生物微小樣品力學(xué)加載測(cè)試系統(tǒng)科普簡(jiǎn)介 蔣樂(lè)倫 喬西鳳* 黃勇 凌金田 陳珂云 潘程楓 張素華 （中山大學(xué)廣東省傳感技術(shù)與生物醫(yī)療儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510006） E-mail: qiaoxifeng.787@163.com

 

在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用研究中，很多樣品尺度越來(lái)越小，微小樣品力學(xué)性能的精確檢測(cè)和分析,對(duì)研究其性能至關(guān)重要。那什么是力學(xué)性能呢？力學(xué)性能是指材料在不同環(huán)境下，承受外加的拉伸、壓縮、彎曲等時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)特征。例如，相同形狀的鋼材和木材，將其折斷，所用的力大小是不同的，我們稱(chēng)其力學(xué)性能是不同的。 隨著光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、原子力顯微鏡的發(fā)展，目前科學(xué)家正從微觀(guān)層面研究單根靜電紡絲、單根植物纖維、蠶絲、蜘蛛絲以及一些金屬聚合物薄膜等微小樣品的力學(xué)性能，同時(shí)顯微觀(guān)測(cè)樣品的微結(jié)構(gòu)變形，更深入了解樣品的力學(xué)性能與微觀(guān)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，使力學(xué)研究從宏觀(guān)層面轉(zhuǎn)向微觀(guān)層面，從而為工業(yè)生產(chǎn)與生活作出貢獻(xiàn)。
1 生物微樣品力學(xué)加載測(cè)試系統(tǒng)的組成 國(guó)外微納力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器主要有三種：原子力顯微鏡、納米壓痕儀以及微力測(cè)試系統(tǒng)。原子力顯微鏡通常的工作載荷上限是1mN，主要功能是微觀(guān)形貌檢測(cè)。另一種是納米壓痕儀，以Hysitron公司的TriboIndenter為例，其最大工作載荷是12.6mN，比原子力顯微鏡高10倍，其載荷分辨率為3nN，可實(shí)現(xiàn)的最小位移為0.2nm，主要功能是材料表面力學(xué)性質(zhì)檢測(cè)。對(duì)于最大載荷落在10mN-500mN范圍內(nèi)的加載試驗(yàn)，上述兩臺(tái)儀器都不能勝任。對(duì)于微米級(jí)樣品可適用的商業(yè)化儀器只有Agilent公司的T150UTM納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)。T150 UTM的載荷分辨率為50nN，位移分辨率0.1nm。該系統(tǒng)要求樣品大小可目視，試驗(yàn)時(shí)依靠手工安裝固定樣品，不具備微米級(jí)樣品試驗(yàn)所需要的顯微與微操作的功能。商業(yè)化的微力試驗(yàn)機(jī)和納米壓痕儀功能單一，無(wú)法實(shí)時(shí)顯微觀(guān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程；基于AFM測(cè)試系統(tǒng)，量程太小，無(wú)法滿(mǎn)足微牛級(jí)至毫牛級(jí)的加載需求。 圖1即為中山大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的生物微小樣品微力加載測(cè)試系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)主要由防震臺(tái)、XY軸微米定位平臺(tái)、多功能夾具、微力傳感器、壓電陶瓷促進(jìn)器、直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、顯微成像系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)、高倍放大變焦鏡頭等部分組成，直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)多自由度快速精確移動(dòng)，微力傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)生物微樣品的拉伸、壓縮、彎曲、剝離等力學(xué)加載，同時(shí)測(cè)量加載位移與載荷，高倍放大變焦鏡頭可實(shí)現(xiàn)微樣品的自動(dòng)對(duì)焦并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，觀(guān)察與記錄加載中樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變形，顯微成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三維定位，微力加載控制，力學(xué)參數(shù)計(jì)算分析，顯微圖像后處理等。圖2為生物微樣品微力加載系統(tǒng)經(jīng)過(guò)外協(xié)加工后的外觀(guān)圖。該系統(tǒng)可以對(duì)10-1000 m大小的樣品施加0.5mN-1N力的作用；其中位移驅(qū)動(dòng)的最大行程是90 m（約為一根頭發(fā)絲的直徑），位移精度1nm（相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的五萬(wàn)分之一）；而且顯微監(jiān)測(cè)放大倍數(shù)為250-2500（相當(dāng)于將1根頭發(fā)絲放大至拇指到手臂的大?。?。系統(tǒng)在對(duì)生物微小樣品的測(cè)試過(guò)程中，將同步地測(cè)量力的大小及樣品變形情況，通過(guò)傳感器采集力，位移，圖像等信號(hào)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)程序處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

 

圖1 生物微樣品力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 (A) 防震臺(tái)；(B) XY軸微米定位平臺(tái)； (C) 多功能夾具；(D) 纖維絲； (E) 微力傳感器； (F) 壓電陶瓷促動(dòng)器；(G) 直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； (H) 顯微成像系統(tǒng)；(I) CCD攝像機(jī)； (J) 高倍放大變焦鏡頭。

 

2 生物微樣品力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的力學(xué)測(cè)試過(guò)程及應(yīng)用點(diǎn) 本系統(tǒng)目前可用于微小樣品（包括靜電紡絲、單根植物纖維、蠶絲、蜘蛛絲、薄膜以及細(xì)胞樣品等）的力學(xué)測(cè)試。下面舉兩個(gè)例子加以說(shuō)明。 第一個(gè)例子是靜電紡絲的力學(xué)測(cè)試。醫(yī)用縫合線(xiàn)廣泛應(yīng)用于傷口縫合治療，需要具備抗拉強(qiáng)度高，良好的生物相容性。乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)是一種應(yīng)用廣泛的生物可降解高分子材料，它具有較好的生物相容性，優(yōu)良的抗張強(qiáng)度，穩(wěn)定性和無(wú)毒性，組織反應(yīng)極小等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，可以廣泛地應(yīng)用的可降解的醫(yī)用縫合線(xiàn)。將PLGA制成靜電紡絲，PLGA靜電紡絲是微米級(jí)，即微米絲，具有缺陷少，相對(duì)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，將其紡成線(xiàn)，可以提高醫(yī)用縫合線(xiàn)的力學(xué)強(qiáng)度。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)PLGA材料力學(xué)性能研究大部分限于支架和纖維膜方面，在單根PLGA微米絲以及單根與單根之間不同排布方式對(duì)PLGA力學(xué)性能影響方面研究較少。而利用本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的生物微小樣品力學(xué)加載測(cè)試系統(tǒng)可以檢測(cè)其力學(xué)性能，將PLGA微米絲樣品裝夾于力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，如圖3 (a)為PLGA微米絲斷口形貌的掃描電鏡圖片，圖3 (b)所示為單根PLGA微米絲在不同排布方式下的力學(xué)性能曲線(xiàn)。測(cè)試的微米絲均表現(xiàn)出明顯的線(xiàn)彈性行為，沒(méi)有金屬所具有的塑性屈服階段，微米絲的拉伸都為典型的韌性斷裂。隨著微米絲數(shù)量的增加，抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。微米絲的不同排布方式對(duì)纖維的力學(xué)性能影響很大，相同數(shù)量的PLGA微米絲纏繞排布時(shí)力學(xué)性能成倍增長(zhǎng)，近兩倍于兩根絲的平行排布方式；三根微米絲在纏繞排布狀態(tài)下時(shí)抗拉強(qiáng)度是三根絲平行排布的2.38倍。這是由于纏繞排布后，絲與絲接觸面之間形成了一定的摩擦力，使得微米絲能夠在拉伸可以承受更大的外力作用。另一方面，纏繞后的微米絲等效直徑變大，抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)增加。 

 

圖3 PLGA微米絲斷口形貌的掃描電鏡圖片及微米絲的力學(xué)性能曲線(xiàn) (a) PLGA微米絲斷口形貌的掃描電鏡圖片；(b) 單根微米絲在不同排布方式下的力學(xué)性能曲線(xiàn)

第二個(gè)例子是日常生活中常見(jiàn)的蜜蜂蜂針蟄刺的力學(xué)測(cè)試。眾所周知，蜜蜂尾部的蜂針可以蜇人，而人類(lèi)利用蜜蜂蜂針做為針具，循經(jīng)絡(luò)皮部和穴位施行不同手法的針刺，蜂針產(chǎn)生的蜂毒可以止痛，治療風(fēng)濕、類(lèi)風(fēng)濕、神經(jīng)痛等疾病。據(jù)發(fā)現(xiàn)蜜蜂蜂針長(zhǎng)度只有0.6-1.2cm長(zhǎng)，而且蜂針是連著蜜蜂內(nèi)臟的，當(dāng)它蜇人之后蜂針會(huì)連同內(nèi)臟一起被拔出，因此蜜蜂蜇人后會(huì)立刻死亡。既然蜂針蜇人后自己需要付出生命之代價(jià)以及其產(chǎn)生的蜂毒具有治療疾病的效果，那么我們就會(huì)好奇蜂針蟄刺皮膚的力學(xué)過(guò)程是怎樣的？以及我們?nèi)绾尾拍軝z測(cè)蜜蜂蜂針蟄刺皮膚所用力之大小呢？鑒于此，本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用生物微小樣品力學(xué)加載測(cè)試系統(tǒng)來(lái)嘗試。具體實(shí)驗(yàn)方法是：首先用鑷子固定蜜蜂身體并讓其蟄刺乳膠手套，待蜜蜂釋放蜂針準(zhǔn)備蟄刺時(shí)，立即將蜜蜂提起，隨后蜂針即可留在乳膠手套中，見(jiàn)圖4即為蜂針拔出過(guò)程以及蜂針在刺入或拔出過(guò)程中力與時(shí)間曲線(xiàn)圖。如圖4 (a)所示，A-B段即為蜂針在穿刺過(guò)程中所受的力，而且穿刺力會(huì)隨著穿刺時(shí)間的增加而增大，穿刺力最大可達(dá)到將近15mN；B-C段則是蜂針在拔出過(guò)程中會(huì)因?yàn)槿槟z的彈性形變的原因，短時(shí)間內(nèi)的拔出力是不會(huì)發(fā)生變化的；而C-D段則顯示拔出力最大可將近60mN，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穿刺力，導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是受到蜂針倒刺的影響，這也是蜜蜂蟄刺人之后需要付出生命之代價(jià)的原因；D-E段顯示蜂針全部從乳膠中拔出來(lái)；E-F段顯示蜂針從乳膠中拔出后，此時(shí)力為零。

 

圖4 蜜蜂蜂針拔出過(guò)程及蜂針在刺入和拔出過(guò)程中力與時(shí)間的關(guān)系圖 (a) 蜂針在刺入和拔出過(guò)程中的力與時(shí)間關(guān)系圖；(b) 蜜蜂蜂針拔出過(guò)程圖

3 展望 目前微納力學(xué)加載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的夾具只適合用于夾持或拉伸纖維狀、針狀或薄膜類(lèi)生物樣品，卻不適合用于體外培養(yǎng)的動(dòng)植物細(xì)胞的力學(xué)加載，而且目前此系統(tǒng)的水平數(shù)字光學(xué)顯微鏡的位置也不適合用于細(xì)胞樣品的顯微觀(guān)測(cè)。為了能夠讓此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多的功能，未來(lái)本團(tuán)隊(duì)還會(huì)將此儀器不斷完善升級(jí)，并將重新設(shè)計(jì)可對(duì)體外細(xì)胞施加力學(xué)加載的夾具系統(tǒng)以及配備倒置熒光顯微鏡活細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)以達(dá)到適合體外細(xì)胞生長(zhǎng)的環(huán)境。新一代的生物微小樣品力學(xué)加載測(cè)試系統(tǒng)不僅將實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的力學(xué)加載，而且可對(duì)細(xì)胞進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，并借助于分子生物學(xué)技術(shù)可以觀(guān)測(cè)到細(xì)胞的生長(zhǎng)、細(xì)胞形態(tài)、細(xì)胞骨架及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的變化。系統(tǒng)預(yù)期可以實(shí)現(xiàn)微小的機(jī)械刺激對(duì)體外多種類(lèi)型動(dòng)物細(xì)胞的增殖與分化以及應(yīng)力對(duì)植物細(xì)胞分裂的影響及力學(xué)刺激后的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、生物電信號(hào)的測(cè)量等領(lǐng)域，從而可以彌補(bǔ)目前微納力學(xué)測(cè)試儀器或因量程過(guò)小或因功能單一而導(dǎo)致的試驗(yàn)工具空白。尤其是希望通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，打破國(guó)外大公司對(duì)現(xiàn)有生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域微納實(shí)驗(yàn)儀器的壟斷，并為國(guó)內(nèi)高端生物醫(yī)療原創(chuàng)性重大科研儀器設(shè)備的研制及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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