用表面微纳米技术研究细胞水平的生物力学

文章介绍了作者所在的实验小组近年来在用表面微纳米技术研究细胞生物学方面取得的进展.由于细胞的尺寸在数微米到数十微米之间,应用微纳米技术可以精细地调控细胞微观环境.作者所在的实验小组应用微流控系统以及表面化学修饰等方法,对细胞正常行为和病理行为进行了一系列研究.通过设计力学刺激装置,对细胞骨架的主要成分——肌动蛋白对细胞的形状以及粘附、迁移等行为的影响进行了系统研究,实现了对肌动蛋白拉伸过程的全程实时动态观察,发现一次拉伸刺激就可以导致肌动蛋白细胞骨架变短,并可以促进肌动蛋白纤维的重组过程.此外,作者所在的实验小组还构建了表面三维结构,以模拟生物体内的拓扑结构,并结合微流控、细胞图案化和多种细胞共培养技术,构建了体外细胞培养和相互作用研究模型,发现细胞形状可以影响其极性和迁移的方向,以及神经细胞突起可以感受表面层粘连蛋白的浓度梯度等一系列有趣的现象,并对其机理进行了探讨.     

细胞生物力学

文章评述了组成细胞的各种材料与亚结构的力学特性,细胞及其分子所产生的力和细胞对力作用的响应,介绍了描述细胞形态结构与力学行为的本构方程和研究细胞力学的有关实验技术.内容不仅包括有关细胞生物力学各种主要及最新的研究成果,而且还包括作者对细胞力学的有关实验与理论研究结果,还有许多可供从事生命科学研究人员研究参考的有关细胞生物力学详实而又系统的资料和数据.     

离子束蚀刻微透镜中蚀刻深度允许误差的研究

基于衍射光学原理,获得了微透镜的衍射效率与蚀刻深度误差之间的关系式。研究表明,离子束蚀刻中目前采用的时间控制法可满足Ｌ＝１时的微透镜微加工要求,但未能满足Ｌ＞１时的微透镜微加工要求。对Ｌ＞１的情形,需要提高蚀刻深度控制精度以使蚀刻深度的误差小于８７ｎｍ。     

超短脉冲激光微束对细胞作用的研究

本文详细地介绍了我们自己设计和安装的一个Nd:YAG超短脉冲激光微束系统,该系统分成二个部分:激光源和显微镜。由电光调Q非稳腔Nd:YAG激光倍频后得到355nm紫外光进入显微镜并由物镜聚焦。同时,这超短脉冲激光微束照射在细胞上并且在细胞上产生一个可以自恢复的小孔。在文中我们还讨论了超短脉冲激光微束与细胞之间作用效应及机理。     

神奇的纳米技术

 一、科学巨匠遭冷遇,柳暗花明又一村著名物理学家,诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼在1959年12月29日召开的美国物理年会上满怀激情地发表了《底层大有可为》的报告,大胆提出“用原子搭积木”的设想。他说:“当我们深入并游荡在原子周围,我们将按照不同的定律活动,会遇到许许多多新奇的事情,能以全新的方式生产,完成异乎寻常的工作。”并提出“我们为什么不可以从单个分子甚至原子开始进行组装,达到我们的要求?”当时连分子、原子是什么样都看不着,谈何对原子进行操纵组装呢?简直是痴人说梦。     

微流动细胞颗粒中介电泳力的分析

介电泳分离方法的研究在微电子机械系统及生物领域具有广泛的应用前景.本文对介电泳作用下细胞颗粒在微通道电解溶液内流动进行了理论分析,对作用在分离流动方向细胞颗粒上的介电泳力和粘性力进行了分析.模拟了交流电场在频率1000 kHz微通道内三维电势分布和不同时间的介电泳力分布变化.     

基于液滴界面不稳定性的表面粗糙聚合物微球的制备及其细胞捕获应用

具有不同组成和形态的聚合物颗粒近来受到越来越多的关注,它们的表面粗糙度显著影响着其理化性能,尤其在调节生物材料与生物系统间的相互作用中发挥着重要作用.本文设计了一种具有表面可调褶皱结构的聚苯乙烯微球.首先通过微流控装置产生尺寸均一的含有疏水聚合物和助表面活性剂的液滴.在有机溶剂的挥发过程中,不断收缩的液滴出现界面不稳定现象.表面面积自发增大,固化后得到表面具有褶皱的微球.研究结果表明,调节助表面活性剂的浓度以及溶剂挥发速率均可以有效调控微球表面粗糙程度.循环肿瘤细胞捕获实验表明,这种褶皱结构能明显增强细胞黏附力,提高细胞捕获量.以上这些特征表明这种表面褶皱微球将在生物医学分析领域具备良好的应用前景.     

激光细胞微手术的发展和应用

现代生命科学的发展在很大程度上依赖于对活细胞的加工和操纵,比如切除细胞内的某些特定蛋白或细胞器等.激光细胞微手术是一个强有力的工具,近年来在细胞微手术精度控制方面取得很大的进展.综述了激光细胞微手术的最新发展及其在生物学和生物医学工程中的应用,对目前激光细胞微手术中存在的主要问题进行了讨论,对比了普通激光聚焦法、飞秒激...     

激光微束辐照剂量对细胞存活率外源物质导入率影响的研究

本文介绍了一套经过改进的Nd:YAG紫外激光微束系统,以小鼠巨噬细胞及Hela细胞为实验材料,并利用多种荧光物质作为导入物,系统地研究了激光微束辐射剂量与细胞存活率、外源物质导入率的关系,为深入地研究激光微束与细胞的相互作用机理摸索出优化条件.     

神奇的纳米技术与军事革命

 20世纪80年代末,一门新颖、独特、颇具神奇色彩的科学技术---纳米技术悄然兴起,并立即引起世界各国的广泛关注和重视。短短十几年中,纳米技术在世界范围内的研究和应用得到了卓有成效的发展,并已成为21世纪的前沿战略科技。一、神奇的纳米技术1nm=10-9m。所谓纳米技术,是在0.1～100nm的尺度空间内研究电子、原子和分子的运动规律及特性,通过微观环境下操作单个原子、分子或原子团、分子团,以制造具有特定功能的材料或器件为最终目的的一门崭新技术。它包括纳米电子技术、纳米材料技术、纳米机械制造技术、纳米显微技术及纳米物理学和纳米生物学等不同的学科和领域。     

物理学在肿瘤细胞的极性及迁移研究中的应用

肿瘤细胞和所处微环境的物理性质, 以及它们之间的相互物理作用对于肿瘤的产生、发展与转移都有极大的影响, 这使得从物理学角度探索肿瘤研究成为了必然趋势. 肿瘤转移是癌症致死的最大因素, 而肿瘤细胞迁移中的极化是肿瘤转移的重要一步. 本文总结了物理学实验和模型在揭示细胞迁移和极化机理方面的贡献. 实验上应用最新的微流控芯片技术与表面微模型化技术等手段, 研究空间维度、黏附行为、机械力等物理信号对于细胞极性的建立与保持以及细胞迁移行为的影响后, 发现物理信号与生化反应之间的相互耦合对于细胞迁移有着至关重要的作用; 理论上基于扩散反应方程, 已经建立了一系列表征细胞极化的模型. 今后的研究将结合物理实验建立肿瘤细胞迁移中的极化模型, 进而发展针对肿瘤细胞感知物理信号的新的治疗肿瘤转移方法.     

全息制作不同晶面取向光子晶体模板

用单向光入射和单次曝光的激光全息技术制作了类金刚石结构, 此类金刚石结构有宽完全带隙和低介质折射率要求等优点. 在同一种光束配置下，引入恰当的匹配棱镜，用激光全息技术制作了大面积的类金刚石光学晶格不同晶面取向的亚微米周期结构. 满足如负折射效应等研究中所需的特殊晶面取向要求. 关键词： 激光全息技术 光学晶格 光子晶体     

大面积10000线/毫米软X射线金属型透射光栅的设计、制作与检测

基于严格的矢量耦合波理论,优化设计了用于13.4nm软X射线干涉光刻的透射型双光栅掩模版. 采用电子束光刻技术,在国内首次成功制作了周期为100nm的大面积金属型透射光栅.光栅面积为1.5mm ×1.5mm,Cr浮雕厚度为50nm,Gap/period为0.6,衬底Si₃N₄厚度为100nm. 此光栅将用于上海光源软X射线干涉光刻实验站.利用其1级衍射光和2级衍射光将可以经济高效地制作周期为50和25nm的大面积周期结构.最后,测量了该光栅对波长为13.4nm 同步辐射光的衍射光强度,并且推算得出该光栅的1级和2级衍射效率分别为4.41%和0.49%,与理论设计值比较符合.实验结果与理论模拟结果的对比表明该光栅侧壁陡直,Gap/period的控制也与设计值符合. 关键词： 软X射线金属型透射光栅 严格耦合波方法 衍射效率 软X射线干涉光刻     

纳米压印技术制备表面光子晶体LED的研究

利用表面光子晶体能大幅提高发光二极管(LED)的外量子效率, 但如何制备大面积的纳米光子晶体是该研究方向的主要难点之一. 本文基于纳米压印技术在氮化镓基发光二极管(GaN-LED)表面制作孔状二维光子晶体. 通过以金属和聚合物双层掩膜干法刻蚀法, 得到了很好的光子晶体图形转移效果. 最终在LED的p-GaN层表面获得了大面积光子晶体, 周期为450 nm, 纳米孔直径为240 nm. 器件测试结果显示, 有表面光子晶体的LED比没有光子晶体的LED, 光致发光强度峰值提高到了7.2倍.     

Improvement of solar cell efficiency by applying Si3N4 nanopattern on glass substrate

A cylindrical Si₃N₄ nanopattern whose heights was 200 nm was fabricated on a glass substrate, and an aluminum-doped zinc oxide (AZO) layer was grown on the nanopatterned glass substrate. The nanopattern was applied to an amorphous silicon solar cell in order to increase the light-scattering effect, thus enhancing the efficiency of the solar cell. The reflectance of the solar cell on the Si₃N₄ nanopattern decreased and its absorption increased. Compared to a flat substrate, the short-circuit current density (J_sc) and conversion efficiency of a solar cell on the Si₃N₄ nanopatterned substrate were improved by 17.9% and 24.2%, respectively, as determined from solar simulator measurements.     

Enhanced light emission from InGaN/GaN quantum wells by using surface plasmonic resonances of silver nanoparticle array

The effect of silver nanostructures prepared by nanosphere lithography on the photoluminescence（PL） properties of blue-emitting In Ga N/Ga N quantum wells（QWs） is studied. Arrays of silver nanoparticles are fabricated to yield a collective surface plasmonic resonance（SPR） near to the QWs emission wavelength. A large enhancement in peak PL intensity is observed, when the induced SPR wavelength of the nanoparticles on the QWs sample matches the QWs emission wavelength. The study proves that the SPRs could enhance the light emission efficiency of semiconductor material.     

Motile parameters of cell migration in anisotropic environment derived by speed power spectrum fitting with double exponential decay

Cell migration through anisotropic microenvironment is critical to a wide variety of physiological and pathological processes.However,adequate analytical tools to derive motile parameters to characterize the anisotropic migration are lacking.Here,we proposed a method to obtain the four motile parameters of migration cells based on the anisotropic persistent random walk model which is described by two persistence times and two migration speeds at perpendicular directions.The key process is to calculate the velocity power spectra of cell migration along intrinsically perpendicular directions respectively,then to apply maximum likelihood estimation to derive the motile parameters from the power spectra fitting with double exponential decay.The simulation results show that the averaged persistence times and the corrected migration speeds can be good estimations for motile parameters of cell migration.     

InAs/GaAs表面量子点的压电调制反射光谱研究

运用压电调制反射光谱(PzR)方法测量了在以GaAs(311)B为衬底的In_0.35Ga_0.65As模板上生长的InAs表面量子点结构的反射谱.在77K温度下，观察到了来自样品各个组成结构(包括表面量子点本身、被覆盖层覆盖的量子点、In_0.35Ga_0.65As模板以及GaAs衬底等)的调制信号.来自表面量子点本身的调制信号是多个清晰的调制峰.用一阶和三阶微分洛伦兹线形对PzR谱中对应结构的实验数据进行了拟合，精确确定了与样品的各个组成结构相对应的调制峰的能量位置.对不同样品PzR谱的差异进行了定性的说明. 关键词： 压电调制光谱 InAs/GaAs 表面量子点 洛伦兹线形拟合     

Effect of surface roughness of TiO2 films on short-circuit current density of photoelectrochemical cell of ITO/TiO2/PVC-LiClO4/graphite

This paper reports the effect of surface topography of titanium dioxide films on short-circuit current density of photoelectrochemical solar cell of ITO/TiO₂/PVC-LiCLO₄/graphite. The films were deposited onto ITO-covered glass substrate by screen-printing technique. The films were tempered at 300 °C, 350 °C, 400 °C, 450 °C and 500 °C for 30 min to burn out the organic parts and to achieve the films with porous structure. The surface roughness of the films were studied using scanning electron microscope (SEM). Current–voltage relationship of the devices were characterized in dark at room temperature and under illumination of 100 mW cm⁻² light from tungsten halogen lamp at 50 °C. The device utilising the TiO₂ film annealed at 400 °C produces the highest short-circuit current density and open-circuit voltage as it posses the smoothest surface topography with the electrolyte. The short-circuit current density and open-circuit voltage of the devices increase with the decreasing grain size of the TiO₂ films. The short-circuit current density and open-circuit voltage are 0.6 μA/cm² and 109 mV respectively.