应用 | 原子力显微镜：解锁软纳米材料力学奥秘的纳米级 “触角”

在微观世界里，有一种神奇的 “触角”—— 原子力显微镜（AFM），它能以纳米级精度 “触摸” 细胞、病毒、蛋白质等软物质，揭示其机械性能的隐藏密码。近期发表于《Materials Today Bio》的综述论文，系统梳理了 AFM 在软纳米材料纳米力学表征中的核心技术与前沿应用，为我们打开了一扇通往纳米力学的新窗口。

AFM

从 “看” 到 “摸” 的纳米级革命

技术优势：

核心模型与技术

解码软物质力学的 “工具箱”

弹性模量：

硬度的纳米级 “标尺”

AFM 通过不同模型解析力曲线，适配多样品场景：

Hertz 模型：适用于刚性基底上的厚样品，如细胞单层，通过探针 Indentation 深度计算弹性模量。

JKR/DMT 模型：考虑粘附力的影响，前者适用于大尺寸柔性样品（如病毒衣壳），后者适用于小尺寸刚性颗粒（如纳米颗粒）。

Chen/Tu/Cappella 模型：针对薄膜材料，修正基底对表层力学的干扰，精准测量细胞膜、聚合物涂层等薄层的弹性。

图1.（A） Hertz、DMT和JKR车型中的粘合接触图示；（B） 赫兹、DMT和JKR模型的力-距离图

粘附力：

分子间相互作用的 “粘合剂”

通过分析力曲线的 “回缩段”，AFM 能捕捉探针与样品分离时的粘附力，揭示分子键的强度：

化学力显微镜（CFM）：探针表面修饰特定分子（如抗体），定量检测抗原 - 抗体结合力，精度达单分子水平。

单细胞 / 单分子力谱：直接测量细胞间粘附或单个蛋白质分子的展开力，解析病毒入侵、癌细胞转移等过程的力学机制。

图2.(A）CFM、SMFS和SCFS的示意图；（B） 回缩曲线的图示

AFM 的前沿应用版图

从基础研究到精准医疗：

癌症诊断

细胞 “硬度” 暗藏的健康密码

癌细胞比健康细胞更 “软”！AFM 发现，乳腺癌、卵巢癌等多种癌细胞的弹性模量比正常细胞低 2-5 倍，这种机械特性与癌细胞的侵袭能力密切相关。通过绘制肿瘤组织的 “硬度地图”，AFM 有望成为早期癌症诊断的新工具，甚至实时监测药物对癌细胞刚度的调控效果。

抗菌与病毒研究

破解耐药性与感染机制

细菌耐药性：抗生素通过破坏细菌细胞壁硬度发挥作用，AFM 观察到耐药菌的细胞壁弹性模量比普通菌高 30%，为新型抗生素设计提供靶点。

病毒感染 “刚度开关”：HIV 成熟病毒衣壳弹性模量比未成熟型低 50%，更易变形入侵细胞；新冠病毒刺突蛋白与 ACE2 受体的结合力达 70-105 pN，比 SARS 病毒强 40%，解释了其高传染性。

药物递送

纳米颗粒 “软硬” 决定疗效

软纳米颗粒（如脂质体、聚合物胶束）的弹性直接影响其体内命运：

长循环与肿瘤靶向：弹性模量低于 10 kPa 的纳米颗粒在血液中循环时间延长 3 倍，更易通过肿瘤血管间隙聚集。

细胞摄取机制：刚性颗粒（>100 kPa）通过网格蛋白介导的内吞进入细胞，而柔性颗粒（<10 kPa）则通过膜融合直接进入，为精准设计药物载体提供力学依据。

挑战与未来

从实验室到临床的 “最后一公里”

尽管 AFM 优势显著，但其推广仍面临挑战：

标准化难题：不同实验室的测量条件（探针形状、模型选择）差异大，需建立统一的力学参数数据库。

自动化瓶颈：手动操作耗时耗力，机器学习与自动化技术（如 Deep Learning 辅助定位细胞区域）正在突破这一限制。

多技术融合：与荧光显微镜、质谱等联用，实现 “力学 - 化学” 多维度分析，例如同时观测细胞刚度与表面受体分布。

OpenSPM 自感知探针
原子力显微镜

产品源于中山大学光电材料与技术国家重点实验室相关技术“达到国际先进产品的水平”，多项研究成果突破国际封锁和技术壁垒。产品技术团队与广东省集成电路工程技术研究中心、广东省绿色电力变换及智能控制工程技术研究中心、中山大学物理学院和中山大学测试中心等单位，以及众多高校和研究单位、相关领域的国内领先企业有着长期紧密的合作关系，在表面分析测试、微弱信号检测、测控系统设计、仪器研发生产等方面具有深厚积累和丰富经验。