细胞膜表面的粘附受体分子对细胞感知和集成细胞周围微环境所提供的信号,例如基底表面物理化学性质和基底硬度等至关重要,细胞将所感知的化学信号或力信号转化为相应的生物信号,进而调节细胞粘附、铺展、增殖和分化等生理过程。定量地检测细胞与生物材料基底间相互作用,了解基底对细胞生理行为的影响,不仅对揭示细胞生理行为变化的本质具有十分重要的意义,同时也可以为生物材料的设计提供重要的实验依据。近年来,随着原子力显微镜(AFM)技术在生物学方面应用的不断拓展,能够在单细胞水平上揭示生物材料与细胞间的相互作用,为定量研究细胞的生理变化和生物材料的设计提供了重要的微观信息和实验依据。因此,本文以AFM单细胞力谱技术为主要技术手段,壳聚糖和胶原为研究模型,在单细胞水平上评价壳聚糖/胶原基底的细胞相容性及其作用机制,主要从以下三个方面展开研究:1、目前,AFM用于检测细胞杨氏模量的技术还不是十分成熟,许多操作参数需要深入研究,以获得准确的实验结果。首先,我们通过AFM纳米操作技术,将直径为5μm的二氧化硅微球修饰在无针尖的AFM探针悬臂上,用于检测细胞和基底的力学性能。这一以AFM纳米操作技术为基础的探针修饰方法的成功为进一步将活细胞固定于AFM探针上,建立AFM单细胞力谱技术奠定了基础。同时,我们系统地研究了在细胞杨氏模量测量过程中,AFM施加的探针压痕力和加载速度以及探针形状对细胞杨氏模量测量结果的影响,为AFM测量细胞杨氏模量的参数选择提供了重要的实验依据。此外,我们通过AFM检测在相同基底上培养的不同细胞,结果发现不同的细胞展现出不同的杨氏模量,证实AFM可以作为一种用于疾病诊断或细胞生理状态表征的新方法。2、基于AFM研究不同组分壳聚糖-胶原膜对细胞粘附、形貌和力学性能的影响。利用AFM单细胞力谱技术,定量检测了细胞与不同基底间的相互作用力。实验结果显示,随着膜中胶原含量的增加,细胞的粘附力从0.76±017 n N增加到1.70±0.19 n N,细胞的杨氏模量从11.94±3.19 k Pa减小至1.81±0.52 k Pa;细胞铺展面积和增殖速率逐渐增加,细胞高度逐渐降低,伪足融合,细胞边缘变平滑。结果表明在基底上较大的细胞粘附力和较小的细胞杨氏模量会促进细胞的粘附、铺展,使细胞在不同膜上展出明显的形貌差异;实验结果也得到了细胞光学显微镜周长及面积统计和CCK-8实验的佐证。这一研究为生物材料的设计和壳聚糖-胶原基细胞靶向药物载体的设计提供了实验依据和理论指导。3、基于AFM力谱技术,通过制备不同硬度的壳聚糖膜,研究基底硬度对细胞粘附和铺展的影响。首先,将MC3T3-E1细胞修饰在无针尖的AFM探针上,检测细胞与不同硬度基底间的粘附力,实验结果表明,细胞的粘附力随着基底硬度的增加而增加,在较软的壳聚糖膜上细胞的粘附力最小,为0.53±0.08 n N,在较硬的壳聚糖膜上,细胞的粘附力最大为1.19±0.14 n N;进一步对不同硬度膜上细胞的杨氏模量统计结果显示,随着基底硬度的增加,细胞杨氏模量从12.6±2.3 k Pa减小到3.6±1.5 k Pa;在相同硬度的壳聚糖膜上,吸附胶原后,细胞的粘附力发生了相应的增加,细胞杨氏模量发生降低,证实胶原可以增强材料的细胞亲和力。此外,细胞铺展面积和细胞AFM微观形貌的检测结果表明,随着基底硬度的增加,细胞的铺展面积增加,细胞伪足逐渐融合;CCK-8实验证实基底硬度的增加促进了MC3T3-E1细胞的增殖和粘附。我们的实验在单细胞水平上,证实细胞粘附力和杨氏模量的变化是基底硬度对细胞粘附、铺展影响的主要因素,同时也证实基底的微观硬度也是影响材料细胞相容性的主要因素,这为复合生物材料的仿生设计提供了新的研究方法和重要实验依据。