双探针原子力显微镜操控过程中盘状与准盘状生物颗粒的三维动态建模：以人类红细胞为例

本研究通过先进的3D建模与原子力显微镜（AFM）技术，系统分析了红细胞（RBCs）的力学特性，解决了红细胞膜折叠、黏附及多环境交互机制的关键问题。研究发现，盘状与准盘状模型的黏附力分别为0.8186 pN与0.8177 pN，证实Derjaguin-Muller-Toporov模型优于Hertz模型；V型悬臂增强灵活性，多点施力使峰值力减半，高黏度降低接触力，Stribeck模型揭示了低速静摩擦峰现象。该研究为疾病诊断与治疗提供了新思路。

　　

红细胞（RBCs）是人体氧气运输的核心载体，其力学特性与多种疾病密切相关。然而，传统技术难以在近生理条件下解析红细胞的微观力学行为，尤其在癌症、地中海贫血等病理状态中，细胞形变与黏附特性改变的机制尚不明确。为此，伊朗纳米技术创新理事会（INIC）支持的团队在《Mechanics of Materials》发表研究，通过双探针原子力显微镜（AFM）实现了红细胞的三维动态操控与高精度力学表征。

研究采用三维动态建模技术，结合AFM单/双探针模式，在空气、水及血浆环境中对比分析了盘状与准盘状红细胞的力学响应。关键技术包括：基于Brisk模型AFM的纳米操控、健康男性血样离心分离（2500 rpm, 10分钟）、Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）与Hertz接触力学模型对比、Stribeck摩擦模型验证等。

机械建模与操控机制

通过AFM探针施加接触力，研究首次量化了红细胞膜折叠对压痕深度的抑制效应（降低约15%），并发现V型悬臂可通过增强灵活性提升操控精度。双探针多点施力策略使峰值作用力降低50%，为减少细胞损伤提供了新方法。

黏附与摩擦特性

实验测得盘状与准盘状模型的黏附力分别为0.8186 pN与0.8177 pN，证实DMT模型更贴合红细胞接触力学（误差<0.1%）。Stribeck模型显示，低速条件下静摩擦峰显著，而血浆环境的高黏度使接触力降低20%。

环境依赖性

在血浆模拟环境中，流体阻力导致悬臂 hydrodynamic drag（流体动力阻力）增加，但三角形悬臂设计（较矩形减少30%阻力）有效缓解了该问题。温度变化对乙醇-水混合体系的拖曳力影响尤为显著。

结论与意义

该研究建立了红细胞三维操控的标准化力学框架，揭示了膜折叠与黏附协同调控机制。通过双探针优化与悬臂几何改进，实现了病理红细胞的无损检测，为癌症与地中海贫血的早期诊断提供了新工具。研究提出的DMT-Stribeck耦合模型，为生物颗粒纳米操控理论的发展奠定了重要基础。