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研究生： 宣崇德
Hsuan, Chung-Te
論文名稱： 細胞勁度探討： 原子力顯微鏡及有限元素分析
Investigation of Cell Stiffness: Atomic Force Microscopy and Finite Element Analysis
指導教授： 張志涵
Chang, Chih-Han
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 醫學工程研究所
Institute of Biomedical Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 64
中文關鍵詞： 細胞骨架、有限元素法、勁度、原子力顯微鏡
外文關鍵詞： finite element method, stiffness, Atomic force microscopy, cytoskeleton
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    • 近年來對於細胞力學的研究越來越多，然而有關細胞力學現象和規律的研究仍然不足。細胞中充滿許多胞器，細胞骨架決定細胞的形狀、運動和遷移且對細胞的機械性質具有重要的影響力；細胞膜、細胞質和細胞核亦對細胞勁度與穩定度有影響。因此本論文建構細胞的三維有限元素模型，藉由結合固體力學與生命科學，探討細胞膜、細胞核及細胞骨架等胞器對於細胞勁度的影響；細胞骨架承受預應力(prestress)後對勁度的影響及細胞在不同貼附狀態下勁度(stiffness)的差異。此外，本研究結合原子力顯微鏡的使用來觀察細胞表面型態與微細結構，並對活體細胞施與機械性質量測，分析細胞不同區域位置的勁度差異，藉以更進一步了解細胞的力學特性。
    根據有限元素模擬結果顯示出細胞骨架對細胞勁度的影響最大約32%，細胞骨架承受prestress後對細胞勁度的影響不超過2%，細胞質對細胞勁度的影響遠大於細胞膜與細胞核，細胞在貼附狀況較平坦時勁度較大。而由實驗結果也可以推測出細胞在不同位置有不同的勁度表現，細胞中央區勁度較低而越往邊緣區移動勁度越大，當細胞中受測位置無細胞骨架時細胞高度越小其勁度越大。
    本研究建立有限元素模擬與實驗結合分析細胞力學的研究方法，希望未來能經由改變有限元素模型其它參數和幾何外型與改善實驗流程和增加量測數目來獲得更明確的細胞力學結論。

    Many researches have focused on the investigating of the mechanical actions of adherent cell, but the fundamental information is still unclear. It is known that alterations in cell shape and structure caused by mechanical loads are critical to cell functions including growth, motility, differentiation and proliferation. It is, therefore, necessary to understand the biomechanical behavior of cell. This study created 3D finite element model of cell which consists of cytoskeleton elements (actins and microtubules networks), cell membrane, nucleus and cytoplasm to investigate the stiffness responses of adherent cell. The aim was to determine the role of cytoskeleton, pre-stress and geometry on cell stiffness. Besides, AFM (Atomic Force Microscopy) experiments were also executed to identify the biomechanical properties of adherent cell.
    The results showed that the cytoskeleton indeed would increase the cell stiffness locally while the effect of pre-stress in this model is insignificant with only 2% influence under 4% of pre-strain. The material property of cytoplasm has the maximum effect on cell stiffness among all materials possibly due to its large volume. The stiffness of low profile cell is larger than that of the high profile cell. According to the result of AFM experiment, in general the cell stiffness is smaller in the center region of cell and larger near the edge of the cell.

    目錄 中文摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖目錄 Ⅴ 表目錄 Ⅷ 第一章 導論 1 1.1 前言 1 1.2 細胞結構 2 1.3 有限元素分析法簡介 7 1.4 原子力顯微鏡簡介 10 1.4.1原子力顯微鏡原理 10 1.4.2原子力顯微鏡的量測模式 12 1.4.3原子力顯微鏡的成像模式 13 1.4.4原子力顯微鏡硬體架構 14 1.5 文獻回顧 16 1.5.1有限元素模擬 16 1.5.2 AFM實驗 17 1.6研究目標 19 第二章 材料與方法 20 2.1 有限元素模擬 21 2.1.1座標系統及細胞實體模型 21 2.1.2單位應用 24 2.1.3材料性質 25 2.1.4元素選用及網格化 26 2.1.5邊界條件與負載條件 29 2.2 原子力顯微鏡實驗 31 2.2.1儀器設備與操作 31 2.2.2實驗材料 32 2.2.3原子力顯微鏡觀察量測液相活體細胞 32 第三章 結果 35 3.1 有限元素模擬 35 3.1.1收斂性探討 35 3.1.2細胞骨架對細胞勁度的影響 36 3.1.3細胞核對細胞勁度的影響 37 3.1.4微絲負載prestress後對細胞勁度的影響 38 3.1.5更改施力方向後探討prestress對勁度的影響 40 3.1.6細胞胞器的材料係數對細胞勁度的影響 40 3.1.7改變部份材料參數對細胞勁度的影響 42 3.1.8細胞於不同貼附狀況對細胞勁度的影響 45 3.2 原子力顯微鏡實驗結果 47 3.2.1細胞表面型態分析 47 3.2.2細胞勁度量測結果 51 第四章 討論 55 4.1 有限元素模擬 55 4.2 原子力顯微鏡 57 4.3 有限元素模擬vs.原子力顯微鏡實驗 58 第五章 結論與未來展望 59 5.1 結論 59 5.2 未來展望 61 參考文獻 62 圖目錄 圖1-1細胞膜的組成結構 2 圖1-2微絲在細胞內的分佈情形 3 圖1-3培養的上皮細胞中的細胞骨架 4 圖1-4微管的組成次單元及大小 5 圖1-5以細胞核為中心向外放射狀排列的微管纖維 5 圖1-6中間型絲的大小與形狀 6 圖1-7ANSYS分析處理作業流程 9 圖1-8AFM的量測模式 11 圖1-9探針與樣本間距離與探針變形量的關係 12 圖1-10(a)定力(b)定高模式中懸桿、scanner、PSPD間的相對位置 13 圖1-11AFM系統架構 15 圖1-12open form cell模型(左)及tensegrity模型(右) 17 圖2-1細胞的攝影圖形 20 圖2-2 細胞的模型大小示意圖 21 圖2-3 微管的實體模型建立 22 圖2-4 細胞骨架的實體模型建立 23 圖2-5 細胞的模型大小示意圖 23 圖2-6 Shell 63的元素定義及形狀 23 圖2-7 Solid 187的元素定義及形狀 27 圖2-8 Link10的元素定義及形狀 27 圖2-9 細胞模型一(adherent-1)的有限元素模型 28 圖2-10 細胞模型二(adherent-2)的有限元素模型 28 圖2-11 有限元素模型的挾持狀況與負載狀況 30 圖2-12 NT-MDT之Solver AFM機台 31 圖2-13 探針的形狀大小 32 圖2-14 掃描器移動距離與懸桿偏移量關係圖 33 圖2-15 AFM實驗流程圖 34 圖3-1 細胞骨架對細胞勁度之影響 36 圖3-2 有無細胞核對細胞勁度之影響 37 圖3-3 選用第一種材料參數並施加prestress於微絲時細胞勁度差 異 38 圖3-4 選用第二種材料參數並施加prestress於微絲時細胞勁度差 異 39 圖3-5 不同材料係數的細胞模型在不同分析位置的勁度差異 41 圖3-6 僅改變細胞核材料係數時在不同分析位置的勁度差異 42 圖3-7 僅改變細胞膜材料係數時在不同分析位置的勁度差異 43 圖3-8 僅改變細胞質材料係數時在不同分析位置的勁度差異 43 圖3-9 改變部份材料係數後的細胞模型在不同位置的勁度差異 44 圖3-10 不同貼附狀態的細胞模型在不同位置的勁度 46 圖3-11 第一組fibroblast的height圖及deflection圖 47 圖3-12 第一組fibroblast 的3D morphology 47 圖3-13 第二組fibroblast的height圖及deflection圖 48 圖3-14 第二組fibroblast 的3D morphology 48 圖3-15 第三組fibroblast的height圖及deflection圖 49 圖3-16 第三組fibroblast 的3D morphology 49 圖3-17 第四組fibroblast的height圖及deflection圖 50 圖3-18 第四組fibroblast 的3D morphology 50 圖3-19 探針施加外力於第一組細胞樣本的不同區域 51 圖3-20 細胞高度變化與勁度變化關係圖 52 圖3-21 探針施加外力於第二組細胞樣本的不同區域 53 圖3-22 細胞高度與勁度關係圖 54 表目錄 表2-1 細胞的材料係數一 25 表2-2 細胞的材料係數二 25 表3-1 不同元素大小網格化後細胞模型的勁度 35 表3-2 有無細胞骨架的細胞模型在不同位置的勁度 36 表3-3 有無細胞核的細胞模型在不同位置的勁度 37 表3-4 選用第一種材料參數並施加不同prestress於微絲上的勁度 38 表3-5 選用第二種材料參數並施加不同prestress於微絲上的勁度 39 表3-6 改變施力方向後於不同prestress下之細胞勁度 40 表3-7 不同材料係數的細胞模型在不同位置的勁度 40 表3-8 改變部份材料係數後的細胞模型在不同位置的勁度 44 表3-9 不同貼附狀態的細胞模型在不同位置的勁度 45 表3-10 細胞不同區域的勁度分析 52 表3-11 細胞不同區域的勁度分析 53

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    下載圖示 校內：2007-08-29公開
    校外：2007-08-29公開
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