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Suite软件研究异质软材料的纳米力学,到细胞跳动
分类:科技生活

近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控与生物力学研究室在异质软材料的纳米力学研究领域取得新进展,该研究为非均软物质,特别是对具特异性的生物材料的纳米力学的测量提供了高效的新方式。相关成果以Atomic force microscopy methodology andAFMech Suite software for nanomechanicson heterogeneous soft materials(《利用原子力显微镜和AFMech Suite软件研究异质软材料的纳米力学》)为题发表在Nature communications上,论文第一作者为深圳先进院博士Massimiliano Galluzzi。

近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控与生物力学研究室在异质软材料的纳米力学研究领域取得新进展,该研究为非均软物质,特别是对具特异性的生物材料的纳米力学的测量提供了高效的新方式。相关成果以Atomic force microscopy methodology and AFMech Suite software for nanomechanics on heterogeneous soft materials(《利用原子力显微镜和AFMech Suite软件研究异质软材料的纳米力学》)为题发表在Nature communications上,论文第一作者为深圳先进院博士Massimiliano Galluzzi。

美国加州大学圣地亚哥分校研究人员开发出一种超灵敏探测装置,其灵敏度要高出原子力显微镜10倍,能够收集并量化微弱的力和声音。他们5月15日发表在《自然·光子学》杂志上的论文称,这一装置可以感受到细菌移动产生的力量,能“听”到心肌细胞跳动的声音。

软物质材料纳米力学的测量,一直是材料科学家的重要挑战,生物材料的内在异质性,一直对其力学性质的量化造成阻碍。而基于原子力显微镜技术,非均质软材料的力学与形貌特征可以在液相中被精确地测量。因此,团队提出一个3步走的方法来量化研究生物样品:精确的AFM矫正;应用力曲线阵列模式进行纳米压痕;由AFM压痕数据所构建有限元模拟计算。团队结合实验结果与模拟计算成功测定了生物材料的内部几何形状、多层结构的性质以及界面间的摩擦。为了能方便地对AFM测量的原始数据和模拟数据进行比较、分析,团队针对性地编写了一个软件:AFMech Suite,该软件包含5个交互接口,分别用于同步矫正、形貌学、粘附性、力学以及模拟分析。团队选择了掺入硬球的柔性水凝胶作为软物质模型来模拟生物的一级多样性,并用此模型成功验证了上述方法。最后,团队将该方法应用于测定培植于软/硬的水凝胶上的大肠杆菌的纳米力学与形貌,证明了该方法在生物领域的适用性。

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该装置是一种直径只有人类头发直径百分之一的纳米光纤,由极薄的二氧化锡纤维制成,表面涂上聚乙二醇薄层,并嵌有金纳米粒子。其工作原理是:当被光线照射时,金纳米粒子会与光相互作用,将光散射。这些光信号以特定的强度出现,可以用传统显微镜观察到。当光纤被置于含有活细胞的溶液中时,来自细胞的力或声波会撞击金纳米粒子,将它们推入聚乙二醇涂层,从而更接近光纤,粒子与光的相互作用会更强烈,产生的光信号会更强。通过对光信号进行分析,研究人员可检测出光纤从周围细胞拾取的力或声音的强度。

论文链接

当这一装置被放置在含有活幽门螺旋杆菌的溶液中时,它可以检测到160飞牛顿(10万亿分之一牛顿)的力,这也是幽门螺旋杆菌在肠道中移动产生的力量。而若把其放置在小鼠心肌细胞的培养液中,它能检测到心肌细胞跳动的声音,这比人耳所能听到的最弱音量还要低1000倍。

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该装置的关键是聚乙二醇涂层,它就像一个弹簧垫,要足够灵敏才能被细胞产生的微弱的力或声波压缩到不同的厚度。而这一涂层是可以调整的:如果想要测量更大的力,可以使用更硬的涂层;如果要测量的力很小,则可以使用像水凝胶一样的较软涂层。

软凝胶上的大肠杆菌的硬度图以及硬度与压痕深度的断层图。

研究人员表示,作为一种超灵敏的纳米机械探测工具,新装置为研究一些微弱力提供了有力支持。它不仅能够收集微弱的力和声音,还可以对其进行量化;不仅比原子力显微镜更灵敏,也比原子力显微镜更小巧。他们计划使用这种纳米光纤来测量单个细胞的生物活性和机械行为;改善这种光纤的“听力”,以创建超灵敏的生物听诊器,并用于开发新的成像技术。

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