新型生物傳感器及其在相關生物物理研究中的應用.pdf

1、低溫生物學和細胞力學是現(xiàn)代生物醫(yī)學工程領域中的兩個重要分支。本博士論文以冷凍保存血小板為主線，闡述了作者為解決血小板冷凍保存這一世界性難題，在上述兩個領域中所做的研究工作。
　　本文第一部分主要針對血小板冷凍保存環(huán)節(jié)中所面臨的如何更快速精確的測量生物材料導熱系數(shù)、如何更深入的認識低溫冷凍期間水的跨膜傳輸特性和如何更準確的預測胞內冰形成概率這三個問題。筆者詳細介紹了一種基于微納米加工技術，可以對生物材料的微觀熱物性進行高精度自動化測

2、量的微電子機械系統(tǒng)的研發(fā)工作;同時，還詳細闡述了使用該套系統(tǒng)在探索生物材料微尺度傳熱以及細胞冷凍損傷過程中所進行的基礎性研究。
　　筆者通過微納米加工技術將傳統(tǒng)的熱物性探針微型化，并將熱探針的制造工藝工業(yè)化，將熱探針的精度校準和測量過程自動化和標準化。筆者成功的在4英寸硅晶圓上將作為微探針能量發(fā)生單元和導熱系數(shù)測量單元的尺寸進一步降低成線寬僅為3微米、線間距僅為5微米的蛇形高密度金屬熱絲。同時，微探針的分割切片技術也升級成為自由度

3、及加工精度都更高的感應耦合等離子體深硅刻蝕技術，能夠更快更容易的制造出尺寸和形狀都更為多樣的微型熱物性探針（單針局部測量或陣列式多針多點測量）。通過對不同低溫保護劑和不同生物材料在不同溫度下進行大量且系統(tǒng)的導熱系數(shù)測量，筆者發(fā)現(xiàn)使用微納米加工工藝制造出的微型探針擁有更小的熱容，更緊湊的探針陣列，能更直接地與被測樣品接觸，通過使用不同結構的熱探針可以更準確、更靈敏、更可靠的對生物及其相關材料進行單點微創(chuàng)式熱傳導系數(shù)的測量，或者獲得某個特定

4、區(qū)域內的熱物性分布數(shù)據(jù)。整套芯片的制備過程已經(jīng)完成了從微納米加工與傳統(tǒng)精密制造工藝的混合制造到純微納米加工的轉型，能夠像生產(chǎn)集成電路一樣，實現(xiàn)高良品率、高物理和電學相似性的大批量生產(chǎn)，完美解決了傳統(tǒng)熱傳導系數(shù)測量設備與方法在臨床應用和科學研究上的缺陷與不足（只能對材料進行離體檢測，設備內部結構復雜，繁瑣的測量前準備工作，靈敏度低，制造難度大等）。與此同時，本文的實驗結果還揭示出一直被廣泛采用的熱探針精度標定過程存在嚴重缺陷，當測量溫度和

5、標定溫度不一致時，通過常規(guī)標定過程所得出的熱探針系統(tǒng)精度校準常數(shù)會導致最終測量結果出現(xiàn)較大誤差。因此，本文提出了一套新的標定與測量流程，有效確保了熱探針系統(tǒng)精度校準常數(shù)的準確性，使得最終測量結果的分析與處理過程標準化、統(tǒng)一化、精準化。并且根據(jù)所獲得的實驗數(shù)據(jù)，通過使用聯(lián)合擬合、方程組合等數(shù)據(jù)分析方法，筆者還首次提出了一種基于Second-order Polynomial和Filippov equation的可用于預測不同濃度的二元低溫保

6、護劑溶液在不同溫度下導熱系數(shù)的雙因素（溫度和濃度）理論公式。
　　通過使用研發(fā)出來的微納米熱探針和低溫顯微鏡平臺，筆者還對細胞的跨膜水傳輸特性和胞內冰形成概率進行了深入的學習。由于實驗條件的限制，筆者使用了人子宮頸癌細胞作為概念證明實驗里的實驗對象。對人子宮頸癌細胞在不同降溫速率下體積的變化情況進行了仔細深入的觀察與分析，對人子宮頸癌細胞的冷凍響應特性（跨膜水傳輸性質和胞內冰形成概率）進行了系統(tǒng)的研究。使用Mazur提出的跨膜水傳

7、輸模型，聯(lián)合擬合得出人子宮頸癌細胞細胞膜的水傳輸參數(shù)，從而進一步預測在其他冷凍環(huán)境下細胞跨膜水傳輸?shù)捻憫?guī)律。筆者在實驗中發(fā)現(xiàn)胞內冰的形成主要分為Darkening和Twitching兩種類型。這兩種不同類型的胞內冰形成機制很可能與最初所形成的胞內冰大小密切相關。通過使用Toner提出的胞內冰生成概率模型對實驗結果進行擬合，筆者還發(fā)現(xiàn)該模型存在較為嚴重的弊端和局限性，因此筆者通過引入臨界體積這一新參數(shù)，提出了一種新的能更準確預測胞內冰生

8、成概率的改進型理論模型。
　　利用微納米加工技術大規(guī)模生產(chǎn)微尺度熱探針是現(xiàn)代科學技術與傳統(tǒng)生物熱物理測量技術的完美結合。在傳統(tǒng)宏觀生物材料熱傳導系數(shù)測量技術的基礎上，從微尺度、微創(chuàng)和集成的角度上，更加準確、可靠和全面地研究生物活體材料及其相關材料的微尺度傳熱及損傷特性，這不僅可以幫助認識和發(fā)現(xiàn)生物材料在微觀傳熱過程中的本質規(guī)律，還可以在生物材料或器官的低溫冷凍保存、低溫或聚能外科手術及相關傳熱領域中，提供必要的研究測量技術和理論依

9、據(jù)。
　　本文的第二部分主要針對冷凍血小板復溫后所面臨的如何快速可靠的對血小板功能進行定量測量的問題。筆者詳細闡述了一種基于BioMEMS技術對對血小板收縮力進行定量檢測的細胞微力測量系統(tǒng)的研發(fā)和使用該系統(tǒng)對血小板綜合性功能進行評估的探索過程。激活后的血小板，其中后期的功能表達主要表現(xiàn)在用產(chǎn)生的血小板收縮力來強化和鞏固前期形成的松散的止血拴，讓止血栓能更牢固地粘附在受損血管的裂口處，繼續(xù)起到止血，維護血管壁完整性的作用。在本文中，

10、我們提出用血小板收縮力來做為檢驗其中后期功能的新指標，并詳細闡述了一種通過利用陣列微柱式微力感測系統(tǒng)對血小板收縮力直接進行微力測量的技術。
　　筆者通過微納米加工技術制造出具有不同直徑(600納米-3微米)、不同高度（5-15微米）和不同微柱間距（1-3微米）的微柱陣列，而且用該微力感測系統(tǒng)首次測量并研究了處于納牛頓量級上半靜態(tài)下的血小板收縮力與外界生物蛋白、刺激劑和刺激時間等參數(shù)之間的關系，更首次在高倍微顯條件下動態(tài)觀測并分析了

11、血小板收縮力的整個產(chǎn)生、發(fā)展和變化過程。
　　通過陣列微柱式微力感測系統(tǒng)，血小板收縮力首次被高精度的測量出來，由此，為解決血小板功能性檢測這一世界性難題，提供了新的解決思路和辦法。為早期發(fā)現(xiàn)血小板功能異常，指導血小板抗凝藥物開發(fā)和闡明相關疾病的形成機理，提供了必要的技術設備和奠定了一定的理論基礎。
　　總的說來，本論文針對血小板在低溫保存和復溫后功能檢測這兩個方面進行了系統(tǒng)深入的研究。成功研發(fā)出的兩種新型微納米生物傳感器，可