[发明专利]一种生物组织微纳米流变学特性的测试装置及方法

说明书

本发明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‑时间关系曲线图与生物组织变形位移‑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。

技术领域

本发明涉及生物组织技术领域，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。

背景技术

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-肌肉-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。

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。

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：

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。

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。