AFM force spectroscopy and its applications on micro biomechanics

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度, 在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象, 探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息, 并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵. 从而对分子结构与构象变化, 分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时--原位观测, 提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理, 以及影响测量结果的各个参数的物理意义; 其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式, 详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展; 之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用; 最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.     

原子力显微镜力谱技术及其在微观生物力学领域的应用

基于原子力显微镜技术的力谱技术是一种高灵敏度的力学检测方法.它能够以前所未有的精度,在微观生物力学领域表征组织、细胞、生物膜、蛋白质、核酸、功能材料等目标对象,探索其包括形貌、化学信息、导电性、静电力以及生物学特性在内的等信息,并且能够对其进行分子级别精度的三维操纵.从而对分子结构与构象变化,分子间的相互作用以及反应历程实现单分子水平的实时–原位观测,提供了其他测试方法不能完成的实验设计之可能性.本文首先介绍了原子力显微镜及其力谱技术的原理,以及影响测量结果的各个参数的物理意义;其次按照单个目标对象与配对目标对象的区分方式,详细介绍了力谱技术在微观生物力学各个尺度上的研究进展;之后介绍了力谱技术结合成像模式下的发展和应用;最后对设备的改进和本研究领域发展方向进行了展望.     

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能的试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具有一定的减摩性.通过对其表面力-位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用.     

针尖的分子生物物理力学研究进展

围绕包括扫描探针显微镜在内的各种探针技术下核酸、蛋白质等生物分子及生物材料的生物力学与力 - 电耦合实验研究, 较系统地总结了分子层次或纳米尺度下生物分子和材料的力学性能的扫描探针显微镜、光镊、磁镊等探针技术的实验研究方法和主要进展, 进而探讨了在``针尖'这个极小、极特殊环境下的分子生物物理力学研究状况.通过介绍借助探针技术研究相关生物物质的结构、力学、电学等性能以及提出的一些理论模型, 指出探针技术在生物分子（包括遗传物质和蛋白质）力学性能、纳米生物材料结构及分子仿生等研究中的广泛意义.提出多场耦合作用下的针尖的生物物理力学研究必定是将来研究的重点;将针尖的分子生物力学的物理实验研究与分子物理力学理论、计算科学相结合, 发展分子物理力学虚拟实验技术是本领域的一个重要发展方向.      

石英岩表面分子沉积膜的微观摩擦性能试验研究

利用原子力显微镜对石英岩表面单层分子沉积膜的微观摩擦特性进行了研究,发现该分子沉积膜具且定的减摩性。通过对其表面力－位移曲线、表面形貌像、调制力像和摩擦力像的进一步分析表明,石英岩表面分子沉积膜具有减摩作用的原因在于它能够降低表面的粘着力并对表面具有微观修饰作用。     

原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(?)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.      

微观摩擦学研究进展

早在十九世纪中叶就有人试图从原子、分子水平上揭示摩擦过程的本质，然而直到原子力显微镜和摩擦力显微镜问世之后的本世纪八十年代，学术界才明确提出了微观摩擦学这个概念。为了推动微观摩擦学的发展，对微观摩擦学的研究方法及其最新研究进展作了综合介绍与评述。微观摩擦学在基础研究方面首先是从边界润滑之研究提出的，而在应用方面则是从磁头－盘之润滑提出的；在研究方法上主要是原子力显微镜、ＬＢ膜技术、表面力装置、石英晶体微量天平、红外、电子能谱和计算机分子动力学模拟等。目前，微观摩擦学主要应用于高密度磁纪录介质的摩擦学研究，同时还应用于微型机械和大规模集成电路的制造，以及微观摩擦、粘着与磨损行为的基础研究等方面，除此以外，还简明地指出了今后微观摩擦学研究应当重视的若干问题。     

细胞粘附的生物力学研究进展

介绍了细胞粘附的生物力学领域的进展和基本概念,对生物力学中这一新领域的研究进行了评价．同时对力学分析方法和试验方法给予评论,而这些方法示明：细胞粘附的生物力学研究趋势是从细胞力学至分子力学,而在不久将来将进入微观力学范畴     

细胞力学实验技术研究

本文介绍了近年来现代生物力学领域内,细胞力学研究过程中所采用的各种实验技术,并根据实验方法的不同将其大致归纳为四类：单个细胞加载实验技术,细胞介质间接及流变学加载实验技术,细胞基底应变加载技术,细胞分子学加载技术,并指出细胞乃至分子的力学实验技术的进展将对细胞生物力学的发展起着决定性的作用,特别是对生物医学工程的最前没领域-组织工程学中的应力与生长有着重大的影响。     

粒子图像测速技术研究进展

粒子图像测速技术(PIV)作为一种全新的无扰、瞬态、全场速度测量方法,在流体力学及空气动力学研究领域具有极高的学术意义和实用价值.本文对PIV技术的原理、分类作了简要地介绍,详细归纳和评述了现有的各种速度信息的提取方法,并对拓扑图论、神经网络、遗传算法、模糊聚类等新技术在PIV中的应用以及三维PIV技术、两相流PIV测试技术进行了介绍.指出当前PIV技术除了向三维和多相流方向发展外,如何提高PIV的测量精度以及缩短计算时间仍然是目前研究的主要目标.PIV技术随着计算机技术、激光技术和CCD性能的发展,必将取得更大的发展与突破      

Microfabricated Force Sensors and Their Applications in the Study of Cell Mechanical Response

Living cells are sensitive to their mechanical environments and they transduce mechanical stimuli into biological responses. Developing suitable experimental techniques is essential to explore the question on how cells respond to mechanical stimuli. The current major techniques normally induce small cell deformations and measure their corresponding cell force response (small) in the range of 1 pN to 10nN. However, in many physiological conditions, cell deformations can be large (comparable to the cell sizes) inducing large force response. In order to explore cell mechanical behavior under large deformations, we introduce a class of microfabricated force sensors. The sensors, consisting of a probe and flexible beams, normally measure cell force response in the range of 1nN to 1μN. Both the one- and two-component force sensors have been developed, and have been used in cell experiments. These experiments showed the versatility of the force sensors. Representative experimental results on cell stretch force response, cell indentation force response, and in situ observation of the actin cytoskeleton during indentation, will be given. These results provide significant insight on cell mechanical response under large deformations.     

In Situ Mechanical Testing of Hydrated Biological Nanofibers Using a Nanoindenter Transducer

Nanoscale biological fibers, such as collagen, keratin or elastin, serve as building blocks for a wide variety of biological tissues (for example, bone, skin and hair). As such, the elasticity, strength and damage tolerance of these fibers largely control the mechanical performance of tissues at the macroscale. While there is a large body of experimental data for tests on whole biological tissues at the macroscale, mechanical tests on individual biological fibers are scarcer because of their small size (400?nm diameter or less). Isolating, imaging, handling and testing these fibers in hydrated conditions are significant challenges. The AFM-based and MEMS-based techniques developed in the past to test such fibers offer high displacement and load resolution, but they lack the stroke and force capability required to fracture strong and highly extensible fibers such as collagen fibrils. In this work, a microscale mechanical testing platform capable of measuring the tensile stress?Cstrain response of individual type I collagen fibers and fibrils was developed and validated. The platform is composed of a capacitance-based, nanoindenter transducer, an optical microscope to monitor the deformation of the sample in situ and a set of micromanipulators to isolate and handle individual fibers and fibrils. Our preliminary results on type I collagen demonstrate the feasibility of monotonic and cyclic tensile tests under the optical microscope and in hydrated conditions. The setup can be used to study the elasticity, strength and damage tolerance of type I collagen fibers and fibrils (using cyclic tests), and our preliminary data are consistent with existing experiments and predictions from numerical models. This setup offers the advantage of being composed from relatively standard components (optical microscope, nanoindenter) which means that it can be easily duplicated in laboratories that already possess these instruments. This technique can be used to assess the effect of environment, genetic diseases or therapeutic drugs on biological tissues at a fundamental level.     

Effects of adenosine triphosphate concentration on motor force regulation during skeletal muscle contraction

We employ a mechanical model of sarcomere to quantitatively investigate how adenosine triphosphate (ATP) concentration affects motor force regulation during skeletal muscle contraction. Our simulation indicates that there can be negative cross-bridges resisting contraction within the sar-comere and higher ATP concentration would decrease the resistance force from negative cross-bridges by promoting their timely detachment. It is revealed that the motor force is well regulated only when ATP concentration is above a certain level. These predictions may provide insights into the role of ATP in regulating coordination among multiple motors.     

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某些超静定结构, 当弯矩图确立后, 应用静力平衡条件无法绘出轴力图. 分析该类结构的基本特征和受力特点,利用某些刚架在结点集中力作用下无弯矩、只有轴力的特点和力法的思想, 提出解算已知弯矩图轴力超静定结构的计算方法. 算例表明该方法简化了力法的计算过程,将其应用于教学, 有利于学生对力法的深入理解.     

Analysis of spherical indentation of superelastic shape memory alloys

Dimensional analysis and the finite element method are applied in this paper to study spherical indentation of superelastic shape memory alloys. The scaling relationships derived from dimensional analysis bridge the indentation response and the mechanical properties of a superelastic shape memory alloy. Several key variables of a superelastic indentation curve are revealed and examined. We prove that the bifurcation force in a superelastic indentation curve only relies on the forward transformation stress and the elastic properties of the initial austenite; and the return force in a superelastic indentation curve only relies on the reverse transformation stress and the elastic properties of the initial austenite. Furthermore, the dimensionless functions to determine the bifurcation force and the return force are proved to be identical. These results not only enhance our understanding of spherical indentation of superelastic shape memory alloys, but also provide the theoretical basis for developing a practicable method to calibrate the mechanical properties of a superelastic material from the spherical indentation test.     

PREDICTION OF MECHANICAL PROPERTIES OF FISH MUSCLE IN VIVO DURING STEADY SWIMMING

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.     

细胞铺展动力学的研究进展

细胞与细胞外基质之间的相互作用在细胞的迁移、分化、凋亡等生理过程中起着重要的作用,细胞铺展作为细胞与细胞外基质作用的第1步,受到了人们的广泛关注.首先阐述了细胞铺展的关键生物动力学过程,对铺展3个不同阶段的特点进行了总结和归纳,并运用力学的观点阐明了细胞铺展的驱动力及驱动机制,详细讨论了聚合力、黏附力以及细胞张力等3种主要作用力在细胞铺展过程中的作用规律以及相应的物理模型.在此基础上,从细胞的黏性流动及力学平衡两个方面出发,简要综述了已有相关研究结果的不足之处,介绍了当前建立细胞铺展动力学模型的主要思路,并探讨了今后面向细胞生物学需求的相关细胞动力学的研究方向.      

Contact force and mechanical loss of multistage cable under tension and bending

A theoretical model for calculating the stress and strain states of cabling structures with different loadings has been developed in this paper. We solve the problem for the first-and second-stage cable with tensile or bending strain. The contact and friction forces between the strands are presented by two-dimensional contact model. Several theo-retical models have been proposed to verify the results when the triplet subjected to the tensile strain, including contact force, contact stresses, and mechanical loss. It is found that loadings will affect the friction force and the mechanical loss of the triplet. The results show that the contact force and mechanical loss are dependent on the twist pitch. A shorter twist pitch can lead to higher contact force, while the trend of mechanical loss with twist pitch is compli-cated. The mechanical loss may be reduced by adjusting the twist pitch reasonably. The present model provides a simple analysis method to investigate the mechanical behaviors in multistage-structures under different loads.     

分子动力学模拟金属纳米杆

纳米结构（包括纳米杆）的力学性能是纳米超微型器件设计的基础，分子动力学是研究纳米结构力学为的有效方法，采用EAM势模拟金属铜纳米杆在轴向压力作用下的力学行为，结果表明，当外力较小时，纳米杆受压发生纵向收缩；当外力达到某一临界值时，纳米杆发生横向弯曲（即屈曲）行为；稳定的弯曲状态能继承受外载，当外力继续增大时，纳米杆发生倾覆而失效。