一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置及方法，涉及生物组织技术领域，包括：通过探针激发装置，带动球形接触探针在设定时间内对生物组织施加振幅不变的动态振动；通过激光发射器，向振动的氮化硅悬臂的背面发射激光，通过检测器检测激光的反射位移；根据激光的反射位移计算球形接触探针施加给生物组织的载荷大小；通过反馈系统，对球形接触探针压入生物组织的深度进行测量，确定生物组织的变形位移；通过实验测试分析，获取球形接触探针施加给生物组织的载荷

【技术实现步骤摘要】
一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置及方法


[0001]本专利技术涉及生物组织
，具体为一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置及方法。

技术介绍

[0002]人体是一个充满了运动的复杂系统，包括体内循环系统的血液与体液流动，骨骼
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肌肉
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韧带结构实现的人体运动行为，体内胃肠道收缩推动食物进入消化系统等，这些种种动态行为不仅对于人体的正常生理功能至关重要，而且通过产生不同的力学环境进而影响组织内稳态，并对异常的生理现象(例如，疾病和癌症等)产生相应的反馈。例如，研究发现，骨骼微观结构的重构与生长会受到外部载荷的影响。近年来，研究人员发现力学因素在细胞与分子尺度，与信号传导耦合，共同影响人体的正常生理功能与机能。因此，充分理解人体器官与生物组织内部的微观精细结构及其力学性质极其重要。
[0003]研究发现，生物组织的病变和老化过程中，其静态力学性质以及其组织微观结构的力学学特性分布在微纳米尺度会发生不同程度的改变。然而，众所周知，生物组织作为一种典型的活性软物质，表现出特殊的非均一性、异质性以及粘弹性特征，对于其复杂的粘弹性力学性质研究还十分有限，亟需发展一种可以快速、高效且稳定的微纳米粘弹性力学分析技术，帮助研究人员破解生物软组织以及细胞内微观尺度下粘弹性的精妙变化规律。
[0004]现有基于原子力显微镜技术的力学分析方法大多仅研究生物组织的静态力学性质，无法对粘弹性的生物活性物质进行全面的力学表征，其中现有的针对生物组织力学性质的表征主要有两种：
[0005]静态力学性质分析：通过对探针施加一定的压力，将探针压入生物软组织或细胞，同时，造成探针悬臂发生挠曲，通过计算压入深度与施加载荷的关系，得到样品的弹性模量。然而，该种方法的缺陷在于：(a)通常的静态加载中，探针压入速率大多较快(通常为1微米每秒以上)，无法完全避免在表征生物活性物质弹性模量的同时，样品粘性的影响，所测量出的弹性模量数值偏大，造成分析误差过大，甚至诊断错误；(b)对生物活性物质样品表征弹性模量时，所使用的的纳米尺度探针无法对样品的微观精细结构进行表征，纳米探针仅能分析局部内单一结构或成分，且测得的结果偏大，造成对生物活性物质表征的数据误差极大，诊断准确率低。
[0006]宏观力学性质分析：宏观的生物活性物质力学分析方法仅能对人体器官进行整体或局部粗略的力学性质分析，包括临床上所用的弹性成像，核磁共振等技术，分辨率均在毫米尺度，无法对生物器官内病灶进行高精度准确分析。此外，疾病的发生均起源于分子与细胞尺度，进一步经过器官内部组织失调与破坏，最后才造成器官衰竭与功能丧失。宏观的检测手段仅能在疾病发生中后期对病变部位进行粗略定位与判定，无法在疾病与癌症的早期实现对病变部位的精准、定量标定与判断，造成了疾病诊断延误与早期干预治疗无法有效进行。
[0007]在测试分析生物软组织微纳米尺度粘弹性力学性质的过程中，主要存在以下技术
问题：(1)传统的纳米金属探头尺寸过小(直径为20
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50纳米)，与测试样品接触面积小(小于1微米)，对于生物软组织的(横截面通常在厘米尺度)，纳米探针可探测的有效面积很小，在测试过程中仅能对生物组织细胞外基质和细胞骨架局部进行表征，无法高效快速表征生物组织整体的力学性能，并且，由于纳米探针探头尺寸在纳米尺度，往往在测试中容易产生局部应力集中，压强过大等问题，引起局部组织大幅度变形，力学性质分析失稳等问题；(2)传统力学性质测试方法仅能表征生物组织的弹性模量，对于粘弹性的生物软组织缺乏全面的力学描述，这也造成了临床诊断过程中相关疾病判断指标的缺失，诊断缺乏精准性，例如，对于肝纤维化和肝硬化疾病的非侵入式诊断仍主要通过测量肝脏组织硬度来评估，精准评估肝脏疾病进程缺少以肝脏粘弹性为基础的体系；(3)临床已有的生物组织粘弹性分析技术主要是非侵入式为主的宏观技术(例如核磁共振等)，无法对组织内部微观精细结构的微纳米尺度粘弹性分析，进而无法对疾病发生早期进行及时且精准的筛选与诊断，延误疾病治疗时机。

技术实现思路

[0008]为了克服上述传统宏观力学性质分析与微观准静态力学测试方法的缺陷，本专利技术提供了一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置，包括原子力显微镜和实验测试装置：
[0009]所述原子力显微镜包括：
[0010]球形接触探针，包括氮化硅悬臂和其上粘接的聚苯乙烯小球，其中，所述球形接触探针用于向生物组织施加载荷，所述聚苯乙烯小球用于增大所述球形接触探针与测试区域的接触面积；
[0011]探针激发装置，输出端与所述氮化硅悬臂相连，用于向所述氮化硅悬臂施加振动；
[0012]激光发射器，用于向所述球形接触探针发射激光信号；
[0013]检测器，用于接收所述激光发射器发射的激光信号；
[0014]反馈系统，与检测器相连，用于根据激光反射位移，测量球形接触探针压入生物组织的深度和球形接触探针在纵向的挠曲，确定生物组织的变形位移和球形接触探针施加给生物组织的载荷大小；
[0015]所述实验测试装置与所述原子力显微镜相连，用于根据球形接触探针施加给生物组织的载荷大小和生物组织的变形位移，分析获取球形接触探针施加给生物组织的载荷
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时间关系曲线图与生物组织变形位移
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时间关系曲线图，并利用两个曲线图计算生物组织的三个粘弹性参数：损耗因子、损耗模量以及储能模量。
[0016]进一步的，所述聚苯乙烯小球的直径为10
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20微米；
[0017]所述氮化硅悬臂的弹性系数为0.3牛/米。
[0018]进一步的，利用紫外光固化粘合技术以及微观精准定位技术，将所述聚苯乙烯小球精准粘在所述氮化硅悬臂上。
[0019]一种的生物组织微纳米流变学特性的测试方法，包括以下步骤：
[0020]通过探针激发装置，带动球形接触探针在设定时间内对生物组织施加振幅不变的动态振动；
[0021]通过激光发射器，向振动的氮化硅悬臂的背面发射激光，通过检测器检测激光的反射位移；
[0022]通过反馈系统，利用激光的反射位移测算球形接触探针在纵向的挠曲，并根据球形接触探针的挠曲计算球形接触探针施加给生物组织的载荷大小；
[0023]通过反馈系统，利用激光的反射位移对球形接触探针压入生物组织的深度进行测量，确定生物组织的变形位移；
[0024]根据球形接触探针施加给生物组织的载荷大小和生物组织的变形位移，通过实验测试装置分析获取球形接触探针施加给生物组织的载荷
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时间关系曲线图与生物组织变形位移
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时间关系曲线图，利用两个曲线图计算生物组织的三个粘弹性参数：损耗因子、损耗模量以及储能模量。
[0025]进一步的，所述设定时间为20秒。
[0026]进一步的，接触探针施加给样品的载荷大小，通过计算球形接触探针的挠曲与氮化硅悬臂的弹性系数的乘积获得。
[0027]进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置，包括原子力显微镜和实验测试装置，其特征在于：所述原子力显微镜包括：球形接触探针，包括氮化硅悬臂和其上粘接的聚苯乙烯小球，其中，所述球形接触探针用于向生物组织施加载荷，所述聚苯乙烯小球用于增大所述球形接触探针与测试区域的接触面积；探针激发装置，输出端与所述氮化硅悬臂相连，用于向所述氮化硅悬臂施加振动；激光发射器，用于向所述球形接触探针发射激光信号；检测器，用于接收所述激光发射器发射的激光信号；反馈系统，与检测器相连，用于根据激光反射位移，测量球形接触探针压入生物组织的深度和球形接触探针在纵向的挠曲，确定生物组织的变形位移和球形接触探针施加给生物组织的载荷大小；所述实验测试装置与所述原子力显微镜相连，用于根据球形接触探针施加给生物组织的载荷大小和生物组织的变形位移，分析获取球形接触探针施加给生物组织的载荷
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时间关系曲线图与生物组织变形位移
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时间关系曲线图，并利用两个曲线图计算生物组织的三个粘弹性参数：损耗因子、损耗模量以及储能模量。2.如权利要求1所述的一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置，其特征在于：所述聚苯乙烯小球的直径为10
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20微米；所述氮化硅悬臂的弹性系数为0.3牛/米。3.如权利要求1所述的一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置，其特征在于：利用紫外光固化粘合技术以及微观精准定位技术，将所述聚苯乙烯小球精准粘在所述氮化硅悬臂上。4.一种基于权利要求1所述的生物组织微纳米流变学特性的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：通过探针激发装置，带动球形接触探针在设定时间内对生物组织施加振幅不变的动态振动；通过激光发射器，向振动的氮化硅悬臂的背面发射激光，通过检测器检测激光的反射位移；通过反馈系统，利用激光的反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：畅茁，乔琳茹，徐光魁，杭久涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：