第 1 章 緒論

20 世紀 70 年代末，在“生物力學之父”馮元楨的大力推動下，，生物力學作為一門新興的交叉學科在我國起步發(fā)展。生物力學是一門研究生命體的運動與變形的學科，主要是通過生物學的方法與力學原理的方法有機結合在一起，認識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問題[2]。近些年來，生物醫(yī)學與生物力學工程正在處于蓬勃發(fā)展的階段，研究的特點為由宏觀向微觀深入，生物力學和生物化學相結合[3]。細胞是生命實體與生命的最基本的單位，生物力學的研究與發(fā)展也一定會經(jīng)歷細胞層次上的力學研究——細胞力學。如今細胞力學是現(xiàn)代生物力學中特別重要的組成部分。當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胞層面的研究[4]�；罴毎�作為物理實體，它擁有的結構與物理性能使得細胞能夠承受生理環(huán)境里和體內、體外的機械刺激�；罴毎�在體內不斷遭受機械力的刺激，外部環(huán)境和內部的生理環(huán)境都會引起細胞的應力和應變。根據(jù)機械刺激的大小、方向和分布，細胞作出不同的響應。
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第 2 章 宮頸癌細胞表面形貌的研究

2.1 引言
細胞的表面形貌是了解細胞結構特征和生理學特性的基礎。細胞表面的微結構對細胞力學性質的研究也有很大的作用。細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胞的有效工具。本章用不同的顯微鏡對固定癌細胞的微觀形貌進行了觀察，并且分析微結構對細胞的作用與影響。

2.2 宮頸癌細胞的培養(yǎng)與處理
本文選擇 Hela 細胞為研究對象進行掃描實驗與壓痕實驗。它是用含 10%胎牛血清、100mg/ml 鏈霉素、100U/ml 青霉素的 RPMI1640 培養(yǎng)基把細胞培養(yǎng)到對數(shù)生長期，用胰蛋白酶常規(guī)消化成細胞懸液，然后接種到細胞培養(yǎng)皿中。在含有 5%的二氧化碳、溫度為 37℃、相對濕度為 95%的細胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)一天使細胞貼壁生長，如圖 2-1 所示為培養(yǎng)好的單層貼壁細胞，注意培養(yǎng)的整個過程要保證無菌操作。胎牛血清可以在細胞培養(yǎng)過程中提供生長必須因子，如微量元素、激素、礦物質以及脂肪。本文用的是固定細胞，所以培養(yǎng)好的活細胞還需要固定處理。如圖 2-2 為固定細胞所需要的 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，圖中左側的泡沫箱里帶有冰袋用于儲存固定液。固定的目的主要是：是盡量使細胞保持正常結構與形態(tài)；防止細胞的死后變化；防止抗原丟失；使細胞內的蛋白質、糖、酶、脂肪等各種成分轉變成不溶性物質；使組織中的各種物質沉淀和凝固起來，以便之后的觀測。 固定液需要滿足以下特點：滲透能力要很強，能迅速的滲入細胞內部，不會使細胞過度收縮或膨脹，并且能使細胞內易觀察的成分可以凝固為不溶性物質。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 細胞壓痕模型的建立..................... 27

第 4 章 宮頸癌細胞力學性能的研究............................38

4.1 引言.........................38

4.2 細胞壓痕的理論模型.......................38

結論...............................47

第 4 章 宮頸癌細胞力學性能的研究

4.1 引言
生物力學是研究生命體運動與變形的學科，生物組織的力學特性和其生命活動和功能息息相關[41]。細胞作為生命體結構與功能的基本單元，細胞的力學特性與其生理功能也有很大的關系。彈性模量、細胞硬度、粘彈性、粘附性等都是細胞力學性能的主要參數(shù)，這些參數(shù)與細胞結構有著密切的聯(lián)系。通過不同的試驗方法與技術可獲得這些參數(shù)，本章內容主要是用原子力顯微鏡來測得細胞的彈性模量參數(shù)，對細胞進行壓痕實驗得到力-距離曲線，用赫茲模型對曲線進行擬合求得彈性模量。

4.2 細胞壓痕的理論模型
細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]，此外還有把細胞作為粘彈性材料[44]、超彈性材料等，用對應材料對應的理論模型。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部應力本構關系。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剛性球體與一個彈性半空間的法向接觸問題[46]，其中球體的剛度遠遠大于彈性半空間體。接觸如圖 4-1 所示。測定力曲線時一般只能測定樣品與微懸臂之間的位移，很難準確測定探針與樣品之間的實際距離。因為在力測定過程中，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，樣品表面逐漸的接近探針，到達 B 點進入跳觸階段，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，此時探針與樣品間距離為 0。
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結論

細胞表面形貌及力學特性的研究對細胞病變檢查及預測具有重要意義。本課題主要利用原子力顯微鏡對癌細胞進行表面形貌與力學特性的研究，對癌細胞的識別與診斷有重要參考價值。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胞為研究對象，用三種不同的顯微鏡對癌細胞的形貌進行了全面的研究，確定了細胞的大約尺寸與厚度。用兩種顯微鏡對細胞表面粗糙度進行了測量，結果發(fā)現(xiàn)邊緣區(qū)域的粗糙度大于中間區(qū)域的粗糙度。偽足結構對癌細胞力學特性有很大的作用，偽足可以對細胞之間進行連接。2. 根據(jù)實驗得出的細胞尺寸與高度，以及壓痕實驗計算出的彈性模量，建立了細胞壓痕模型，得出壓痕的應力分布、變形圖和載荷位移曲線。改變不同的參數(shù)摩擦系數(shù)、細胞厚度、球頭半徑以及泊松比，分析了對載荷位移曲線的影響規(guī)律，從而也得出了不同參數(shù)的取值對壓痕實驗中計算彈性模量的影響。
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參考文獻（略）