背景介绍

生物材料的形貌、粗糙度和力学性能不仅对细胞的黏附力、形态和力学有很大的影响，还会影响到干细胞的发育。原子力显微镜（AFM）可以提供样品的高分辨率成像和粗糙度测量，并且还能绘制生物材料、细胞的力学和黏附性能。基于此功能，可以利用AFM表征生物材料及其与细胞的相互作用；并且将AFM与光学显微镜相结合，利用光学寻找研究区域，通过荧光技术揭示细胞内部结构，追踪相应的运动。

应用案例

1.  细胞--细胞外基质的相互作用

细胞外基质为细胞的生长和发育提供了基础。在体外构建这样的基质有助于更多地了解细胞-基质的相互作用，并最终促进组织工程在再生医学领域的发展。

海德堡DKMS科研人员将AFM与旋转圆盘共聚焦显微镜结合，研究黑色素瘤细胞在I 型胶原基质上的生长。其将云母作为底物，采用特定的离子浓度和pH缓冲液，从而使得胶原蛋白基质可被设计并符合自然条件。

实验结果显示，当黑色素瘤细胞被放入各向同性、随机定向的I 型胶原基质时，其与基质纤维没有任何特定的排列（图1 A）；当在各向异性平行的I 型胶原基质时，黑色素瘤细胞沿着纤维排列，呈纺锤形（图1 B）；当黑色素瘤细胞可表达基质金属蛋白酶2 （MMT1，一种切割蛋白质的酶）时，会产生开放式和卷曲的纤维（图1 C），细胞具有圆形和非极化的形状。

图 1：从左往右分别是黑色素瘤细胞示意图、旋转圆盘共聚焦图像和AFM高度图。胶原蛋白呈绿色，黑色素瘤细胞呈红色。A为随机定向胶原基质，B、C是各向异性平行胶原基质，其中C内细胞表达基质金属蛋白酶。

荧光显微镜被用来拍摄大的概览图像，从而找到大量的可评估的细胞。AFM成像提供了胶原结构的高分辨率图像和细胞-基质界面的三维信息，这有助于区分云母载体和胶原基质之间的细胞。

2. 柔软生物材料表征

水凝胶具有较高的生物相容性和类似有机组织的力学性能，常被用于各种医疗应用，可以利用光刻或冲压技术、水凝胶合成过程中控制交联过程，从而调整水凝胶的表面形貌和力学性能，生产定制的基质，并研究修饰对细胞行为的影响。

AFM的Quantitative Imaging（QI）模式结合AFM成像和Force spectroscopy模式，为扫描区域的每个像素提供完整的力曲线，可以计算如高度、杨氏模量、接触点和黏附力等；而且这种模式允许在没有侧向力的情况下进行成像，非常适合水凝胶等软、黏性样品的成像和研究。

如下图（图2）展示了QI模式下水凝胶不同通道的成像像[JS1] 。A 为高度图，C为接触点成像[JS2] ，A和C提供了水凝胶形貌和粗糙度信息；B为黏附力图，D为杨氏模量图，B和D提供了每个像素处的黏弹特性。

图2：水凝胶的高度（A、100 nm高度范围）、附着力（B、30 pN力范围）、接触点（C、40 nm高度范围）和杨氏模量(D、40 kPa弹性范围）成像图

结论

原子力显微镜在生物材料研究中的用途是广泛的。例如，高分辨率成像可以表征表面形貌，这是细胞和组织的行为和发育的一个关键参数；原子力显微镜成像以及与其他成像模式的发展和结合，为水凝胶和活细胞等非常柔软和脆弱的样品收集定量数据。提供了一系列参数，如杨氏模量、电学和黏附特性。综上，原子力显微镜将进一步推动生物材料研究发展。

*以上案列来自布鲁克内部资料