[发明专利]一种用于细胞力学检测的弹簧纳米线探测器及其检测方法

说明书

本发明公开一种用于细胞力学检测的弹簧纳米线探测器，包括一端固定于微机械操作平台上的垂直型三维状纳米线弹簧或水平波浪线型纳米线弹簧，所述垂直型三维状纳米线弹簧或水平波浪线型纳米线弹簧的另一端末端为直线型或钩状的悬空结构；当所述直型三维状纳米线弹簧或水平波浪线型纳米线弹簧的另一端末端为直线型时，所述直线型的纳米线末端表面设有荧光标记物。本发明通过控制纳米线弹簧的实时形变观察即可测试相关力学性质，且端部设有悬空的纳米级探头，可实现对细胞无损伤检测。

技术领域

本发明涉及细胞力学测试领域，具体涉及一种用于细胞力学检测的弹簧纳米线探测器以及检测细胞力学的方法。

背景技术

细胞相关力学性质的检测，包括重量、穿透细胞膜所需的力、细胞膜和细胞骨架变形、细胞粘附力等，对研究细胞生长过程（如粘附、增殖、分化和凋亡）和检测细胞内物质（离子通道、蛋白、遗传物质）有重要意义，有助于理解外界力刺激对改变细胞状态和操控细胞行为（如药物输运、基因调控）的机制研究。研究表明，细胞与外界产生力学作用的部位主要为细胞膜结构和细胞外基质结构。其中的细胞膜是一层磷脂构成的6纳米左右厚的弹性膜，为细胞与外界提供了一个天然的屏障，为此基于纳米线结构的力学穿刺细胞膜为药物和细胞内物质检测试剂的输送提供可能，然而采用多大的外力能够穿过细胞膜而不损伤细胞则是操作的难点。另外，细胞通过细胞外基质与衬底材料发生作用，形成力（如粘附力和牵引力）的作用，进而调控细胞的粘附和迁移。因此，如何能够精准测量穿过纳米级厚度的细胞膜所需的外力以及细胞膜与培养衬底之间作用力是细胞力学研究的重点。

目前检测细胞力学的常用方法有：将细胞培养在长的竖直纳米线阵列表面，细胞与衬底的牵引力将引起纳米线阵列水平方向的弯曲的变形，通过测量纳米线的变形量，计算应力（Feng H et al, Nano Energy, 2018, 50: 504-512）；或者将细胞培养在长的竖直纳米线阵列表面，外加平板加压，使阵列穿过细胞膜，测试所需应力；或者基于原子力显微镜针尖的高精度刻蚀（如聚焦离子束），测量纳米针插入或撤出细胞时的力-位移曲线，以此获得细胞力学的相关参数 (Obataya I, et al, Nano Lett. 2005, 5(1): 27-30，Aramesh M, et al, Nat Nanotechnol, 2019, 14: 791-798)。显然，大量的阵列化纳米线同时作用于细胞限制了力学检测的分辨率，且插入细胞内部对细胞损伤较大。而原子力显微镜针尖测试的制备成本高，且无法实现对探针形貌设计以满足不同的测试需求。

因此，亟需开发一种细胞力学检测器件，简单、安全、精确且可个性化设计地实现对细胞力学的检测。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种力学性能好、适用范围广且制造成本低的弹簧纳米线探测器，同时本申请还涉及到该弹簧纳米线探测器的制备方法以及检测方法。

技术方案：一种用于细胞力学检测的弹簧纳米线探测器，其特征在于：包括一端固定于微机械操作平台上的垂直型三维状纳米线弹簧或水平波浪线型纳米线弹簧，所述垂直型三维状纳米线弹簧或水平波浪线型纳米线弹簧的另一端末端为直线型或钩状的悬空结构；当所述垂直型三维状纳米线弹簧或水平波浪线型纳米线弹簧的另一端末端为直线型时，所述直线型的纳米线末端表面设有荧光标记物。

本发明还涉及一种纳米线弹簧探测器检测细胞力学的方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

第一步，将末端为钩状结构的水平波浪线型悬空纳米线弹簧或直线型悬空三维纳米线弹簧，末端设有荧光标记物的直线型悬空三维纳米线弹簧或水平波浪线型悬空纳米线弹簧固定在微机械操作平台上；

第二步，移动微机械操作平台使上述荧光标记的纳米线弹簧细胞力学检测器件与细胞接触，逐渐降低平台高度，通过激光共聚焦荧光显微镜观测纳米线端部荧光强度的变化以判定检测器件是否穿过细胞膜进入细胞内部，并通过弹簧形变与力学的关系，检测穿入细胞膜所需力的大小；