生物微小样品力学加载测试系统科普简介 蒋乐伦 乔西凤* 黄勇 凌金田 陈珂云 潘程枫 张素华 （中山大学广东省传感技术与生物医疗仪器重点实验室，广州510006） E-mail: qiaoxifeng.787@163.com

 

在科学研究和工业应用研究中，很多样品尺度越来越小，微小样品力学性能的精确检测和分析,对研究其性能至关重要。那什么是力学性能呢？力学性能是指材料在不同环境下，承受外加的拉伸、压缩、弯曲等时所表现出来的力学特征。例如，相同形状的钢材和木材，将其折断，所用的力大小是不同的，我们称其力学性能是不同的。 随着光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜的发展，目前科学家正从微观层面研究单根静电纺丝、单根植物纤维、蚕丝、蜘蛛丝以及一些金属聚合物薄膜等微小样品的力学性能，同时显微观测样品的微结构变形，更深入了解样品的力学性能与微观结构之间的关系，使力学研究从宏观层面转向微观层面，从而为工业生产与生活作出贡献。
1 生物微样品力学加载测试系统的组成 国外微纳力学实验仪器主要有三种：原子力显微镜、纳米压痕仪以及微力测试系统。原子力显微镜通常的工作载荷上限是1mN，主要功能是微观形貌检测。另一种是纳米压痕仪，以Hysitron公司的TriboIndenter为例，其最大工作载荷是12.6mN，比原子力显微镜高10倍，其载荷分辨率为3nN，可实现的最小位移为0.2nm，主要功能是材料表面力学性质检测。对于最大载荷落在10mN-500mN范围内的加载试验，上述两台仪器都不能胜任。对于微米级样品可适用的商业化仪器只有Agilent公司的T150UTM纳米力学测试系统。T150 UTM的载荷分辨率为50nN，位移分辨率0.1nm。该系统要求样品大小可目视，试验时依靠手工安装固定样品，不具备微米级样品试验所需要的显微与微操作的功能。商业化的微力试验机和纳米压痕仪功能单一，无法实时显微观测试验过程；基于AFM测试系统，量程太小，无法满足微牛级至毫牛级的加载需求。 图1即为中山大学生物医学工程创新团队自主研发的生物微小样品微力加载测试系统原理图。该系统主要由防震台、XY轴微米定位平台、多功能夹具、微力传感器、压电陶瓷促进器、直线电机驱动器、显微成像系统、CCD摄像机、高倍放大变焦镜头等部分组成，直线电机驱动器可实现多自由度快速精确移动，微力传感器可实现对生物微样品的拉伸、压缩、弯曲、剥离等力学加载，同时测量加载位移与载荷，高倍放大变焦镜头可实现微样品的自动对焦并实时监测实验过程，观察与记录加载中样品的微观结构变形，显微成像系统可实现三维定位，微力加载控制，力学参数计算分析，显微图像后处理等。图2为生物微样品微力加载系统经过外协加工后的外观图。该系统可以对10-1000 m大小的样品施加0.5mN-1N力的作用；其中位移驱动的最大行程是90 m（约为一根头发丝的直径），位移精度1nm（相当于头发丝直径的五万分之一）；而且显微监测放大倍数为250-2500（相当于将1根头发丝放大至拇指到手臂的大小）。系统在对生物微小样品的测试过程中，将同步地测量力的大小及样品变形情况，通过传感器采集力，位移，图像等信号，并通过开发程序处理实验数据。

 

图1 生物微样品力学加载实验系统原理图 (A) 防震台；(B) XY轴微米定位平台； (C) 多功能夹具；(D) 纤维丝； (E) 微力传感器； (F) 压电陶瓷促动器；(G) 直线电机驱动器； (H) 显微成像系统；(I) CCD摄像机； (J) 高倍放大变焦镜头。

 

2 生物微样品力学加载实验系统的力学测试过程及应用点 本系统目前可用于微小样品（包括静电纺丝、单根植物纤维、蚕丝、蜘蛛丝、薄膜以及细胞样品等）的力学测试。下面举两个例子加以说明。 第一个例子是静电纺丝的力学测试。医用缝合线广泛应用于伤口缝合治疗，需要具备抗拉强度高，良好的生物相容性。乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)是一种应用广泛的生物可降解高分子材料，它具有较好的生物相容性，优良的抗张强度，稳定性和无毒性，组织反应极小等优点[1-3]，可以广泛地应用的可降解的医用缝合线。将PLGA制成静电纺丝，PLGA静电纺丝是微米级，即微米丝，具有缺陷少，相对强度高等优点，将其纺成线，可以提高医用缝合线的力学强度。目前国内外对PLGA材料力学性能研究大部分限于支架和纤维膜方面，在单根PLGA微米丝以及单根与单根之间不同排布方式对PLGA力学性能影响方面研究较少。而利用本团队研发的生物微小样品力学加载测试系统可以检测其力学性能，将PLGA微米丝样品装夹于力学加载实验系统中，如图3 (a)为PLGA微米丝断口形貌的扫描电镜图片，图3 (b)所示为单根PLGA微米丝在不同排布方式下的力学性能曲线。测试的微米丝均表现出明显的线弹性行为，没有金属所具有的塑性屈服阶段，微米丝的拉伸都为典型的韧性断裂。随着微米丝数量的增加，抗拉强度呈上升趋势。微米丝的不同排布方式对纤维的力学性能影响很大，相同数量的PLGA微米丝缠绕排布时力学性能成倍增长，近两倍于两根丝的平行排布方式；三根微米丝在缠绕排布状态下时抗拉强度是三根丝平行排布的2.38倍。这是由于缠绕排布后，丝与丝接触面之间形成了一定的摩擦力，使得微米丝能够在拉伸可以承受更大的外力作用。另一方面，缠绕后的微米丝等效直径变大，抗拉强度也相应增加。 

 

图3 PLGA微米丝断口形貌的扫描电镜图片及微米丝的力学性能曲线 (a) PLGA微米丝断口形貌的扫描电镜图片；(b) 单根微米丝在不同排布方式下的力学性能曲线

第二个例子是日常生活中常见的蜜蜂蜂针蛰刺的力学测试。众所周知，蜜蜂尾部的蜂针可以蜇人，而人类利用蜜蜂蜂针做为针具，循经络皮部和穴位施行不同手法的针刺，蜂针产生的蜂毒可以止痛，治疗风湿、类风湿、神经痛等疾病。据发现蜜蜂蜂针长度只有0.6-1.2cm长，而且蜂针是连着蜜蜂内脏的，当它蜇人之后蜂针会连同内脏一起被拔出，因此蜜蜂蜇人后会立刻死亡。既然蜂针蜇人后自己需要付出生命之代价以及其产生的蜂毒具有治疗疾病的效果，那么我们就会好奇蜂针蛰刺皮肤的力学过程是怎样的？以及我们如何才能检测蜜蜂蜂针蛰刺皮肤所用力之大小呢？鉴于此，本团队计划利用生物微小样品力学加载测试系统来尝试。具体实验方法是：首先用镊子固定蜜蜂身体并让其蛰刺乳胶手套，待蜜蜂释放蜂针准备蛰刺时，立即将蜜蜂提起，随后蜂针即可留在乳胶手套中，见图4即为蜂针拔出过程以及蜂针在刺入或拔出过程中力与时间曲线图。如图4 (a)所示，A-B段即为蜂针在穿刺过程中所受的力，而且穿刺力会随着穿刺时间的增加而增大，穿刺力最大可达到将近15mN；B-C段则是蜂针在拔出过程中会因为乳胶的弹性形变的原因，短时间内的拔出力是不会发生变化的；而C-D段则显示拔出力最大可将近60mN，其远远大于穿刺力，导致此现象的原因是受到蜂针倒刺的影响，这也是蜜蜂蛰刺人之后需要付出生命之代价的原因；D-E段显示蜂针全部从乳胶中拔出来；E-F段显示蜂针从乳胶中拔出后，此时力为零。

 

图4 蜜蜂蜂针拔出过程及蜂针在刺入和拔出过程中力与时间的关系图 (a) 蜂针在刺入和拔出过程中的力与时间关系图；(b) 蜜蜂蜂针拔出过程图

3 展望 目前微纳力学加载实验平台的夹具只适合用于夹持或拉伸纤维状、针状或薄膜类生物样品，却不适合用于体外培养的动植物细胞的力学加载，而且目前此系统的水平数字光学显微镜的位置也不适合用于细胞样品的显微观测。为了能够让此系统实现更多的功能，未来本团队还会将此仪器不断完善升级，并将重新设计可对体外细胞施加力学加载的夹具系统以及配备倒置荧光显微镜活细胞培养系统以达到适合体外细胞生长的环境。新一代的生物微小样品力学加载测试系统不仅将实现对细胞的力学加载，而且可对细胞进行长时间的实时观测，并借助于分子生物学技术可以观测到细胞的生长、细胞形态、细胞骨架及细胞信号转导的变化。系统预期可以实现微小的机械刺激对体外多种类型动物细胞的增殖与分化以及应力对植物细胞分裂的影响及力学刺激后的细胞信号转导、生物电信号的测量等领域，从而可以弥补目前微纳力学测试仪器或因量程过小或因功能单一而导致的试验工具空白。尤其是希望通过本项目的实施，打破国外大公司对现有生物医学领域微纳实验仪器的垄断，并为国内高端生物医疗原创性重大科研仪器设备的研制及产业化发展做出贡献。
参考文献
[1] Bashur CA, Dahlgren LA, Goldstein AS. Effect of fiber diameter and orientation on fibroblast morphology and proliferation on electrospun poly (D, L-lactic-co-glycolic acid)meshes. Biomaterials, 2006, 27:5681~5688. [2] Kim TG, Park TG. Biomimicking extracellular matrix: cell adhesive RGD peptide modified electrospun poly(D,L-lactic-co-glycolic acid) nanofiber mesh.. Tissue Eng, 2006, 12 (2):221~233. [3] Yang J, Shi G, Bei J, et al. Fabrication and surface modification of macroporous poly (L-lactic acid) and poly (L-lactic-co-glycolic acid) (70 /30) cell scaffolds for human skin fibroblast cell culture. J Biomed Mater Res, 2002, 62 (3): 438~446.