論文の概要: Nanodiamond-based spatial-temporal deformation sensing for cell mechanics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.18577v2
- Date: Tue, 20 Aug 2024 03:37:16 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-08-21 19:15:20.206622
- Title: Nanodiamond-based spatial-temporal deformation sensing for cell mechanics
- Title（参考訳）: ナノダイアモンドを用いた細胞力学の時空間変形検出
- Authors: Yue Cui, Weng-Hang Leong, Guoli Zhu, Ren-Bao Liu, Quan Li,
- Abstract要約: この研究は、生きた細胞における幅広いエラストカピラリティ関連界面力学とメカノロジープロセスを理解するための基礎を築いている。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.7300938460484407
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Precise assessment of the mechanical properties of soft biological systems at the nanoscale is crucial for understanding physiology, pathology, and developing relevant drugs. Conventional atomic force microscopy (AFM)-based indentation methods suffer from uncertainties in local tip-sample interactions and model choice. This can be overcome by adopting spatially resolved nonlocal deformation sensing for mechanical analysis. However, the technique is currently limited to lifeless/static systems, due to the inadequate spatial or temporal resolution, or difficulties in differentiating the indentation-induced deformation from that associated with live activities and other external perturbations. Here, we develop an innovative dynamic nonlocal deformation sensing approach allowing both spatially and temporally resolved mechanical analysis, which achieves a tens of microsecond time-lag precision, a nanometer vertical deformation precision, and a sub-hundred nanometer lateral spatial resolution. Using oscillatory nanoindentation and spectroscopic analysis, the method can separate the indentation-caused signal from random noise, enabling live cell measurement. Using this method, we discover a distance-dependent phase of surface deformation during indentation, leading to the disclosure of surface tension effects (capillarity) in the mechanical response of live cells upon AFM indentation. A viscoelastic model with surface tension is used to enable simultaneous quantification of the viscoelasticity and capillarity of cell. We show that neglecting surface tension, as in conventional AFM methods, would underestimate the liquid-like characteristics and overestimate the apparent viscoelastic modulus of cells. The study lays down a foundation for understanding a broad range of elastocapillarity-related interfacial mechanics and mechanobiological processes in live cells.
- Abstract（参考訳）: ナノスケールでのソフトバイオシステムの機械的特性の精密評価は、生理学、病理学、関連する薬物の開発を理解する上で重要である。
従来の原子間力顕微鏡(AFM)に基づくインデンテーション法は、局所的な先端-サンプル相互作用とモデル選択の不確実性に悩まされている。
これは、機械的解析に空間的に解決された非局所変形検出を採用することで克服できる。
しかし、現在この技術は、空間的あるいは時間的解決が不十分なことや、生きた活動や他の外部の摂動とインデンテーションによって引き起こされる変形を区別することが困難であるために、生命の無いシステムや静電気システムに限られている。
そこで我々は,空間的および時間的に解決された機械的解析と,数十マイクロ秒の時間ラグ精度,ナノメートルの垂直変形精度,サブハンドされたナノメートルの空間分解能を実現する,革新的な動的非局所変形検出手法を開発した。
振動性ナノインデンテーションと分光分析を用いて、インデンテーションによって引き起こされる信号をランダムノイズから切り離し、生きた細胞測定を可能にする。
この方法を用いて, インデンテーション中の表面変形の距離依存性位相を発見し, AFMインデンテーションによる生体細胞の機械的応答における表面張力効果(キャピラリティ)を明らかにする。
表面張力を有する粘弾性モデルを用いて、細胞の粘弾性とキャピラリティの同時定量を可能にする。
従来のAFM法と同様に表面張力の無視は液状特性を過小評価し, 細胞表面粘弾性率を過小評価することを示した。
この研究は、生きた細胞における幅広いエラストカピラリティ関連界面力学とメカノロジープロセスを理解するための基礎を築いている。
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