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生物微小樣品力學加載測試系統(tǒng)科普簡介
力學園地
2016年01月03日生物微小樣品力學加載測試系統(tǒng)科普簡介 蔣樂倫 喬西鳳* 黃勇 凌金田 陳珂云 潘程楓 張素華 （中山大學廣東省傳感技術(shù)與生物醫(yī)療儀器重點實驗室，廣州510006） E-mail: qiaoxifeng.787@163.com
在科學研究和工業(yè)應(yīng)用研究中，很多樣品尺度越來越小，微小樣品力學性能的精確檢測和分析,對研究其性能至關(guān)重要。那什么是力學性能呢？力學性能是指材料在不同環(huán)境下，承受外加的拉伸、壓縮、彎曲等時所表現(xiàn)出來的力學特征。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，我們稱其力學性能是不同的。 隨著光學顯微鏡、電子顯微鏡、原子力顯微鏡的發(fā)展，目前科學家正從微觀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性能，同時顯微觀測樣品的微結(jié)構(gòu)變形，更深入了解樣品的力學性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，使力學研究從宏觀層面轉(zhuǎn)向微觀層面，從而為工業(yè)生產(chǎn)與生活作出貢獻。
1 生物微樣品力學加載測試系統(tǒng)的組成 國外微納力學實驗儀器主要有三種：原子力顯微鏡、納米壓痕儀以及微力測試系統(tǒng)。原子力顯微鏡通常的工作載荷上限是1mN，主要功能是微觀形貌檢測。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，可實現(xiàn)的最小位移為0.2nm，主要功能是材料表面力學性質(zhì)檢測。對于最大載荷落在10mN-500mN范圍內(nèi)的加載試驗，上述兩臺儀器都不能勝任。對于微米級樣品可適用的商業(yè)化儀器只有Agilent公司的T150UTM納米力學測試系統(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，試驗時依靠手工安裝固定樣品，不具備微米級樣品試驗所需要的顯微與微操作的功能。商業(yè)化的微力試驗機和納米壓痕儀功能單一，無法實時顯微觀測試驗過程；基于AFM測試系統(tǒng)，量程太小，無法滿足微牛級至毫牛級的加載需求。 圖1即為中山大學生物醫(yī)學工程創(chuàng)新團隊自主研發(fā)的生物微小樣品微力加載測試系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)主要由防震臺、XY軸微米定位平臺、多功能夾具、微力傳感器、壓電陶瓷促進器、直線電機驅(qū)動器、顯微成像系統(tǒng)、CCD攝像機、高倍放大變焦鏡頭等部分組成，直線電機驅(qū)動器可實現(xiàn)多自由度快速精確移動，微力傳感器可實現(xiàn)對生物微樣品的拉伸、壓縮、彎曲、剝離等力學加載，同時測量加載位移與載荷，高倍放大變焦鏡頭可實現(xiàn)微樣品的自動對焦并實時監(jiān)測實驗過程，觀察與記錄加載中樣品的微觀結(jié)構(gòu)變形，顯微成像系統(tǒng)可實現(xiàn)三維定位，微力加載控制，力學參數(shù)計算分析，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)過外協(xié)加工后的外觀圖。該系統(tǒng)可以對10-1000 m大小的樣品施加0.5mN-1N力的作用；其中位移驅(qū)動的最大行程是90 m（約為一根頭發(fā)絲的直徑），位移精度1nm（相當于頭發(fā)絲直徑的五萬分之一）；而且顯微監(jiān)測放大倍數(shù)為250-2500（相當于將1根頭發(fā)絲放大至拇指到手臂的大?。Ｏ到y(tǒng)在對生物微小樣品的測試過程中，將同步地測量力的大小及樣品變形情況，通過傳感器采集力，位移，圖像等信號，并通過開發(fā)程序處理實驗數(shù)據(jù)。
圖1 生物微樣品力學加載實驗系統(tǒng)原理圖 (A) 防震臺；(B) XY軸微米定位平臺； (C) 多功能夾具；(D) 纖維絲； (E) 微力傳感器； (F) 壓電陶瓷促動器；(G) 直線電機驅(qū)動器； (H) 顯微成像系統(tǒng)；(I) CCD攝像機； (J) 高倍放大變焦鏡頭。
2 生物微樣品力學加載實驗系統(tǒng)的力學測試過程及應(yīng)用點 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、薄膜以及細胞樣品等）的力學測試。下面舉兩個例子加以說明。 第一個例子是靜電紡絲的力學測試。醫(yī)用縫合線廣泛應(yīng)用于傷口縫合治療，需要具備抗拉強度高，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)良的抗張強度，穩(wěn)定性和無毒性，組織反應(yīng)極小等優(yōu)點[1-3]，可以廣泛地應(yīng)用的可降解的醫(yī)用縫合線。將PLGA制成靜電紡絲，PLGA靜電紡絲是微米級，即微米絲，具有缺陷少，相對強度高等優(yōu)點，將其紡成線，可以提高醫(yī)用縫合線的力學強度。目前國內(nèi)外對PLGA材料力學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PLGA力學性能影響方面研究較少。而利用本團隊研發(fā)的生物微小樣品力學加載測試系統(tǒng)可以檢測其力學性能，將PLGA微米絲樣品裝夾于力學加載實驗系統(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性能曲線。測試的微米絲均表現(xiàn)出明顯的線彈性行為，沒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，抗拉強度呈上升趨勢。微米絲的不同排布方式對纖維的力學性能影響很大，相同數(shù)量的PLGA微米絲纏繞排布時力學性能成倍增長，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)下時抗拉強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性能曲線 (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性能曲線
第二個例子是日常生活中常見的蜜蜂蜂針蟄刺的力學測試。眾所周知，蜜蜂尾部的蜂針可以蜇人，而人類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，治療風濕、類風濕、神經(jīng)痛等疾病。據(jù)發(fā)現(xiàn)蜜蜂蜂針長度只有0.6-1.2cm長，而且蜂針是連著蜜蜂內(nèi)臟的，當它蜇人之后蜂針會連同內(nèi)臟一起被拔出，因此蜜蜂蜇人后會立刻死亡。既然蜂針蜇人后自己需要付出生命之代價以及其產(chǎn)生的蜂毒具有治療疾病的效果，那么我們就會好奇蜂針蟄刺皮膚的力學過程是怎樣的？以及我們?nèi)绾尾拍軝z測蜜蜂蜂針蟄刺皮膚所用力之大小呢？鑒于此，本團隊計劃利用生物微小樣品力學加載測試系統(tǒng)來嘗試。具體實驗方法是：首先用鑷子固定蜜蜂身體并讓其蟄刺乳膠手套，待蜜蜂釋放蜂針準備蟄刺時，立即將蜜蜂提起，隨后蜂針即可留在乳膠手套中，見圖4即為蜂針拔出過程以及蜂針在刺入或拔出過程中力與時間曲線圖。如圖4 (a)所示，A-B段即為蜂針在穿刺過程中所受的力，而且穿刺力會隨著穿刺時間的增加而增大，穿刺力最大可達到將近15mN；B-C段則是蜂針在拔出過程中會因為乳膠的彈性形變的原因，短時間內(nèi)的拔出力是不會發(fā)生變化的；而C-D段則顯示拔出力最大可將近60mN，其遠遠大于穿刺力，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的原因；D-E段顯示蜂針全部從乳膠中拔出來；E-F段顯示蜂針從乳膠中拔出后，此時力為零。
圖4 蜜蜂蜂針拔出過程及蜂針在刺入和拔出過程中力與時間的關(guān)系圖 (a) 蜂針在刺入和拔出過程中的力與時間關(guān)系圖；(b) 蜜蜂蜂針拔出過程圖
3 展望 目前微納力學加載實驗平臺的夾具只適合用于夾持或拉伸纖維狀、針狀或薄膜類生物樣品，卻不適合用于體外培養(yǎng)的動植物細胞的力學加載，而且目前此系統(tǒng)的水平數(shù)字光學顯微鏡的位置也不適合用于細胞樣品的顯微觀測。為了能夠讓此系統(tǒng)實現(xiàn)更多的功能，未來本團隊還會將此儀器不斷完善升級，并將重新設(shè)計可對體外細胞施加力學加載的夾具系統(tǒng)以及配備倒置熒光顯微鏡活細胞培養(yǎng)系統(tǒng)以達到適合體外細胞生長的環(huán)境。新一代的生物微小樣品力學加載測試系統(tǒng)不僅將實現(xiàn)對細胞的力學加載，而且可對細胞進行長時間的實時觀測，并借助于分子生物學技術(shù)可以觀測到細胞的生長、細胞形態(tài)、細胞骨架及細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的變化。系統(tǒng)預(yù)期可以實現(xiàn)微小的機械刺激對體外多種類型動物細胞的增殖與分化以及應(yīng)力對植物細胞分裂的影響及力學刺激后的細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、生物電信號的測量等領(lǐng)域，從而可以彌補目前微納力學測試儀器或因量程過小或因功能單一而導(dǎo)致的試驗工具空白。尤其是希望通過本項目的實施，打破國外大公司對現(xiàn)有生物醫(yī)學領(lǐng)域微納實驗儀器的壟斷，并為國內(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。參考文獻
[1] Bashur CA, Dahlgren LA, Goldstein AS. Effect of fiber diameter and orientation on fibroblast morphology and proliferation on electrospun poly (D, L-lactic-co-glycolic acid)meshes. Biomaterials, 2006, 27:5681~5688. [2] Kim TG, Park TG. Biomimicking extracellular matrix: cell adhesive RGD peptide modified electrospun poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) nanofiber mesh.. Tissue Eng, 2006, 12 (2):221~233. [3] Yang J, Shi G, Bei J, et al. Fabrication and surface modification of macroporous poly (L-lactic acid) and poly (L-lactic-co-glycolic acid) (70 /30) cell scaffolds for human skin fibroblast cell culture. J Biomed Mater Res, 2002, 62 (3): 438~446.