rèn)識(shí)生命過程中的一些規(guī)律，并且解決生命和健康范疇的科學(xué)問題[2]。近些年來，生物醫(yī)學(xué)與生物力學(xué)工程正在處于蓬勃發(fā)展的階段，研究的特點(diǎn)為由宏觀向微觀深入，生物力學(xué)和生物化學(xué)相結(jié)合[3]。細(xì)胞是生命實(shí)體與生命的最基本的單位，生物力學(xué)的研究與發(fā)展也一定會(huì)經(jīng)歷細(xì)胞層次上的力學(xué)研究——細(xì)胞力學(xué)。如今細(xì)胞力學(xué)是現(xiàn)代生物力學(xué)中特別重要的組成部分。當(dāng)前癌癥研究也早已從宏觀的器官組織切片等方面的研究走向微觀的單細(xì)胞層面的研究[4]�；罴�(xì)胞作為物理實(shí)體，它擁有的結(jié)構(gòu)與物理性能使得細(xì)胞能夠承受生理環(huán)境里和體內(nèi)、體外的機(jī)械刺激�；罴�(xì)胞在體內(nèi)不斷遭受機(jī)械力的刺激，外部環(huán)境和內(nèi)部的生理環(huán)境都會(huì)引起細(xì)胞的應(yīng)力和應(yīng)變。根據(jù)機(jī)械刺激的大小、方向和分布，細(xì)胞作出不同的響應(yīng)。
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第 2 章 宮頸癌細(xì)胞表面形貌的研究

2.1 引言
細(xì)胞的表面形貌是了解細(xì)胞結(jié)構(gòu)特征和生理學(xué)特性的基礎(chǔ)。細(xì)胞表面的微結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的研究也有很大的作用。細(xì)胞尺寸很小需要用放大倍數(shù)比較大的顯微鏡來觀察。除了光學(xué)顯微鏡以外，激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡都是觀察細(xì)胞的有效工具。本章用不同的顯微鏡對(duì)固定癌細(xì)胞的微觀形貌進(jìn)行了觀察，并且分析微結(jié)構(gòu)對(duì)細(xì)胞的作用與影響。

2.2 宮頸癌細(xì)胞的培養(yǎng)與處理
本文選擇 Hela 細(xì)胞為研究對(duì)象進(jìn)行掃描實(shí)驗(yàn)與壓痕實(shí)驗(yàn)。它是用含 10%胎牛血清、100mg/ml 鏈霉素、100U/ml 青霉素的 RPMI1640 培養(yǎng)基把細(xì)胞培養(yǎng)到對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，用胰蛋白酶常規(guī)消化成細(xì)胞懸液，然后接種到細(xì)胞培養(yǎng)皿中。在含有 5%的二氧化碳、溫度為 37℃、相對(duì)濕度為 95%的細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一天使細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)，如圖 2-1 所示為培養(yǎng)好的單層貼壁細(xì)胞，注意培養(yǎng)的整個(gè)過程要保證無菌操作。胎牛血清可以在細(xì)胞培養(yǎng)過程中提供生長(zhǎng)必須因子，如微量元素、激素、礦物質(zhì)以及脂肪。本文用的是固定細(xì)胞，所以培養(yǎng)好的活細(xì)胞還需要固定處理。如圖 2-2 為固定細(xì)胞所需要的 4%的多聚甲醛固定液、PBS 磷酸鹽緩沖液，其中多聚甲醛要冷藏，否則容易失效，圖中左側(cè)的泡沫箱里帶有冰袋用于儲(chǔ)存固定液。固定的目的主要是：是盡量使細(xì)胞保持正常結(jié)構(gòu)與形態(tài)；防止細(xì)胞的死后變化；防止抗原丟失；使細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、糖、酶、脂肪等各種成分轉(zhuǎn)變成不溶性物質(zhì)；使組織中的各種物質(zhì)沉淀和凝固起來，以便之后的觀測(cè)。 固定液需要滿足以下特點(diǎn)：滲透能力要很強(qiáng)，能迅速的滲入細(xì)胞內(nèi)部，不會(huì)使細(xì)胞過度收縮或膨脹，并且能使細(xì)胞內(nèi)易觀察的成分可以凝固為不溶性物質(zhì)。本文選擇的 4%的多聚甲醛固定液是比較理想的固定液。

3.1 引言...........................27

3.2 細(xì)胞壓痕模型的建立..................... 27

第 4 章 宮頸癌細(xì)胞力學(xué)性能的研究............................38

4.1 引言.........................38

4.2 細(xì)胞壓痕的理論模型.......................38

結(jié)論...............................47

第 4 章 宮頸癌細(xì)胞力學(xué)性能的研究

4.1 引言
生物力學(xué)是研究生命體運(yùn)動(dòng)與變形的學(xué)科，生物組織的力學(xué)特性和其生命活動(dòng)和功能息息相關(guān)[41]。細(xì)胞作為生命體結(jié)構(gòu)與功能的基本單元，細(xì)胞的力學(xué)特性與其生理功能也有很大的關(guān)系。彈性模量、細(xì)胞硬度、粘彈性、粘附性等都是細(xì)胞力學(xué)性能的主要參數(shù)，這些參數(shù)與細(xì)胞結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。通過不同的試驗(yàn)方法與技術(shù)可獲得這些參數(shù)，本章內(nèi)容主要是用原子力顯微鏡來測(cè)得細(xì)胞的彈性模量參數(shù)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行壓痕實(shí)驗(yàn)得到力-距離曲線，用赫茲模型對(duì)曲線進(jìn)行擬合求得彈性模量。

4.2 細(xì)胞壓痕的理論模型
細(xì)胞的壓痕仿真所用的理論模型有很多種，最常用的就是赫茲接觸模型[42,43]，此外還有把細(xì)胞作為粘彈性材料[44]、超彈性材料等，用對(duì)應(yīng)材料對(duì)應(yīng)的理論模型。粘彈性材料主要的模型有 Maxwell 模型和 Kelivin 模型，超彈性材料主要模型有 Arruda-Boyce 模型[45]。本節(jié)主要講的是赫茲接觸理論模型以及接觸內(nèi)部應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系。赫茲接觸理論是比較經(jīng)典的接觸問題精確解法理論。最初的赫茲理論是說明一個(gè)剛性球體與一個(gè)彈性半空間的法向接觸問題[46]，其中球體的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性半空間體。接觸如圖 4-1 所示。測(cè)定力曲線時(shí)一般只能測(cè)定樣品與微懸臂之間的位移，很難準(zhǔn)確測(cè)定探針與樣品之間的實(shí)際距離。因?yàn)樵诹�測(cè)定過程中，探針與樣品之間有相互作用力，微懸臂有彎曲變形。樣品與探針之間的實(shí)際距離等于樣品與懸臂固定位置之間的距離減去微懸臂的變形量再減去樣品形變量。探針與樣品的作用力實(shí)際上是微懸臂的彈性力，它遵循胡克定律，作用力等于懸臂梁彈性系數(shù)乘以懸臂變形量。典型的力曲線如圖 4-3 所示。圖中力曲線可以分為幾個(gè)階段，A 部分是力曲線初始階段，樣品與探針之間有一段距離，微懸臂未發(fā)生形變，此時(shí)不受探針與樣品間力的作用，微懸臂處于自由狀態(tài)。隨著掃描管的不斷伸長(zhǎng)，樣品表面逐漸的接近探針，到達(dá) B 點(diǎn)進(jìn)入跳觸階段，探針受到吸引作用力向下彎曲，探針跳到樣品表面與之接觸，此時(shí)探針與樣品間距離為 0。
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結(jié)論

細(xì)胞表面形貌及力學(xué)特性的研究對(duì)細(xì)胞病變檢查及預(yù)測(cè)具有重要意義。本課題主要利用原子力顯微鏡對(duì)癌細(xì)胞進(jìn)行表面形貌與力學(xué)特性的研究，對(duì)癌細(xì)胞的識(shí)別與診斷有重要參考價(jià)值。本課題得出的主要成果如下：1. 本文選擇了研究較少的宮頸癌細(xì)胞為研究對(duì)象，用三種不同的顯微鏡對(duì)癌細(xì)胞的形貌進(jìn)行了全面的研究，確定了細(xì)胞的大約尺寸與厚度。用兩種顯微鏡對(duì)細(xì)胞表面粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)邊緣區(qū)域的粗糙度大于中間區(qū)域的粗糙度。偽足結(jié)構(gòu)對(duì)癌細(xì)胞力學(xué)特性有很大的作用，偽足可以對(duì)細(xì)胞之間進(jìn)行連接。2. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的細(xì)胞尺寸與高度，以及壓痕實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的彈性模量，建立了細(xì)胞壓痕模型，得出壓痕的應(yīng)力分布、變形圖和載荷位移曲線。改變不同的參數(shù)摩擦系數(shù)、細(xì)胞厚度、球頭半徑以及泊松比，分析了對(duì)載荷位移曲線的影響規(guī)律，從而也得出了不同參數(shù)的取值對(duì)壓痕實(shí)驗(yàn)中計(jì)算彈性模量的影響。
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參考文獻(xiàn)（略）