背景介紹

生物材料的形貌、粗糙度和力學性能不僅對細胞的黏附力、形態和力學有很大的影響，還會影響到干細胞的發育。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量，并且還能繪制生物材料、細胞的力學和黏附性能。基于此功能，可以利用AFM表征生物材料及其與細胞的相互作用；并且將AFM與光學顯微鏡相結合，利用光學尋找研究區域，通過熒光技術揭示細胞內部結構，追蹤相應的運動。

應用案例

1. 細胞--細胞外基質的相互作用

細胞外基質為細胞的生長和發育提供了基礎。在體外構建這樣的基質有助于更多地了解細胞-基質的相互作用，并最終促進組織工程在再生醫學領域的發展。

海德堡DKMS科研人員將AFM與旋轉圓盤共聚焦顯微鏡結合，研究黑色素瘤細胞在I 型膠原基質上的生長。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可被設計并符合自然條件。

實驗結果顯示，當黑色素瘤細胞被放入各向同性、隨機定向的I 型膠原基質時，其與基質纖維沒有任何特定的排列（圖1 A）；當在各向異性平行的I 型膠原基質時，黑色素瘤細胞沿著纖維排列，呈紡錘形（圖1 B）；當黑色素瘤細胞可表達基質金屬蛋白酶2 （MMT1，一種切割蛋白質的酶）時，會產生開放式和卷曲的纖維（圖1 C），細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胞示意圖、旋轉圓盤共聚焦圖像和AFM高度圖。膠原蛋白呈綠色，黑色素瘤細胞呈紅色。A為隨機定向膠原基質，B、C是各向異性平行膠原基質，其中C內細胞表達基質金屬蛋白酶。

熒光顯微鏡被用來拍攝大的概覽圖像，從而找到大量的可評估的細胞。AFM成像提供了膠原結構的高分辨率圖像和細胞-基質界面的三維信息，這有助于區分云母載體和膠原基質之間的細胞。

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組織的力學性能，常被用于各種醫療應用，可以利用光刻或沖壓技術、水凝膠合成過程中控制交聯過程，從而調整水凝膠的表面形貌和力學性能，生產定制的基質，并研究修飾對細胞行為的影響。

AFM的Quantitative Imaging（QI）模式結合AFM成像和Force spectroscopy模式，為掃描區域的每個像素提供完整的力曲線，可以計算如高度、楊氏模量、接觸點和黏附力等；而且這種模式允許在沒有側向力的情況下進行成像，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（C、40 nm高度范圍）和楊氏模量(D、40 kPa彈性范圍）成像圖

結論

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，這是細胞和組織的行為和發育的一個關鍵參數；原子力顯微鏡成像以及與其他成像模式的發展和結合，為水凝膠和活細胞等非常柔軟和脆弱的樣品收集定量數據。提供了一系列參數，如楊氏模量、電學和黏附特性。綜上，原子力顯微鏡將進一步推動生物材料研究發展。

*以上案列來自布魯克內部資料

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