[发明专利]一种力学生物学耦合测试系统及方法

说明书

本发明提供一种力学生物学耦合测试系统及方法，其特点是通过下光路系统、上光路系统、生化培养系统对材料试样与生物样品界面进行高分辨率原位即时测量，得到界面力学及同步的生物学信号，并通过对信号的合成与处理分析获得所需结果。本发明可以针对任意基底材料试样以及任意生物样品所组成的材料试样与生物样品界面，实现对力学与生物学信号同时进行高分辨率的原位即时测量。

[技术领域]

本发明涉及生物工程技术和生物医学工程领域，具体涉及一种力学生物学耦合测试系统及方法。

[背景技术]

在现代医学的临床干预和治疗中，植入型医疗器械和人工材料已经成为快速增长的重大需求。然而，以骨科疾病为例，骨科植入物和人工关节材料依然面临着一系列已经困扰了人们数十年的世界性问题，如假体松动，磨损与腐蚀，应力疲劳与失效以及所伴随的生理和病理症状。以上问题基本可归纳为刚性植入材料与人体组织界面附近的力学失配(效)的结果。然而到目前为止，细胞或组织等生物样品与材料表面力学适配状态(或力学相互作用)很难用实验手段来测量或表征，基本上只能通过理论模拟和计算来估计。

例如，目前常用的测量细胞或组织等生物样品与材料试样之间的力学状态的方法有：

(1)原子力显微镜Atomic force microscopy

原子力显微镜的关键部件为纳米尺寸的探针，当针尖在材料试样表面进行扫描时，试样与针尖的作用力会使悬臂发生弯曲，令通过悬臂背面的激光束发生偏转，由光电检测器检测到，得到表面形貌图像。在生物样品的力学检测中，原子力显微镜通常用于测量在材料试样表面粘附的生物样品(如细胞、组织片等)的黏弹性、硬度和刚度、生物样品表面配体与材料受体之间相互作用力等。

(2)光镊技术Optical tweezers

当强光照射在极小处时可产生1ˉ200pN的力，因此激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束可以使微小物体随光阱移动。因此这种方法可以用于力生物学测量，例如，用纤连蛋白将珠子(由感兴趣的材料制成)包覆，珠子因此可以粘附在细胞等生物样品上，通过光束控制珠子移动，通过检测珠子的位移，可获得生物样品刚度的和与材料表面相互作用的相关信息。

(3)磁珠微流控技术Magnetic bead microrheometry

在流体材料中，利用纤连蛋白将顺磁体珠子包覆，可将珠子与细胞等生物样品的骨架或配体直接相连。将珠子置于磁场中，通过光学显微镜可观察到珠子由磁场引起的移动，可得到位移和作用力的相关信息，以此判断生物样品的力学性质和与流体材料的相互作用状态。

(4)微管吮吸技术Micropipette aspiration

将内径为1ˉ10um的吸移管与细胞进行接触并提供吸力，在显微镜下直接观察细胞的变形及移动。这项技术可用于中性粒细胞、红细胞及外毛发细胞的生物力学测试，尤其适用于哺乳动物红细胞的测试。

(5)牵引力显微技术Traction force microscopy

细胞内肌动蛋白骨架产生的收缩经由粘着斑传递到细胞外基质，会造成弹性基底的形变，牵引力显微技术利用这种形变，拍摄变形前后基底荧光图案，并提取表面变形信息，从而计算出细胞的牵引力场。

现有技术存在以下缺点：

牵引力显微技术可在低细胞粘附密度下同时对多个细胞(一般小于10个)测试并计算细胞与材料的力学相互作用，但无法在高细胞密度(例如同时测量成百上千的细胞)条件下实施，不能测试整块的组织或生物样品，也无法在刚性或不透明基底材料上进行测量，且在测量时，无法对细胞进行生物学测试，无法得到细胞或组织的形貌和生物学信号。此外，该方法需要材料试样(即基底)具备特殊形貌(如柱状阵列或微球阵列)和荧光或其它光学标记处理。