1、主讲：张延芳,生物力学研究技术与方法,2012年5月,1. 微管操控技术,2. 原子力显微技术,3. 光镊操控技术,4. 平行流室技术,一、分子生物力学研究技术与方法,1. 拉伸与压缩,2. 三点弯曲,3. 扭转,三、体外血管应力加载模型,二、骨组织材料的力学测试,四、细胞剪应力、张应力加载模型,图 微管吸吮技术（a) 微管吸吮技术 (b) 生物膜力探针方法,1. 微管操控技术,1. 微管操控技术, 原理,微管吸吮技术micropipette aspiration technique, MAT,微管吸吮技术：在负压作用下细胞变形的动力学过程来研究细胞的力学和粘弹性性质。,图 微管吸吮技术（a)
2、 微管吸吮技术 (b) 生物膜力探针方法,生物膜力探针方法biomembrane force probe, BFP,微管吸吮技术（a) 微管吸吮技术 (b) 生物膜力探针方法,记录回拉过程中细胞变形与否、变形大小和解离时间长短等信息来研究分子间作用的动力学性质,采用微管吸吮方法捕获分别表征特异性相互作用分子的细胞或小球，通过压电晶体驱动器吸吮方法操控微管，实现两细胞或小球间靠近-接触-回拉的动力学循环,方法,系统组成,A.显微操控单元B.压力控制单元C.视屏图像采集单元,关键问题：分子表征，载体选择，分子密度， 细胞或载体的接触面积。,方法,在微管黏附频率方法（ a）中，两种特异性相互作用分子
3、分别表征于红细胞和其他细胞或小球表面，在控制分子密度和红细胞接触面积条件下系统测定细胞间黏附频率（以回拉过程中红细胞变形与否作为判断分子间黏附是否发生的标准）随接触时间的变化规律。,方法,在(b)中，首先将一种分子表征于小球表面，并将其与被微管吸吮的红细胞进行组装，然后操控微管与表征另一种分子的其他细胞或小球实现其结合与分离过程，在控制加载率或作用力条件下分别测量分子键断裂力或寿命，获得加载率-断裂力谱和作用力-寿命谱。, 应用,微管黏附频率方法主要应用于认识表征的受体-配体间二维反应动力学规律，通过量化其反应动力学参数研究分子结构（分子取向与长度、载体刚度与表面拓扑结构、氨基酸变异等）影响其
4、相互作用的机制。 生物膜力探针方法主要应用于受体-配体、抗体-抗原间结合与解离动力学规律。通过分子键断裂力谱和寿命谱量化外力和物理因素（加载率、靠近速度、接触时间等）调控分子间相互作用规律及其内在的物理机制。,2. 原子力显微技术,原子力显微技术（atomic force microscopy, AFM)是在扫描隧道显微技术(scanner tunnel microscope, STM)基础上发展而来的。, 原理, 原理,将特异性相互作用的两种分子分别表征于弹性微悬臂梁末端探针和样品池底板表面，通过压电晶体驱动器驱动底板（或微悬臂梁）实现两表面间靠近-接触-回拉的动力学循环，记录回拉过程中微悬
5、臂梁绕度改变和解离时间长短等信息来研究分子间相互作用的动力学性质。,方法,系统组成,A.弹性微悬臂梁末端探针B.样品池，C.操控单元D.光学位移检测单元,当压电晶体驱动器驱动样品池或微悬臂梁使二者靠近、接触时，分子间特异性相互作用导致微悬臂梁形变，从而使激光束方向发生改变。通过检测激光束信号可得到变形量，其与微悬臂梁弹性系数的乘积即为分子间作用力值。, 应用,不同生物大分子间相互作用的研究,不同作用强度的分子体系。空间精度高：亚纳米尺度；测力范围宽：可达101-105皮牛。,独立、定量控制分子间相互作用的接触速率、接触时间、分离速率以及接触力大小，避免不同物理因素对分子间反应动力学的耦合影响。
6、,3. 光镊操控技术, 原理,光镊即单光束梯度力光阱，一束高度汇聚的激光形成的三位势阱，利用光与物质间动量传递的光力学效应来实现操控的。称为光学镊子或光阱。光镊可测量微粒间的微小相互作用力，所以可以作为测量微粒间相互作用过程的力探针或力传感器。,系统组成,A.激光光源；B.显微镜；C.可移动样品台；D.激光器与显微镜光学耦合光路；E.位移探测系统。,激光输出后经外荧光通道耦合进入显微镜，然后甴物镜聚焦在样品池中形成光阱，检测系统测定纳米级的位移和皮牛级的作用力。,方法, 应用,与微管吸吮技术、原子力显微技术相比，光镊技术更先优势，可测分子间更小的作用力。,范围：10-2-100 皮牛。精度：
7、10-3皮牛,已实现对微米量级的活细胞、细胞器的固定、分选、细胞融合等。用皮牛量级的作用力深入到细胞、亚细胞、分子层次研究生物细胞、亚细胞及其生物大分子性质。操控和排布分子、避免样品损伤和对周围环境的干扰、真实再现生命活动基本过程。, 原理,4. 平行流室技术,是一种接近生理情况下的实验技术。体外模拟生理流动下研究生物大分子间相互作用介导的细胞黏附行为。将特异性相互作用的两种分子中的一种表征在流室底板上，流体驱动另一种分子的细胞或小球在流道中流动，记录分子间特异性相互作用的细胞或小球与底板黏附的动力学过程，获得分子间特异性相互作用的动力学信息。,系统组成,A.平行流室单元； B.微量直线注射泵
8、； C.显微镜和视屏图像采集单元。,功能化表征一种分子的玻片与透明盖板、垫圈一起构成流室单元，可为另一种分子的细胞或小球提供流动的流道。微量注射器提供流体流动动力并控制流动剪应力,方法, 应用,与前三种技术相比：分子间作用力的定量研究接近生理流动状态，更直接地阐明分子间相互作用的二维反应动力学参数及其外力调控规律的生物学意义（由于对炎症反应、肿瘤转移、免疫应答生物学过程中起重要作用的选择素-配体、T细胞受体-主要组织相容性复合物等分子体系）。 在剪应力下分子间二维反应动力学理论和模型尚不完善，难以全面量化分子间结合与解离动力学的信息，通常外力作用下的负反应率。而无外力负反应率常数要通过外推至作用力为零时得到。,1. 拉伸与压缩,2. 三点弯曲,3. 扭转,三、体外血管应力加载模型,二、骨组织材料的力学测试,四、细胞剪应力、张应力加载模型,
