CN115128303A - 一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法 - Google Patents
一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115128303A CN115128303A CN202110311363.7A CN202110311363A CN115128303A CN 115128303 A CN115128303 A CN 115128303A CN 202110311363 A CN202110311363 A CN 202110311363A CN 115128303 A CN115128303 A CN 115128303A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- indentation
- force
- cell
- modulus
- displacement curve
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims abstract description 74
- 238000007373 indentation Methods 0.000 claims abstract description 66
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 210000004292 cytoskeleton Anatomy 0.000 claims abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 40
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 230000003834 intracellular effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000013211 curve analysis Methods 0.000 description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 3
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 239000006059 cover glass Substances 0.000 description 2
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000013399 early diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001298 force spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 231100000915 pathological change Toxicity 0.000 description 1
- 230000036285 pathological change Effects 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
- G01Q30/20—Sample handling devices or methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法，属于纳米测量技术领域。利用原子力显微镜分别在细胞的中心位置和边缘位置设置压痕点，获得压痕曲线，读取压痕数据并利用赫兹模型对压痕曲线进行分析，获得各个压痕深度的杨氏模量，通过研究分析细胞中心位置与边缘位置弹性特性获得细胞骨架在细胞内部的分布情况。本发明公开了一种新的确定起始计算点的方法，排除了基底对细胞弹性模量的干扰，获得了更准确的杨氏模量及细胞骨架分布情况。
Description
技术领域
本发明属于纳米测量技术领域，具体涉及一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法。
背景技术
自原子力显微镜发明以来，因其样品制备简单，具有纳米级分辨率等优点，被广泛应用于生物力学工程领域，尤其是对活细胞的力学特性检测研究。细胞的生物力学特性，如细胞的弹性、黏性及刚度均为细胞的重要本质特征，与生命体的病变及生命活动关系密切。一方面，细胞力学特性的变化会直接影响到生理功能，引起疾病的发生；另一方面，疾病的发生也能导致细胞结构和力学特性的改变。细胞的力学特性影响细胞的变形、移动以及在微环境中感受外界刺激的能力，研究表明，细胞弹性的异常与疾病的发生发展有关，通过杨氏模量来量化细胞弹性，根据杨氏模量的变化，将病变细胞与正常细胞做出区分，使其成为一种生物标记，为癌症的早期诊断与治疗提供一种新思路。
赫兹模型是目前分析原子力显微镜力-位移曲线最经典的模型。目前使用赫兹模型计算细胞弹性的方法主要有两点法和斜率法。2014年王哲等人对原子力显微镜压痕曲线分析方法进行了比较研究，通过比较两种基于赫兹模型的原子力显微镜力－位移曲线分析方法，发现细胞的弹性模量随着压痕深度的增加而减少，研究显示斜率法曲线的变化趋势平缓，表明斜率法能减少由于接触点判断错误引起的杨氏模量计算误差(参见王哲，郝锋涛，陈晓虎，杨周岐，丁冲，商澎.原子力显微镜压痕曲线分析方法的比较研究[J].生物医学工程学杂志,2014,31(05):1075-1079)。斜率法虽然不用寻找接触点，直接将原始数据乘方线性化得到斜率即可，但无法精确获得压痕深度，且计算过程复杂。两点法计算虽然简单，但是接触点的判定受到诸多因素影响，造成杨氏模量计算误差增大，其中主要的影响因素为起始计算点的判定，起始计算点的不准确可能导致细胞弹性的过高或过低估计。本发明介绍的计算杨氏模量的方法较现有的计算方法，在细胞上获得两个压痕深度，以较小的压痕深度作为起始计算点来获得由细胞骨架所决定的杨氏模量，计算过程简单，结果准确。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法，解决了赫兹模型的两点法因无法判定起始计算点导致杨氏模量计算误差大的问题，利用此方法能够同时获得精确的压痕深度，来确定细胞骨架对细胞杨氏模量的影响和细胞骨架在细胞内部的分布。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：(1)首先在空白基底上获取一组压痕曲线，然后分别在细胞中心位置与边缘位置以3×3阵列形式设置压痕点；(2)在同一压痕点上设置大小不同的作用力获得不同的压痕深度；(3)利用互相关算法找到细胞力-位移曲线与基底力-位移曲线相关系数较高的数据段，删除该段数据，并对其进行补偿，再将剩余的数据段延长至原来的长度，获得一条经互相关算法修正后的修正力-位移曲线；(4)利用赫兹接触模型的两点法，以小作用力获得的压痕深度作为起始计算点，分析计算细胞力-位移曲线和修正力位移曲线，得到杨氏模量随压痕深度变化的曲线图。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下优点：
(1)与传统方法相比，本发明设计的方法提供了一种新的确定起始计算点的方法，避免了因为起始计算点的判定不准确而造成的杨氏模量的值过大或过小的情况；
(2)本发明在细胞的中心位置与边缘位置设定压痕点，通过分析细胞杨氏模量差异来判定细胞骨架在细胞中心位置与边缘位置的分布；
(3)本发明通过互相关算法找到了细胞力-位移曲线与基底力-位移曲线相关系数较大的部分，将其判定为基底对测量结果的影响，删除该段数据，去除了基底对测量结果的影响。
附图说明
图1为本发明提出的基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量方法的流程图；
图2为本发明原子力显微镜获取细胞压痕曲线的原理图；
图3为本发明所提出的基于原子力纳米压痕的杨氏模量计算方法的修正力-位移曲线的获取示意图；
图4为本发明通过分析力-位移曲线获得的压痕深度-杨氏模量曲线，(a)分析细胞力-位移曲线获得的压痕深度-杨氏模量曲线，(b)分析修正力-位移曲线获得的压痕深度-杨氏模量曲线；
图5为本发明在细胞中心位置与边缘位置所获得的压痕深度-杨氏模量曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明例子做进一步详细说明。
如图1所示，为本发明的基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的流程图，一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法主要包括：(1)首先在空白基底上获取一组压痕曲线，然后分别在细胞中心位置与边缘位置以3×3阵列形式设置压痕点；(2)在同一压痕点上设置大小不同的作用力获得不同的压痕深度；(3)利用互相关算法找到细胞力-位移曲线与基底力-位移曲线相关系数较高的数据段，删除该段数据，对其进行补偿，再将剩余的数据段延长至原来的长度，获得一条经互相关算法修正后的修正力-位移曲线；(4)利用赫兹接触模型的两点法，以小作用力获得的压痕深度作为起始计算点，分析计算细胞力-位移曲线和修正力位移曲线，得到杨氏模量随压痕深度变化的曲线图。
如图2所示，为原子力显微镜在接触模式下获取细胞压痕曲线的原理图，a为探针还未接触到细胞，此时力-位移曲线平行于坐标轴；b为探针开始接触到细胞，力-位移曲线开始发生偏折；c为探针深入细胞，力-位移曲线偏折程度加大；d为在细胞上设定的压痕点。
如图3所示，为本发明修正力-位移曲线的获取示意图，图a为以小作用力所获得的压痕深度为接触点截取的力-位移曲线，图b为利用互相关算法将细胞力-位移曲线与基底力-位移曲线相关系数较高的数据段删除后的力-位移曲线，图c为将剩余数据段延长至原本长度的修正力-位移曲线。
如图4所示，为本发明利用赫兹接触模型来分析细胞力-位移曲线和修正力-位移曲线所获得的压痕深度-杨氏模量曲线图。如图a所示，利用细胞力-位移曲线来分析计算得到的压痕深度-杨氏模量曲线图，由于基底的影响，压痕深度-杨氏模量曲线图尾部翘起，说明基底会对细胞的杨氏模量测量有影响；如图b所示，利用修正力-位移曲线来分析计算获得的压痕深度-杨氏模量曲线图，由于互相关算法的作用，基底的影响被消除，最后杨氏模量值趋于稳定。
如图5所示，为本发明在细胞中心位置与边缘位置的压痕深度-杨氏模量曲线图。图a为分析细胞中心位置的修正力-位移曲线获得的压痕深度-杨氏模量曲线，图b为分析在细胞边缘位置的修正力-位移曲线获得的压痕深度-杨氏模量曲线。
实施例1：
如图4所示为根据图1流程图得到的经过本发明所述方法修正前后的压痕深度-杨氏模量曲线，将细胞接种至盖玻片上并放置于培养箱内，24小时之后用PBS冲洗盖玻片，将盖玻片上漂浮的细胞去除，把经过冲洗的盖玻片放置于培养皿中，加入干净的培养液，将装有盖玻片的培养皿放置于原子力显微镜样品台上。在接触模式下对细胞进行成像，然后在力谱模式下在细胞上设置压痕点，在同一压痕点上利用两个大小不同的作用力获得压痕曲线。利用数据分析软件读取压痕曲线数据，以小作用力得到的压痕深度为起始计算点，利用互相关算法将基底对杨氏模量计算结果的影响消除，获得由细胞骨架决定的弹性特征。
实施例2：
如图5所示为根据图1流程图得到的经过本发明所述方法修正前后的压痕深度-杨氏模量曲线，将细胞接种至盖玻片上并放置于培养箱内，24小时之后用PBS冲洗盖玻片，将盖玻片上漂浮的细胞去除，把经过冲洗的盖玻片放置于培养皿中，加入干净的培养液，将装有盖玻片的培养皿放置于原子力显微镜样品台上；在接触模式下对细胞进行成像，然后分别在细胞的中心位置与边缘位置上设置压痕点，在同一压痕点上施加两个大小不同的作用力获得压痕曲线；利用数据分析软件读取压痕曲线数据，以小作用力得到的压痕深度为起始计算点，利用互相关算法将基底对杨氏模量计算结果的影响消除，得到细胞中心位置与边缘位置压痕深度-杨氏模量曲线，得到由细胞骨架决定的弹性特征，获得细胞骨架在中心位置与边缘位置的分布情况。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法，其特征在于：在原子力显微镜接触模式下，进行纳米压痕，测量细胞弹性，包括以下步骤：(1)首先在空白基底上获取一组压痕曲线，然后分别在细胞中心位置与边缘位置以3×3阵列形式设置压痕点；(2)在同一压痕点上设置大小不同的作用力获得不同的压痕深度；(3)利用互相关算法找到细胞力-位移曲线与基底力-位移曲线相关系数较高的数据段，删除该段数据，并对其进行补偿，再将剩余的数据段延长至原来的长度，获得一条经互相关算法修正后的修正力-位移曲线；(4)利用赫兹接触模型的两点法，以小作用力获得的压痕深度作为起始计算点，分析计算细胞力-位移曲线和修正力-位移曲线，得到杨氏模量随压痕深度变化曲线图。
2.根据权利要求1所述的方法，步骤(1)在细胞的中心位置与边缘位置设定压痕点，其特征在于：通过研究不同位置细胞杨氏模量的差异来确定细胞内细胞骨架的分布情况。
3.根据权利要求1所述的方法，步骤(2)在同一压痕点上设置大小不同的作用力，其特征在于：通过研究不同力的作用对细胞的压痕深度确定基底对细胞杨氏模量测量的影响。
4.根据权利要求1所述的方法，步骤(3)利用互相关算法找到细胞力-位移曲线与基底力-位移曲线相关系数较高的数据段，其特征在于：用互相关算法确定与基底无关的细胞杨氏模量，消除基底的影响。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110311363.7A CN115128303B (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110311363.7A CN115128303B (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115128303A true CN115128303A (zh) | 2022-09-30 |
| CN115128303B CN115128303B (zh) | 2024-04-23 |
Family
ID=83374384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110311363.7A Active CN115128303B (zh) | 2021-03-25 | 2021-03-25 | 一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115128303B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116183337A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-05-30 | 电子科技大学 | 用于聚合物纳米膜材料的杨氏模量测量方法 |
| CN120458486A (zh) * | 2025-07-15 | 2025-08-12 | 浙江理工大学 | 一种手持式的微创组织杨氏模量测量装置及其使用方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050081608A1 (en) * | 2003-10-17 | 2005-04-21 | National Institutes Of Health | System and method for the analysis of atomic force microscopy data |
| CN101482473A (zh) * | 2009-02-13 | 2009-07-15 | 清华大学 | 一种精确测量纳米线杨氏模量的方法 |
| CN202057559U (zh) * | 2011-04-28 | 2011-11-30 | 吉林大学 | 基于双位移检测的微纳米尺度原位压痕测试装置 |
| CN104655879A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-05-27 | 北京大学第三医院 | 一种应用原子力显微镜检测宫颈脱落细胞刚度的方法 |
| CN107045075A (zh) * | 2017-03-31 | 2017-08-15 | 国家纳米科学中心 | 一种基于多孔介质模型的细胞物理状态的表征方法 |
| US20170299571A1 (en) * | 2016-04-14 | 2017-10-19 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Compositions and methods for determining mechanical properties of cells |
| WO2019006188A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | The Regents Of The University Of California | QUANTITATIVE DEFORMABILITY CYTOMETRY: QUICK AND CALIBRATED MEASUREMENTS OF CELLULAR MECHANICAL PROPERTIES |
-
2021
- 2021-03-25 CN CN202110311363.7A patent/CN115128303B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050081608A1 (en) * | 2003-10-17 | 2005-04-21 | National Institutes Of Health | System and method for the analysis of atomic force microscopy data |
| CN101482473A (zh) * | 2009-02-13 | 2009-07-15 | 清华大学 | 一种精确测量纳米线杨氏模量的方法 |
| CN202057559U (zh) * | 2011-04-28 | 2011-11-30 | 吉林大学 | 基于双位移检测的微纳米尺度原位压痕测试装置 |
| CN104655879A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-05-27 | 北京大学第三医院 | 一种应用原子力显微镜检测宫颈脱落细胞刚度的方法 |
| US20170299571A1 (en) * | 2016-04-14 | 2017-10-19 | Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona | Compositions and methods for determining mechanical properties of cells |
| CN107045075A (zh) * | 2017-03-31 | 2017-08-15 | 国家纳米科学中心 | 一种基于多孔介质模型的细胞物理状态的表征方法 |
| WO2019006188A1 (en) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | The Regents Of The University Of California | QUANTITATIVE DEFORMABILITY CYTOMETRY: QUICK AND CALIBRATED MEASUREMENTS OF CELLULAR MECHANICAL PROPERTIES |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| CRISTINA FLOREA ET AL.: "Determination of young\'s modulus using AFM nanoindentation. Applications on bone structures", 《2011 E-HEALTH AND BIOENGINEERING CONFERENCE (EHB)》, 26 November 2011 (2011-11-26), pages 1 - 4, XP032114589 * |
| 马斌 等: "原子力显微镜在细胞力学特性研究中的进展", 《微纳电子技术》, vol. 51, no. 9, 30 September 2014 (2014-09-30), pages 593 - 597 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116183337A (zh) * | 2023-02-22 | 2023-05-30 | 电子科技大学 | 用于聚合物纳米膜材料的杨氏模量测量方法 |
| CN120458486A (zh) * | 2025-07-15 | 2025-08-12 | 浙江理工大学 | 一种手持式的微创组织杨氏模量测量装置及其使用方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115128303B (zh) | 2024-04-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gavara et al. | Determination of the elastic moduli of thin samples and adherent cells using conical atomic force microscope tips | |
| CN106199078B (zh) | 一种活体细胞表面形貌原子力显微镜快速精确表征方法 | |
| Sokolov et al. | Method for quantitative measurements of the elastic modulus of biological cells in AFM indentation experiments | |
| CN101158677B (zh) | 细胞电生理集成芯片和制作方法 | |
| CN115128303B (zh) | 一种基于原子力纳米压痕测量单个细胞杨氏模量的方法 | |
| Purcell et al. | Next-generation diamond electrodes for neurochemical sensing: challenges and opportunities | |
| CN106404915A (zh) | 一种细胞牵引力的实时与定量测定方法 | |
| CN104655879A (zh) | 一种应用原子力显微镜检测宫颈脱落细胞刚度的方法 | |
| Li et al. | Effects of temperature and cellular interactions on the mechanics and morphology of human cancer cells investigated by atomic force microscopy | |
| Ding et al. | Surface area and local curvature: Why roughness improves the bioactivity of neural implants | |
| Chandran et al. | Microscale mapping of extracellular matrix elasticity of mouse joint cartilage: an approach to extracting bulk elasticity of soft matter with surface roughness | |
| Dai et al. | Spiral-shaped SU-8 cantilevers for monitoring mechanical response of cardiomyocytes treated with cardiac drugs | |
| Chen et al. | Simultaneous mapping of nanoscale topography and surface potential of charged surfaces by scanning ion conductance microscopy | |
| CN110353639A (zh) | 一种基于血管增强造影的供血区定量方法及系统 | |
| Pérez-Domínguez et al. | Reliable, standardized measurements for cell mechanical properties | |
| Boszczyk et al. | Novel method of measuring corneal viscoelasticity using the Corvis ST tonometer | |
| CN111007062B (zh) | 组织工程皮肤构建过程中oct实时无损监测方法 | |
| Chen et al. | Gauging surface charge distribution of live cell membrane by ionic current change using scanning ion conductance microscopy | |
| CN111466920B (zh) | 一种无创体检的方法及装置 | |
| Korayem et al. | Experimental Characterization of MCF-10A Normal Cells Using AFM: Comparison with MCF-7 Cancer Cells. | |
| Zheng et al. | Wearable biosensor with high specific surface area PGA-CNTs electrode for sweat glucose detection | |
| Tang et al. | Emerging biotechnologies for screening electromechanical signals of cardiomyocytes | |
| CN117918308A (zh) | 一种自发的舍格伦综合征新型模型小鼠 | |
| CN113777355B (zh) | 一种细胞弹性模量预估方法及系统 | |
| CN115394456A (zh) | 基于单细胞动态机械特性的药效评估方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |