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2012 年 第 57 卷 第 36 期：3533 ~ 3537 《中国科学》杂志社
论 文 SCIENCE CHINA PRESS
基于原子力显微镜微切削加工技术的癌细胞内部
弹性模量计算
① ①② ② ②③* ② ② ② ②
于淼 , 王景贺 , 王洪祥 , 刘利 , 闫永达 , 张俊杰 , 梁迎春 , 董申
① 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室, 哈尔滨 150001;
② 哈尔滨工业大学精密工程研究所, 哈尔滨 150001;
③ 哈尔滨医科大学附属第一医院第四神经外科, 哈尔滨 150001
* 联系人, E-mail: h_e2000@
2011-04-29 收稿, 2011-08-25 接受
国家自然科学基金和哈尔滨工业大学机器人研究所自拟项目(SKLRS200903C)资助
摘要 癌细胞机械力学特性的测量为癌症的诊断、预防、治疗、病变机理等方面的研究提供全 关键词
新的手段和巨大的潜在空间. 本文建立细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上切入深度 原子力显微镜
的计算模型, 利用原子力显微镜(AFM)单晶硅针尖对固定的卵巢癌细胞(UACC1598)和结肠癌 微切削加工
细胞(NCI-H716)进行微切削逐层去除. 结果表明: 由于不同细胞的结构和机械性质的差异, 相 内部弹性模量
同的加载力对不同的细胞材料进行切削加工时, 细胞和针尖之间的接触压力和针尖在细胞上
的切入深度差异较大. 细胞表面微切削去除范围为8 m×8 m, 在细胞上逐层去除材料时的加
载力从17.523 到32.126 N 逐渐增大, 去除后对每层不同位置进行弹性模量测量, 得到细胞内
部弹性模量分布, 细胞内部弹性模量与细胞表面弹性模量差分别为卵巢癌细胞0.288±0.08 kPa,
结肠癌细胞0.376±0.16 kPa. 用这种微切削去除方法可以测量细胞内部细胞骨架细胞器等各结
构的力学特性, 为疾病的诊断和治疗提供更精确的实验数据.
[1~4]
细胞对外界刺激的响应主要依赖于细胞骨架 , 内部各点的弹性模量分布, 得到细胞内部各点的微
[5~7]
细胞骨架由各种尺寸与刚度不同的细丝网组成 . 观形貌和弹性模量.
利用原子力显微镜(AFM)探针研究细胞表面力学特
1 材料与方法
性, 只能测量在细胞骨架支撑下细胞表面的弹性模
量[8~10], 而将细胞材料逐层去除后可以测量细胞内部 ( ⅰ) 样品制备. 卵巢癌细胞(UACC1598)和结
骨架和细胞器的弹性模量, 得到细胞内部弹性模量 肠癌细胞(NCI-H716)样品的制备过程相同, 细胞培
的分布. 这种测量方法可以使我们对细胞的力学特 养在含有 10％小牛血清(体积分数)和双抗(青霉素,
性有一个更全面的了解, 为细胞病理学及各种疾病 链霉素, 200 U/mL 的最终浓度)RPM I1640 培养基的
的研究提供更详细的实验依据. 因此, 对细胞内部力 12 孔板上. 在 37 ℃, 5％二氧化碳培养箱中培养, 细
学特性的研究是十分必要的. 胞生长在直径 1 cm 的盖玻片上. 选择生长良好的细
本研究利用AFM 纳米加工系统对细胞进行微切 胞, 将细胞用5 ％戊二醛在室温下固定15 min.
削加工, 应用Hertzian 理论对原子力显微镜纳米加
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