背景介紹

生物材料的形貌、粗糙度和力學(xué)性能不僅對(duì)細(xì)胞的黏附力、形態(tài)和力學(xué)有很大的影響，還會(huì)影響到干細(xì)胞的發(fā)育。原子力顯微鏡（AFM）可以提供樣品的高分辨率成像和粗糙度測(cè)量，并且還能繪制生物材料、細(xì)胞的力學(xué)和黏附性能。基于此功能，可以利用AFM表征生物材料及其與細(xì)胞的相互作用；并且將AFM與光學(xué)顯微鏡相結(jié)合，利用光學(xué)尋找研究區(qū)域，通過熒光技術(shù)揭示細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，追蹤相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用案例

1. 細(xì)胞--細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用

細(xì)胞外基質(zhì)為細(xì)胞的生長(zhǎng)和發(fā)育提供了基礎(chǔ)。在體外構(gòu)建這樣的基質(zhì)有助于更多地了解細(xì)胞-基質(zhì)的相互作用，并最終促進(jìn)組織工程在再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

海德堡DKMS科研人員將AFM與旋轉(zhuǎn)圓盤共聚焦顯微鏡結(jié)合，研究黑色素瘤細(xì)胞在I 型膠原基質(zhì)上的生長(zhǎng)。其將云母作為底物，采用特定的離子濃度和pH緩沖液，從而使得膠原蛋白基質(zhì)可被設(shè)計(jì)并符合自然條件。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)黑色素瘤細(xì)胞被放入各向同性、隨機(jī)定向的I 型膠原基質(zhì)時(shí)，其與基質(zhì)纖維沒有任何特定的排列（圖1 A）；當(dāng)在各向異性平行的I 型膠原基質(zhì)時(shí)，黑色素瘤細(xì)胞沿著纖維排列，呈紡錘形（圖1 B）；當(dāng)黑色素瘤細(xì)胞可表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶2 （MMT1，一種切割蛋白質(zhì)的酶）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生開放式和卷曲的纖維（圖1 C），細(xì)胞具有圓形和非極化的形狀。

圖 1：從左往右分別是黑色素瘤細(xì)胞示意圖、旋轉(zhuǎn)圓盤共聚焦圖像和AFM高度圖。膠原蛋白呈綠色，黑色素瘤細(xì)胞呈紅色。A為隨機(jī)定向膠原基質(zhì)，B、C是各向異性平行膠原基質(zhì)，其中C內(nèi)細(xì)胞表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶。

熒光顯微鏡被用來(lái)拍攝大的概覽圖像，從而找到大量的可評(píng)估的細(xì)胞。AFM成像提供了膠原結(jié)構(gòu)的高分辨率圖像和細(xì)胞-基質(zhì)界面的三維信息，這有助于區(qū)分云母載體和膠原基質(zhì)之間的細(xì)胞。

2. 柔軟生物材料表征

水凝膠具有較高的生物相容性和類似有機(jī)組織的力學(xué)性能，常被用于各種醫(yī)療應(yīng)用，可以利用光刻或沖壓技術(shù)、水凝膠合成過程中控制交聯(lián)過程，從而調(diào)整水凝膠的表面形貌和力學(xué)性能，生產(chǎn)定制的基質(zhì)，并研究修飾對(duì)細(xì)胞行為的影響。

AFM的Quantitative Imaging（QI）模式結(jié)合AFM成像和Force spectroscopy模式，為掃描區(qū)域的每個(gè)像素提供完整的力曲線，可以計(jì)算如高度、楊氏模量、接觸點(diǎn)和黏附力等；而且這種模式允許在沒有側(cè)向力的情況下進(jìn)行成像，非常適合水凝膠等軟、黏性樣品的成像和研究。

如下圖（圖2）展示了QI模式下水凝膠不同通道的成像像[JS1] 。A 為高度圖，C為接觸點(diǎn)成像[JS2] ，A和C提供了水凝膠形貌和粗糙度信息；B為黏附力圖，D為楊氏模量圖，B和D提供了每個(gè)像素處的黏彈特性。

圖2：水凝膠的高度（A、100 nm高度范圍）、附著力（B、30 pN力范圍）、接觸點(diǎn)（C、40 nm高度范圍）和楊氏模量(D、40 kPa彈性范圍）成像圖

結(jié)論

原子力顯微鏡在生物材料研究中的用途是廣泛的。例如，高分辨率成像可以表征表面形貌，這是細(xì)胞和組織的行為和發(fā)育的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)；原子力顯微鏡成像以及與其他成像模式的發(fā)展和結(jié)合，為水凝膠和活細(xì)胞等非常柔軟和脆弱的樣品收集定量數(shù)據(jù)。提供了一系列參數(shù)，如楊氏模量、電學(xué)和黏附特性。綜上，原子力顯微鏡將進(jìn)一步推動(dòng)生物材料研究發(fā)展。

*以上案列來(lái)自布魯克內(nèi)部資料

產(chǎn)品推薦

NanoWizard V BioScience 原子力顯微鏡

NanoWizard®V結(jié)合了大掃描范圍內(nèi)的高時(shí)空分辨率成像，機(jī)動(dòng)靈活的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及與光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)無(wú)縫契合等特點(diǎn)。自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，校準(zhǔn)，以及參數(shù)調(diào)節(jié)為長(zhǎng)時(shí)間的自調(diào)整實(shí)驗(yàn)帶來(lái)更多的可能。

產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

2  易用性

2  可以研究動(dòng)力學(xué)的快速掃描，提升產(chǎn)出

2  自動(dòng)化、高像素密度測(cè)繪和成像