[發(fā)明專利]一種力學(xué)生物學(xué)耦合測試系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610073409.5
• 申請日: 2016-02-03
• 公開（公告）號: CN105738254B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊磊;劉浩然;白艷潔;楊惠林
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 南京利豐知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發(fā)明提供一種力學(xué)生物學(xué)耦合測試系統(tǒng)及方法，其特點是通過下光路系統(tǒng)、上光路系統(tǒng)、生化培養(yǎng)系統(tǒng)對材料試樣與生物樣品界面進行高分辨率原位即時測量，得到界面力學(xué)及同步的生物學(xué)信號，并通過對信號的合成與處理分析獲得所需結(jié)果。本發(fā)明可以針對任意基底材料試樣以及任意生物樣品所組成的材料試樣與生物樣品界面，實現(xiàn)對力學(xué)與生物學(xué)信號同時進行高分辨率的原位即時測量。

[技術(shù)領(lǐng)域]

本發(fā)明涉及生物工程技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，具體涉及一種力學(xué)生物學(xué)耦合測試系統(tǒng)及方法。

[背景技術(shù)]

在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的臨床干預(yù)和治療中，植入型醫(yī)療器械和人工材料已經(jīng)成為快速增長的重大需求。然而，以骨科疾病為例，骨科植入物和人工關(guān)節(jié)材料依然面臨著一系列已經(jīng)困擾了人們數(shù)十年的世界性問題，如假體松動，磨損與腐蝕，應(yīng)力疲勞與失效以及所伴隨的生理和病理癥狀。以上問題基本可歸納為剛性植入材料與人體組織界面附近的力學(xué)失配(效)的結(jié)果。然而到目前為止，細胞或組織等生物樣品與材料表面力學(xué)適配狀態(tài)(或力學(xué)相互作用)很難用實驗手段來測量或表征，基本上只能通過理論模擬和計算來估計。

例如，目前常用的測量細胞或組織等生物樣品與材料試樣之間的力學(xué)狀態(tài)的方法有：

(1)原子力顯微鏡Atomic force microscopy

原子力顯微鏡的關(guān)鍵部件為納米尺寸的探針，當針尖在材料試樣表面進行掃描時，試樣與針尖的作用力會使懸臂發(fā)生彎曲，令通過懸臂背面的激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由光電檢測器檢測到，得到表面形貌圖像。在生物樣品的力學(xué)檢測中，原子力顯微鏡通常用于測量在材料試樣表面粘附的生物樣品(如細胞、組織片等)的黏彈性、硬度和剛度、生物樣品表面配體與材料受體之間相互作用力等。

(2)光鑷技術(shù)Optical tweezers

當強光照射在極小處時可產(chǎn)生1ˉ200pN的力，因此激光聚集可形成光阱，微小物體受光壓而被束縛在光阱處，移動光束可以使微小物體隨光阱移動。因此這種方法可以用于力生物學(xué)測量，例如，用纖連蛋白將珠子(由感興趣的材料制成)包覆，珠子因此可以粘附在細胞等生物樣品上，通過光束控制珠子移動，通過檢測珠子的位移，可獲得生物樣品剛度的和與材料表面相互作用的相關(guān)信息。

(3)磁珠微流控技術(shù)Magnetic bead microrheometry

在流體材料中，利用纖連蛋白將順磁體珠子包覆，可將珠子與細胞等生物樣品的骨架或配體直接相連。將珠子置于磁場中，通過光學(xué)顯微鏡可觀察到珠子由磁場引起的移動，可得到位移和作用力的相關(guān)信息，以此判斷生物樣品的力學(xué)性質(zhì)和與流體材料的相互作用狀態(tài)。

(4)微管吮吸技術(shù)Micropipette aspiration

將內(nèi)徑為1ˉ10um的吸移管與細胞進行接觸并提供吸力，在顯微鏡下直接觀察細胞的變形及移動。這項技術(shù)可用于中性粒細胞、紅細胞及外毛發(fā)細胞的生物力學(xué)測試，尤其適用于哺乳動物紅細胞的測試。

(5)牽引力顯微技術(shù)Traction force microscopy

細胞內(nèi)肌動蛋白骨架產(chǎn)生的收縮經(jīng)由粘著斑傳遞到細胞外基質(zhì)，會造成彈性基底的形變，牽引力顯微技術(shù)利用這種形變，拍攝變形前后基底熒光圖案，并提取表面變形信息，從而計算出細胞的牽引力場。

現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點：

牽引力顯微技術(shù)可在低細胞粘附密度下同時對多個細胞(一般小于10個)測試并計算細胞與材料的力學(xué)相互作用，但無法在高細胞密度(例如同時測量成百上千的細胞)條件下實施，不能測試整塊的組織或生物樣品，也無法在剛性或不透明基底材料上進行測量，且在測量時，無法對細胞進行生物學(xué)測試，無法得到細胞或組織的形貌和生物學(xué)信號。此外，該方法需要材料試樣(即基底)具備特殊形貌(如柱狀陣列或微球陣列)和熒光或其它光學(xué)標記處理。