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系統識別號 U0002-2007202017533600
中文論文名稱 應用原子力顯微術於人類肺泡腺體上皮癌細胞之力學性質研究
英文論文名稱 Application of Atomic Force Microscopy to Probing Mechanical Properties of Adenocarcinomic Human Alveolar Basal Epithelial (A549) Cells
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 108
學期 2
出版年 109
研究生中文姓名 張育承
研究生英文姓名 Yu-Cheng Chang
學號 608380019
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2020-06-29
論文頁數 137頁
口試委員 指導教授-王建凱
指導教授-李家瑋
委員-葉怡成
委員-董奕鍾
中文關鍵字 肺腺癌;AFM原子力顯微鏡;人類肺癌細胞A549;細胞鬆弛素Cytochalasin-D;赫茲接觸力學模型;圖像數據處理;程式語言設計 
英文關鍵字 Lung adenocarcinoma;Atomic force microscopy;Human lung adenocarcinoma epithelial cells;Cytochalasin-D;Hertz model;Image data processing;Programming language design 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 本研究利用AFM原子力顯微鏡,對人類肺癌細胞A549進行實驗,實驗變因設計為加入細胞鬆弛素Cytochalasin-D,觀察在加入藥物以後,A549之力學性質變化為何,以及細胞高度與楊氏模數之分佈狀況。研究主要可分為三個階段,分別為蒐集實驗數據、程式進行計算與擬合、歸納分析之成果。
將實驗後所得到的JPK-QI-Data原始檔,讀入專屬於JPK NanowizardⅡ原子力顯微鏡儀器使用的數據分析程式,以赫茲接觸力學模型為基礎,配合探針針尖的參數調整,進行楊氏模數的擬合計算,得到JPK-QI-Image圖像檔,再透過Gwyddion轉檔程式,使JPK-QI-Image得以數值的方式讀入判定細胞邊界之MATLAB程式碼中,得到在細胞邊界內的不同屬性的資訊,最後經由直角坐標轉換為極座標,計算出細胞在掃描範圍內與其細胞核之關係,將控制組與實驗組之結果加以歸納。
透過實驗結果之分析,可以獲得以下之結論:一、A549在加入藥物以後,細胞骨架的微絲結構遭受破壞,細胞高度、楊氏模數之變化同受影響。二、A549在加入藥物以後,越接近細胞的邊緣,楊氏模數也會隨之變大,且變硬的趨勢較控制組更為明顯,推測與微絲結構受到藥物作用的影響有關。
英文摘要 In this study, an AFM atomic force microscope was used to conduct experiments on human lung cancer cells A549. The experimental variables were designed to add Cytochalasin-D, and observe the changes in the mechanical properties of A549 after adding drugs, as well as the cell thickness and Young's modulus distributions. The research can be divided into three stages, which are the collection of experimental data, implementation of the data processing program, and the analysis of the resolving results.
The original JPK-QI-Data files obtained in the experiment are systematically imported into the data analysis program dedicated to the JPK Nanowizard II atomic force microscope (AFM) instrument. Based on the Hertz contact mechanics model, the Young's modulus of the scanned cell samples can be experimentally determined by fitting calculation of AFM indentation curves in conjunction with the parameter adjustment of the probe tips. Before the analysis processes of cellular Young's modulus, the JPK-QI-Image image files were translated into text-based data of indentation curves for every pixel of the whole scanning field by the Gwyddion transcoding program. The transcoded AFM images were ready to be read and further analyzed by the MATLAB program developed in this study. The attribute information is finally converted into polar coordinates through rectangular coordinates, the relationship between the cell and its nucleus in the scanning range is calculated, and the results of the control group and the experimental group are summarized.
According the experimental results, the following conclusions are obtained:
1. Through proper data processing, the scanned AFM images can be decoded into individual indentation curves of all scanned surface spots in the cellular areas.
2. After adding drugs to A549, the microfilament structures of the cytoskeleton in the cells are destroyed, and changes of cell height and Young's modulus are also affected.
3. After the drug is delivered, the Young's modulus of the cellular regions which are closer to the cell edges are significantly increased.
論文目次 目錄
圖目錄 IV
表目錄 XII
第一章、緒論 1
1-1 研究動機與背景 1
1-2 研究目的 2
1-3 文獻回顧 3
1-4 研究內容 6
第二章、AFM原子力顯微鏡之介紹與實驗流程 7
2-1 AFM原子力顯微鏡 7
2-1-1 AFM之成像原理 8
2-1-2 AFM之成像模式 11
2-1-3 AFM之力譜分析(Force Spectroscopy)14
2-1-4 AFM之定量成像(Quantitative Imaging)15
2-1-5 AFM之細胞掃描(Cell Imaging)17
2-2實驗流程 20
2-2-1 實驗步驟 21
2-2-2 參數Parameters 29
2-2-3 校正Calibration 30
第三章、擬合力學理論 32
3-1 線彈性力學基礎理論 32
3-2 赫茲接觸力學模型 33
第四章、實驗結果與分析程式 35
4-1 程式基本架構 35
4-2 JPK檔案格式介紹 36
4-3 JPK Data Processing擬合程式 37
4-3-1 程式功能 37
4-3-2 擬合步驟 37
4-4 Gwyddion轉檔程式 43
4-4-1 程式背景 43
4-4-2 轉檔步驟 44
4-5 MATLAB計算程式 46
4-5-1 young.m程式碼解說 46
4-5-2 height.m程式碼解說 58
4-6 實驗結果 65
4-6-1 控制組實驗結果 66
4-6-2 實驗組實驗結果 97
4-6-3 高度、楊氏模數與距離之變化關係探討 128
4-6-4 高度、楊氏模數與角度之變化關係探討 129
第五章、結論與展望 130
5-1 結論 130
5-2 展望 130
參考文獻 132
附錄 134

圖目錄
圖1-3-1 台灣歷年罹患肺癌人數與男女比例成長趨勢 4
圖1-3-2 細胞鬆弛素Cytochalasin-D結構 5
圖2-1-1 AFM原子力顯微鏡 7
圖2-1-1-1 微懸臂的偏移遵守虎克定律 8
圖2-1-1-2 偵測微懸臂偏移量的雷射光偏折機制 9
圖2-1-1-3 AFM主要結構之示意圖 10
圖2-1-2-1 AFM的成像模式:(A)接觸式(B)非接觸式(C)間歇接觸模式 12
圖2-1-2-2 原子間的交互作用力示意圖 13
圖2-1-3-1 AFM針尖壓印與回撤時偏移量與位置變化之關係圖 14
圖2-1-4-1 QI模式中計算楊氏模數與黏滯力之示意圖 16
圖2-1-5-1 QI模式中針尖位置和力曲線之關係圖 19
圖2-2-3-1 Sensitivity (將y軸由電壓單位轉化為長度單位) 31
圖2-2-3-2 Thermal Noise (將y軸由長度單位轉化為力量單位) 31
圖3-1-1 材料受力時之壓縮變形示意圖 32
圖3-2-1 四面錐體之面角與錐角 34
圖4-1 程式架構圖 35
圖4-5 反正切函數定義域對應不同掃描位置之示意圖 56
圖4-6-1 控制組A549之螢光顯微圖 66
圖4-6-1-1-1 編號02260101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 67
圖4-6-1-1-2 編號02260101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 67
圖4-6-1-2-1 編號02260202範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 68
圖4-6-1-2-2 編號02260202範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 68
圖4-6-1-3-1 編號03110101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 69
圖4-6-1-3-2 編號03110101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 69
圖4-6-1-4-1 編號03110201範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 70
圖4-6-1-4-2 編號03110201範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 70
圖4-6-1-5-1 編號03110202範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 71
圖4-6-1-5-2 編號03110202範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 71
圖4-6-1-6-1 編號03170102範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 72
圖4-6-1-6-2 編號03170102範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 72
圖4-6-1-7-1 編號03170201範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 73
圖4-6-1-7-2 編號03170201範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 73
圖4-6-1-8-1 編號03170401範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 74
圖4-6-1-8-2 編號03170401範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 74
圖4-6-1-9-1 編號03170502範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 75
圖4-6-1-9-2 編號03170502範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 75
圖4-6-1-10-1 編號03180101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 76
圖4-6-1-10-2 編號03180101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 76
圖4-6-1-11-1 編號03180102範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 77
圖4-6-1-11-2 編號03180102範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 77
圖4-6-1-12-1 編號03180601範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 78
圖4-6-1-12-2 編號03180601範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 78
圖4-6-1-13-1 編號03180602範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 79
圖4-6-1-13-2 編號03180602範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 79
圖4-6-1-14-1 編號04220101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 80
圖4-6-1-14-2 編號04220101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 80
圖4-6-1-15-1 編號04220102範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 81
圖4-6-1-15-2 編號04220102範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 81
圖4-6-1-16-1 編號04220201範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 82
圖4-6-1-16-2 編號04220201範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 82
圖4-6-1-17-1 編號04220202範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 83
圖4-6-1-17-2 編號04220202範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 83
圖4-6-1-18-1 編號04220301範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 84
圖4-6-1-18-2 編號04220301範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 84
圖4-6-1-19-1 編號04220401範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 85
圖4-6-1-19-2 編號04220401範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 85
圖4-6-1-20-1 編號04220501範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 86
圖4-6-1-20-2 編號04220501範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 86
圖4-6-1-21-1 編號04220601範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 87
圖4-6-1-21-2 編號04220601範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 87
圖4-6-1-22-1 編號04220801範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 88
圖4-6-1-22-2 編號04220801範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 88
圖4-6-1-23-1 編號04290101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 89
圖4-6-1-23-2 編號04290101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 89
圖4-6-1-24-1 編號04290102範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 90
圖4-6-1-24-2 編號04290102範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 90
圖4-6-1-25-1 編號04290601範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 91
圖4-6-1-25-2 編號04290601範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 91
圖4-6-1-26-1 編號04290801範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 92
圖4-6-1-26-2 編號04290801範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 92
圖4-6-1-27-1 編號04290802範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 93
圖4-6-1-27-2 編號04290802範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 93
圖4-6-1-28-1 編號04290902範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 94
圖4-6-1-28-2 編號04290902範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 94
圖4-6-1-29-1 編號05060201範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 95
圖4-6-1-29-2 編號05060201範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 95
圖4-6-1-30-1 編號05060301範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 96
圖4-6-1-30-2 編號05060301範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 96
圖4-6-2 實驗組A549之螢光顯微圖 97
圖4-6-2-1-1 編號04140301範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 98
圖4-6-2-1-2 編號04140301範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 98
圖4-6-2-2-1 編號04140401範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 99
圖4-6-2-2-2 編號04140401範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 99
圖4-6-2-3-1 編號04140603範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 100
圖4-6-2-3-2 編號04140603範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 100
圖4-6-2-4-1 編號04210101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 101
圖4-6-2-4-2 編號04210101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 101
圖4-6-2-5-1 編號04210102範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 102
圖4-6-2-5-2 編號04210102範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 102
圖4-6-2-6-1 編號04210201範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 103
圖4-6-2-6-2 編號04210201範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 103
圖4-6-2-7-1 編號04210301範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 104
圖4-6-2-7-2 編號04210301範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 104
圖4-6-2-8-1 編號04210401範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 105
圖4-6-2-8-2 編號04210401範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 105
圖4-6-2-9-1 編號04210402範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 106
圖4-6-2-9-2 編號04210402範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 106
圖4-6-2-10-1 編號04210501範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 107
圖4-6-2-10-2 編號04210501範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 107
圖4-6-2-11-1 編號04210502範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 108
圖4-6-2-11-2 編號04210502範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 108
圖4-6-2-12-1 編號04210503範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 109
圖4-6-2-12-2 編號04210503範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 109
圖4-6-2-13-1 編號04280701範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 110
圖4-6-2-13-2 編號04280701範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 110
圖4-6-2-14-1 編號04280702範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 111
圖4-6-2-14-2 編號04280702範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 111
圖4-6-2-15-1 編號04280801範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 112
圖4-6-2-15-2 編號04280801範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 112
圖4-6-2-16-1 編號04280901範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 113
圖4-6-2-16-2 編號04280901範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 113
圖4-6-2-17-1 編號04280902範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 114
圖4-6-2-17-2 編號04280902範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 114
圖4-6-2-18-1 編號04281001範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 115
圖4-6-2-18-2 編號04281001範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 115
圖4-6-2-19-1 編號04281101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 116
圖4-6-2-19-2 編號04281101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 116
圖4-6-2-20-1 編號05050101範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 117
圖4-6-2-20-2 編號05050101範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 117
圖4-6-2-21-1 編號05050102範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 118
圖4-6-2-21-2 編號05050102範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 118
圖4-6-2-22-1 編號05050201範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 119
圖4-6-2-22-2 編號05050201範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 119
圖4-6-2-23-1 編號05050202範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 120
圖4-6-2-23-2 編號05050202範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 120
圖4-6-2-24-1 編號05050301範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 121
圖4-6-2-24-2 編號05050301範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 121
圖4-6-2-25-1 編號05050302範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 122
圖4-6-2-25-2 編號05050302範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 122
圖4-6-2-26-1 編號05050502範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 123
圖4-6-2-26-2 編號05050502範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 123
圖4-6-2-27-1 編號05050601範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 124
圖4-6-2-27-2 編號05050601範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 124
圖4-6-2-28-1 編號05050602範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 125
圖4-6-2-28-2 編號05050602範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 125
圖4-6-2-29-1 編號05050701範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 126
圖4-6-2-29-2 編號05050701範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 126
圖4-6-2-30-1 編號05050702範圍之A549光學照與細胞高度、楊氏模數 127
圖4-6-2-30-2 編號05050702範圍之A549掃描範圍與其細胞核之關係圖 127
圖4-6-3-1 控制組(左)與實驗組(右)之掃描範圍與其細胞核距離變化 128
圖4-6-4-1 控制組(左)與實驗組(右)之掃描範圍與其細胞核角度變化 129


表目錄
表1-3-1 台灣歷年罹患肺癌總人數與性別人數 4
表2-1-2-1 AFM三種成像模式之優缺點比較 13

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[14] Nicholas. A. Geisse (2009), “AFM and combined optical techniques”, materialstoday, Vol. 12, Issues 7-8, July-Auguet 2009
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