摘要
细胞生物力学属性的探索具有重要的病理与生理学相关性，细胞对外力的反应在包括癌症转移和糖尿病在内的众多临床问题的发展中起重要作用。原子力显微镜被广泛用作定量纳米级生物识别工具，用于表征细胞的形态和力学属性。本论文将活的小鼠成骨细胞MC3T3-E1作为生物力学分析体系，利用原子力显微镜(Atomic force microscopy,AFM)表征了其表面的超精细形貌，并研究了其弹性和粘弹性力学特性。我们的发现和结果为成骨细胞的生物力学功能提供了新的视角，并为理解其他生物力学子系统中不同长度尺度的结构-功能相关性提供了类似策略。具体研究内容涵盖以下几方面： 对小鼠成骨细胞MC3T3-E1进行形貌成像，获得了超高分辨率的成骨细胞完整形态及亚细胞结构图像，为细胞由结构到功能的探索奠定基础。AFM扫描图像显示在聚苯乙烯涂覆的塑料培养皿上生长的成骨细胞平均高度为2.57±1.73μm，具有呈多边形外观，细胞核、细胞质以及细胞边缘可以被清楚的观察到。图像还展现出肌动蛋白细胞骨架及丝状伪足的精细细节。结果表明肌动蛋白微丝呈束状结构并沿着多边形内对角线方向平行排列，且不同亚细胞区域的细胞骨架排列有所差异。 利用AFM表征了成骨细胞MC3T3-E1在完整结构区域上的弹性力学属性，提供了活的成骨细胞瞬时弹性的测定方法以及适当的理论力学模型。根据Hertz模型获得了成骨细胞不同亚细胞区域(包括细胞核、细胞质和细胞边缘)的弹性模量，结果表明细胞核处最软，弹性模量为1.8±0.3kPa，随后是细胞质，弹性模量为2.6±0.4kPa，最后是细胞边缘，弹性模量为10.9±0.6kPa。 利用AFM表征了成骨细胞MC3T3-E1在完整结构区域上的粘弹性力学属性，提供了活的成骨细胞粘弹性的测定方法以及适当的粘弹性力学模型。采用接近-保持-退回的方法研究了细胞的应力松弛过程和应变蠕变过程，通过广义Maxwell力学模型诠释这种具有时间依赖性的力学行为。提取了包括松弛特征时间τ1和τ2、蠕变特征时间x1和x2、瞬时响应y0及力衰减振幅A1+A2在内的粘弹性特征参数。结果表明随着时间的变化，成骨细胞粘弹性存在明显的快速和慢速力学响应，细胞核处的粘弹性力学属性比核周更加显著，反映在细胞核的力松弛幅度和变形幅度最大，达到稳态的时间最长，瞬时响应最弱。实验结果为细胞骨架功能与细胞延迟性力学行为之间的关系提供了重要的参考。
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