粘附强度

对于毫米尺度3D物体的操纵技术在电子转印、精密装配、微机电系统等领域具有重要的应用前景。传统的基于机械夹持的抓取方案（如镊子等）需要针对不同特征的物体进行专门的设计和定制。例如，普通的尖头镊子难以夹持球体，需要在镊子末端设计专门的环形结构，并且具有环形结构的镊子无法夹持直径小于环形的球体。此外，对于平放在基底表面上的薄片状脆性物体（如硅片等）来说，因其无特殊的可夹持特征，使用镊子等工具难以将其从基底表面夹持住。目前，对于毫米尺度的不同形状和尺寸的3D物体进行可控抓取操纵的通用性技术方案仍然面临挑战。近日，清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室的田煜教授课题组提出了一种毫米尺度的喇叭状可控粘附结构及其力学调控方法。喇叭状粘附结构由面投影微立体光刻技术（nanoArch S130，摩方精密）和多步浇铸的工艺方案制备而成，对于多种曲率表面具有良好的自适应接触性能。喇叭状可控粘附结构能够通过接触界面的范德华力作用和负压作用达到~80 kPa的粘附强度，通过外力调控屈曲失稳与基底表面主动脱附，从而实现对于多种三维物体的可控抓取和操纵。该项研究成果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects”为题发表在国际知名期刊《Smart Materials and Structures》上。该研究工作由清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室的博士生李小松完成。原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-665X/ac262f图1 喇叭状可控粘附结构制备工艺流程图。（a）由面投影微立体光刻技术直接制备得到的蘑菇状结构；（b）通过浇铸得到阴模模具；（c）阴模模具浇铸PU并脱泡；（d）将PDMS球面按压模具得到凹面结构；（e）脱模后的喇叭状结构（dp = 1 mm, h = 1 mm, dt = 1.8 mm, θ =60º）；（f）喇叭状结构的扫描电镜照片。图2 喇叭状粘附结构的粘附性能典型测试力曲线和对应的接触状态演化规律。（a）附着测试模式和（b）脱附测试模式对应的典型法向力测试曲线；（c）附着测试模式和（d）脱附测试模式对应的接触界面状态演化过程；（e）附着测试模式下喇叭状粘附结构的粘附力和预载荷之间的关系；（f）脱附测试模式下喇叭状粘附结构的粘附力和剪切距离的关系。图3 基于内聚力模型的喇叭状可控结构的有限元仿真与界面法向应力演化规律机理。（a）接触-脱附测试过程；（b）接触-卸载-剪切测试过程；（c）接触-卸载-扭转过程中喇叭状粘附结构的变形行为；（d）附着测试过程和（e）脱附测试过程中接触界面法向应力的演化规律，其中紫色的箭头表示法向应力分布的变化方向。图4 喇叭状可控粘附结构对不同大小、不同形状、不同质量、不同材质物体的操纵效果。（a）集成喇叭状粘附结构的操作器；（b）喇叭状粘附结构抓取、转移和释放物体的典型操作步骤；喇叭状粘附结构用于转移多种毫米尺度（c）平面物体和（d）曲面物体的展示；（e）喇叭状粘附结构用于操纵LED灯珠完成THU字样柔性电路装配的展示；（f）喇叭状粘附结构用于水下环境操纵曲面物体的展示。官网：https://www.bmftec.cn/links/10

对于毫米尺度3D物体的操纵技术在电子转印、精密装配、微机电系统等领域具有重要的应用前景。传统的基于机械夹持的抓取方案（如镊子等）需要针对不同特征的物体进行专门的设计和定制。例如，普通的尖头镊子难以夹持球体，需要在镊子末端设计专门的环形结构，并且具有环形结构的镊子无法夹持直径小于环形的球体。此外，对于平放在基底表面上的薄片状脆性物体（如硅片等）来说，因其无特殊的可夹持特征，使用镊子等工具难以将其从基底表面夹持住。目前，对于毫米尺度的不同形状和尺寸的3D物体进行可控抓取操纵的通用性技术方案仍然面临挑战。近日，清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室的田煜教授课题组提出了一种毫米尺度的喇叭状可控粘附结构及其力学调控方法。喇叭状粘附结构由面投影微立体光刻技术（nanoArch S130，摩方精密）和多步浇铸的工艺方案制备而成，对于多种曲率表面具有良好的自适应接触性能。喇叭状可控粘附结构能够通过接触界面的范德华力作用和负压作用达到~80 kPa的粘附强度，通过外力调控屈曲失稳与基底表面主动脱附，从而实现对于多种三维物体的可控抓取和操纵。该项研究成果以“Trumpet-shaped controllable adhesive structure for manipulation of millimeter-sized objects”为题发表在国际知名期刊《Smart Materials and Structures》上。该研究工作由清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室的博士生李小松完成。原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-665X/ac262f图1 喇叭状可控粘附结构制备工艺流程图。（a）由面投影微立体光刻技术直接制备得到的蘑菇状结构；（b）通过浇铸得到阴模模具；（c）阴模模具浇铸PU并脱泡；（d）将PDMS球面按压模具得到凹面结构；（e）脱模后的喇叭状结构（dp = 1 mm, h = 1 mm, dt = 1.8 mm, θ =60º）；（f）喇叭状结构的扫描电镜照片。图2 喇叭状粘附结构的粘附性能典型测试力曲线和对应的接触状态演化规律。（a）附着测试模式和（b）脱附测试模式对应的典型法向力测试曲线；（c）附着测试模式和（d）脱附测试模式对应的接触界面状态演化过程；（e）附着测试模式下喇叭状粘附结构的粘附力和预载荷之间的关系；（f）脱附测试模式下喇叭状粘附结构的粘附力和剪切距离的关系。图3 基于内聚力模型的喇叭状可控结构的有限元仿真与界面法向应力演化规律机理。（a）接触-脱附测试过程；（b）接触-卸载-剪切测试过程；（c）接触-卸载-扭转过程中喇叭状粘附结构的变形行为；（d）附着测试过程和（e）脱附测试过程中接触界面法向应力的演化规律，其中紫色的箭头表示法向应力分布的变化方向。图4 喇叭状可控粘附结构对不同大小、不同形状、不同质量、不同材质物体的操纵效果。（a）集成喇叭状粘附结构的操作器；（b）喇叭状粘附结构抓取、转移和释放物体的典型操作步骤；喇叭状粘附结构用于转移多种毫米尺度（c）平面物体和（d）曲面物体的展示；（e）喇叭状粘附结构用于操纵LED灯珠完成THU字样柔性电路装配的展示；（f）喇叭状粘附结构用于水下环境操纵曲面物体的展示。

为了进入有丝分裂，大多数粘附的动物细胞减少粘附，随后细胞变圆。有丝分裂细胞如何调节与邻近细胞和细胞外基质(ECM)蛋白的粘附目前学界尚不清楚。尽管在有丝分裂之前、之中和之后的粘附调节的重要性已经被很好地证明，但是对于有丝分裂细胞如何调节细胞ECM和细胞-细胞粘附的启动的见解还是有限的。此外，整合素和钙粘蛋白介导的粘附在有丝分裂进入和进展过程中的相互作用还不清楚。 为此苏黎世联邦理工学院生物系和德国马汀里德马克斯普朗克生物化学研究所分子医学部的研究人员在基因工程细胞系中使用基于原子力显微镜(AFM)的单细胞力谱(SCFS)方法来定量测量细胞-ECM和细胞-细胞间粘附力的大小，以了解细胞与ECM和邻近细胞的粘附力的启动和加强是如何被不同地调节的。实验显示，在有丝分裂细胞中，整合素没有通过踝蛋白和纽蛋白与细胞骨架连接，导致了细胞与ECM粘附增强作用减弱，而β1整合素和不同的粘附蛋白，包括纽蛋白、黏着斑蛋白和踝蛋白，增加了有丝分裂钙粘蛋白介导的细胞-细胞粘附。研究人员结合单细胞力谱和荧光显微镜来定量HeLa细胞的细胞周期依赖性粘附力。将表达MYH9-GFP和H2B-mCherry的单个圆形间期或有丝分裂HeLa细胞连接到伴刀豆球蛋白A (ConA)包被的AFM的悬臂上，使它们接近基质胶或牛血清白蛋白(BSA)包被的底物，并允许它们启动和加强粘附5-360秒的时间，然后将它们从基底上脱离以定量测量粘附力的大小(补充图1a)。作者通过共聚焦的方法观察到间期HeLa细胞使粘附位点成熟并稳定增加其铺展面积（图1b-e）。图1. 有丝分裂细胞显著降低了对ECM的粘附增强，并增加了对邻近细胞的粘附。a在给定的接触时间后，间期(左)或有丝分裂(右)HeLa细胞与基质或牛血清白蛋白的粘附力。点表示单个细胞的粘附力，红条表示中位数，n(细胞)表示至少三次独立实验中测试的独立细胞的数量。as值将附着力增强率表示为所有接触时间内通过附着力线性拟合的斜率(±SE)，并将as值与参考数据集进行比较的p值(补充图2a)。间期HeLa细胞对Matrigel的粘附力以灰色表示，与有丝分裂细胞比较。b,c在SCFS期间，表达paxillin- gfp的间期(b)或有丝分裂的stc (c) HeLa细胞(n = 7)粘附在Matrigel上的共聚焦显微镜图像的代表性时间序列。箭头显示paxillin-GFP簇。比例尺，20µ m。d表达paxillin- gfp的间期和有丝分裂stc HeLa细胞的接触时间依赖性和归一化扩散面积(±SEM) (n = 7个独立实验)。灰色区域表示间期和有丝分裂的stc HeLa细胞扩散面积有显著差异(P值补充表1)。e有丝分裂的stc HeLa细胞60min后对Matrigel的粘附力，360s后对Matrigel的粘附力作为灰色参考。描述的数据表示。 f接触时间120s时，间期(左)或有丝分裂stc(右)HeLa细胞与纯化ECM蛋白的粘附力。数据表示如a.间期HeLa细胞对各自ECM蛋白的粘附力以灰色参考给出。g在给定接触时间，两个间期(左)、间期和有丝分裂stc(中)或两个有丝分裂stc(右)HeLa细胞之间的粘附力。P值比较显示数据集和参考数据集的as值(补充图4a)。两个间期HeLa细胞之间的粘附力以灰色表示。数据表示如a.“MitoticSTC”所示，表明有丝分裂细胞通过STC富集(“方法”)。采用双尾Mann-Whitney检验计算给定数据与参考数据(a, d-g)比较的P值，采用双尾额外平方和f检验计算比较as值的P值。接下来为了测试有丝分裂HeLa细胞对ECM的粘附增强是否是由整合素细胞表面表达量的变化引起的，研究人员通过流式细胞术比较了间期和有丝分裂HeLa细胞表面的阿尔法V、贝塔1、阿尔法6和贝塔4整合素含量水平，有丝分裂的HeLa细胞显示出所有整合素的较高表达水平（图2a）。然后，研究人员还研究了钙粘蛋白表面表达的特征，发现与间期细胞相比，有丝分裂的HeLa细胞也表现出表面N-钙粘蛋白水平升高(图2d).接下来为了测试有丝分裂HeLa细胞对ECM的粘附增强是否是由整合素细胞表面表达量的变化引起的，研究人员通过流式细胞术比较了间期和有丝分裂HeLa细胞表面的阿尔法V、贝塔1、阿尔法6和贝塔4整合素含量水平，有丝分裂的HeLa细胞显示出所有整合素的较高表达水平（图2a）。然后，研究人员还研究了钙粘蛋白表面表达的特征，发现与间期细胞相比，有丝分裂的HeLa细胞也表现出表面N-钙粘蛋白水平升高(图2d).图2：a对间期和有丝分裂stc HeLa细胞进行整合素亚基荧光标记，并用流式细胞术进行分析。点表示每个样品分析的2万个细胞的中位荧光强度归一化到间期HeLa细胞样品中位荧光强度的平均值，条表示所有中位的平均值，误差条表示扫描电镜。N(样本)表示测试的生物独立样本的数量。b间期和有丝分裂stc HeLa细胞的流式细胞术，标记了扩展构象的整合素(克隆9EG7)。间期和有丝分裂stc HeLa细胞与Matrigel结合概率的数据表示。圆点表示单个HeLa细胞的结合概率，红条表示所有被测细胞的中位数结合概率，误差条表示扫描电镜。n(cells)表示探测HeLa细胞的数量，并采样每种情况下记录的力-距离的数量。d对间期和有丝分裂的stc HeLa细胞进行n -钙粘蛋白标记，并用流式细胞术进行分析。数据表示如a. e所述，间期或有丝分裂stc HeLa细胞与散布在底物上的单个间期细胞的结合概率。整个的研究实验数据揭示了整合素在有丝分裂细胞中的双重作用:刚结合配体的整合素不与肌动蛋白偶联，因此很难增强与ECM的粘附，而贝塔1整合素增强了有丝分裂细胞与邻近细胞的粘附，间期细胞利用黏着斑蛋白、踝蛋白和纽蛋白快速启动和加强整合素介导的细胞-ECM粘附。有丝分裂细胞增加了它们对邻近细胞的粘附力。这部分是由于钙粘蛋白的细胞表面含量水平增加了约20%以及钙粘蛋白结合率增加了两倍。有趣的是，我们还发现贝塔1整合素促进了与相邻间期或有丝分裂细胞的粘附的启动和加强。在实验中，没有在间期细胞或有丝分裂细胞的细胞表面检测到胶原、层粘连蛋白或纤连蛋白，这表明参与有丝分裂细胞的细胞间粘附的整合素不太可能与其他间期细胞或有丝分裂细胞的细胞表面上的ECM蛋白结合。然而，不能完全排除ECM蛋白参与有丝分裂细胞-细胞粘附实验。是否贝塔1整合素的贡献是通过直接结合E-和/或N-钙粘蛋白来实现的，如报道的胶原结合整合素，还有待探索。Mn2+或抗体对贝塔1整合素的外源性激活不会增加有丝分裂细胞间的粘附，这可能表明贝塔1整合素的功能与构象无关，或者整合素的激活不会增加其结合动力学。尽管在最初的360秒内，贝塔1整合素并不促进两个间期细胞间的粘附形成，但在融合的MDCK细胞单层中，无论细胞周期状态如何，贝塔1整合素都定位于细胞间的接触。总之，细胞在有丝分裂开始时减少细胞ECM粘附，导致细胞变圆，对整合素和粘附素蛋白的需求有限。与此同时，有丝分裂细胞通过激活钙粘蛋白和利用细胞间粘附位点增强与邻近细胞的粘附。这种细胞ECM和细胞-细胞粘附位点的复杂重塑确保了有丝分裂细胞的圆形化和组织完整性的维持。 该工作使用了Bruker旗下的JPK Nanowizard4三轴分立的闭环、全针尖扫描的生物型原子力显微镜。最新的JPK Nanowizard V系统还配备了Bruker专利技术的PeakForce Tapping可以不用考虑针尖的动力学而非常轻易的成像。且还有专门针尖细胞成像的定量成像模式（QI）可以同时得到样品的表面形貌和机械性能的Mapping图。文章信息如下，感兴趣的朋友可以自行下载阅读。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37760-x Bruker NanoWizard® V 简介：https://www.bruker.com/de/products-and-solutions/microscopes/bioafm/jpk-nanowizard-v-bioscience.html