骨内微管中流动电位的实验研究

骨的力-电效应研究方法与进展武晓刚;陈维毅【摘要】骨组织在受到应力作用(正常的生理活动)变形后在骨内产生电位的现象称为骨的力-电效应,它主要包括压电效应和动电效应.研究骨在动态过程中产生的电位幅值和分布特点,不仅是了解电刺激骨生长机理的必要步骤,也是实现骨治疗和蕈建的生理基础.它一方面是用数学方法来描述外力作用下其电位大小与应力、应变、应变率及加载速率的关系,另一方面是考察生理环境(pH值、离子浓度、温度、湿度等)对电位的影响.首先对力-电理论进行了简单的介绍,重点总结了其研究方法,包括理论模型和分离式霍普金生杆冲击、弯曲变形及缓冲液中的动态测试等实验方法.此外,对骨替代材料和牙本质领域的力-电效应研究也进行了一定的综述.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2010(040)005【总页数】11页(P563-573)【关键词】骨;力-电效应;压电效应;动电效应;电位;应力;应变【作者】武晓刚;陈维毅【作者单位】太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,太原,030024;太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所,太原,030024【正文语种】中文骨的固有成分:矿物质和胶原,还有其表面所吸附的蛋白质离子,它们共同构成了骨的生长内环境．骨的结构也决定了骨组织具有电生理特性:压电性、流动电位及生物电势．骨组织的这些电学特性大都与外部载荷和应变有关,特别是压电效应和动电效应,它们统称为骨的力–电效应(stress-generated potentials,SGP)．Yasuda[1]发现骨受应力作用时,骨内同时产生电信号．研究[2]表明这些电位信号能够影响骨的生长和吸收,并已确认正电位加速骨吸收,负电位加速骨生成,因此引起了许多生物医学工程工作者的注意和兴趣．研究人员普遍认为应力产生的电位能够促进骨重建,而且产生了关于Wolf f功能适应定律作用机理的假设(Wolf f定律的基本内容是骨内应力状态决定骨的重建)．那么不加应力而外加电信号是否也能引起细胞反应而达到促进骨重建的目的？若此假设成立,则将在临床方面尤其治疗骨折方面产生深远的意义．基于这种假设和应用前景,国内外对SGP现象进行了广泛的研究．2.1 压电理论2.1.1 正压电效应压电效应包括正压电效应和逆压电效应．正压电效应是在无电场时由于非中心对称的晶体结构在机械应变的作用下形成的一种电极化现象[3∼5]．正压电效应其电极化的大小与应力成正比,方向随应力方向的改变而改变．干骨中,胶原是产生压电的原因．一些检测结果表明压电电压的大小是施加压力的方向与骨长轴方向夹角的函数,进一步研究发现这个电压是由于胶原纤维之间彼此滑动产生的,并且最大电位值发生在胶原纤维与骨长轴夹角的45◦处.骨无机物产生的电压很小或者不产生电压,而有些组织能够产生压电现象,这可能是因为它们有极性的分子结构[6]．Wang等[7]为了模拟自然骨的压电效应,取包含羟磷灰石(HA)和铌酸盐(LNK)压电陶瓷,其中HA和LNK的质量比分别为1:10和5:5．对它们表面的压电特性和磷灰石晶体进行了研究比较,发现当增加LNK的量时压电活性增大．McDonald等[8]在兔(麻醉状态下)的胫骨骺内侧中层和末梢处,布置了经过变形处理的电插销针头,同时在中间体层布置花瓣状的应变测量器．在周期性的载荷作用下,与银电极接触的电插销针头测到最大的电压为2.5mV,同时,应变由应变测量器测得．在分析完压电效应后,重新刺激坐骨的神经,发现靠近胫骨的肌肉颤搐,而且此处骨表面的电势完全消失．结果提示:骨的重建跟骨的生长不一样,它与加载后的肌肉活动有关,而由应变引起的电势现象在骨的重建中不是主要因素．骨的生长和康复依靠羟磷灰石的沉淀,Noris-Suarez等[9]的工作表明即使没有造骨细胞和拟生态的生物环境,骨的生长和康复依然能够进行,因为胶原体变形产生的压电性,能够实现羟磷灰石的自然沉淀．骨的正压电效应的研究在多方面展开,如研究应力波在骨内传播时的压电电压响应[10],利用压电力显微镜研究哈佛氏管周围的电位分布[11],分析应力波在骨内传播时骨内力–电信号的电磁场变化[12]等．2.1.2 逆压电效应当某种晶体置于电场之下时,晶体会出现几何变形,这种现象称之为逆压电效应,同时也伴随着电致伸缩效应．逆压电效应时,电介质在外电场作用下产生应变,应变的大小与电场的大小成正比,应变的方向与电场的方向有关,即电场反向时应变也改变方向．Aschero等[13]验证了逆压电效应的存在．圆柱体试件取自牛的大腿股骨,厚度大约是 10mm,施加的电场强度为10kV·m−1．当施加极性方波的载荷时,测出位移改变量的幅值大约是 3pm．Gizdulich等[14]用圆柱体试件测量了骨的逆压电效应,当施加 100V的电压时,发现位移减少了10pm,并且根据逆压电理论计算出了压电矩阵,矩阵系数范围为(2.6×10−14∼3.8×10−14)C/N．逆压电效应在矿物晶体和材料方面研究得较多,但在骨这一生物医学领域中不是很多,它的研究大多是为了找出电压信号和应变率(位移)之间的对应关系,如果这一关系确定的话,将有利于高精度生物探针的研制与开发．2.2 动电理论(流动电位)动电理论认为骨中所出现的电势是由于应力产生的液体流动引起的,骨接触含水的液体后,会产生表面电荷,因为同性相斥、异性相吸,相反的电荷离子被吸附到电荷表面,相同的电荷离子被排斥出电荷表面,这样就形成一个双电层(双电层电势也叫Zeta电势),类似于电容器,它是由带电的固体表面离子层和相反电荷的平衡离子扩散层构成的．当流体沿着这样的表面漂移时,双电层被破坏,电荷流体的运动就形成了电流,两电极之间形成的电压,称为流动电位．流动电位的研究一方面是用数学描述外力作用下其大小与应力、应变的关系[15∼17],另一方面是研究其与pH值、离子浓度、温度等环境的关系[18∼20]．这些研究表明Zeta电位极性的逆转是SGP 极性逆转的原因,流动电位是湿骨中SGP的主要来源[21]．为了探求骨液在骨内微空间内的流动方式,Qin等[22]对火鸡尺骨进行活体实验,分别测出外载荷作用下骨内压强(Imp)和流动电位(Sp)曲线,用 Debye松弛函数进行分析,发现 Imp和 Sp松弛时间常数都不唯一,两曲线都可分为快速松弛和缓慢松弛两部分,而且Imp松弛要快于 Sp,推测Imp松弛反映了液体在哈佛氏管、骨小管等微管中的流动,Sp则进一步反映了液体在骨内更小微空间内的流动,如羟基磷灰石与胶元纤维之间的微空间．还有不少学者对骨内液体流动特点和流动电位进行了研究[23,24]．骨在载荷作用下,受压侧基质内的电荷(负电荷)更容易由高压区向低压区(受张力侧)流动,带动双电层平面另一侧的相反等量电荷(正电荷)移动,使受压区表现为负电占优势,凹侧骨质沉积,受张力区(凸侧)为正电势,这样就形成骨质吸收[25]．正畸牙齿治疗正是利用这一原理达到校正目的[26]．2.3 生物电势除了以上电势 (与受力有关,又称应力刺激电位)外,还有一种静电势,或称生物电势,在骨髓等成骨细胞活跃区域,相对于不活跃区域是电负性的(相对为阴极),由代谢和生化作用联合产生[25]．骨的这种电性能与半导体相类似,具有换能器的功能,可将机械能转化为电能,这种电能又作用于骨细胞和细胞外环境,从而调节骨骼愈合与重建．3.1 分离式霍普金生杆 (split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击生命状态的骨大都是作为一个整体来承受外部载荷的,如走路、跑步和跳跃等,所以确定高应变率下骨动态力学性能很有现实意义．应用最广泛的测量高应变率下材料性能的实验技术之一是SHPB装置．该实验装置是由打击杆、输入杆、输出杆及附带的记录装置组成,如图1所示．试件夹在两杆中间．许多学者将人的密致骨制成小的圆柱体 (如图 2)和板形 (如图 3)等材料试件进行冲击测试．试验[27]得出:人的密质骨在高应变率下呈现非线性黏弹性特性,冲击特性可用三参数黏弹性力学模型描述;高应变率下人密质骨的极限应力和残余应变的范围分别是(110.11∼232.16)MPa和1.04%∼3.52%,压电电位的大小与应变率、哈佛氏系统的数目等有关．通过干湿骨的比较[28],发现湿骨试件产生的应变源电动势(主要是流动电位,SGPs)峰值较干骨试件大,其时相滞后于骨应变时相约440µs,而干骨试件的SGPs无明显滞后．牛骨冲击试验[29,30]与人骨的测试结果相似:断裂应力值的大小与加载时间有关,压缩时表现出黏弹性特性[31]．湿骨中的 SGP现象和电压滞后现象相对于干骨中更为明显,可能是由于在湿骨中能产生流动电位,并且流动电位明显滞后于外载荷[32]．从试件的几何尺寸分析[33],试件长度和直径都与压电电压幅值成正比,试件离水时间越长,压电电压幅值越小．不同应变率下骨内流体压力和SGP的关系表明,压力梯度直接导致了SGP的产生[34],也就是说压电电位决定于应力梯度而不是应力,且受拉伸时产生的压电电位(绝对值)大于受压缩时产生的压电电位[10]．密质骨动载荷冲击下的试验研究,对于骨生长在细胞层次的力–化耦合研究,对于进一步理解载荷诱导骨生长中力学耦联、生物化学耦联、细胞间信号的传导和反应的机制等都很有必要．做这些测试时要尽可能地保证试件承受轴向冲击,另外还要考虑零参考点位的选取问题．侯振德等[10]利用屏蔽内电位恒定的特点,将参考点移出骨试件选在屏蔽层上,解决了这个问题．上述都是在骨材料水平进行的冲击测试,而生命状态的骨大都是作为一个整体来承受外部载荷的,如走路、跑步和跳跃等,因此对整体大段骨结构(如图4)进行冲击来研究其电位响应将更有实际参考价值．3.2 弯曲变形下的测试3.2.1 悬臂梁式试验将骨做成梁试件进行悬臂梁测试是骨力–电效应研究经常用的方法之一[35∼37]．和典型的压电晶体相比较,骨有其自身的特点．特别是用经典的压电理论解释湿骨中的SGP现象时发现有较大困难:湿骨中的羟基磷灰石和湿胶原都没有压电性,而湿骨却表现出SGP现象．为此Anderson等[38]曾建议在湿骨中把流动势视为产生SGP现象的主要根源．在图 5的悬臂梁式试验中,压电系数一般通过梁上、下表面间的电压来确定．极化电压正比于加力点与电极间的距离,电极位置的任何微小改变,极化电压都将发生明显的无规律的变化[39]．毛晓岗等[40]利用这个实验装置,得出了电位与应变的关系表达式V=K−10(b−aε),其中,V是骨的力–电电位,K,a和b是曲线直线化的尝试值,ε是骨试件的应变．在下颔骨悬臂梁弯曲实验中[41],初步得出了离体试件受力后产生的应变和力–电电位关系曲线．在生理变形范围内,下颔骨力–电电位随应变增大而呈非线性增加;同一下颔骨的不同位置,在相同应变下,电位不同,中切牙位置电位最大,向两侧逐渐减小;下颔骨力–电电位大小的分布与下颔骨受力作用后的应力大小分布一致．3.2.2 三点和四点弯曲试验将骨做成梁试件,测量三点或四点弯曲的流动电位也是常用的研究方法[42∼49]．三点弯曲测试[50]表明:干骨的压电电位通常在动态加载时表现出来,在骨受力变形产生压电电荷或压电电位分布的同时,这种电荷会经过自身释放掉,在干骨中都是如此,可见湿骨或活体骨中压电电位表现为脉冲的形式．此类弯曲测试中,试件的压缩侧和拉伸侧分别呈现负电位和正电位[44,45],试件材料一般选用股骨和胫骨,试验中发现股骨和胫骨的电位与应变曲线不同,股骨的最大电位发生在骨干上下段的内侧和后部,胫骨则发生在胫骨干后部．生理状态下股骨承受压缩和弯曲,是人体上肢和下肢的主要负重骨之一,研究其受压(冲击)和弯曲时的电位特性十分必要,有关研究表明股骨最大电位分布与三维光弹性研究的最大应力分布一致[41]．3.3 缓冲液中的动态测试将骨做成薄板试件放入缓冲液中,在上部用气体加压时,液体通过哈佛氏管流入下部储液室,从而在上下两侧产生流动电位,这个电位通过银/氯化银电极输入到高阻抗放大器,进而算出哈佛氏管内的 Zeta电位[16,17]．候振德等设计改进了测试装置,在图6中,试件上下面浸在缓冲液中,试件下部液体和大气相通,压力保持不变,近似为零．活塞下移时,上部液体压力升高,缓冲液经试件的微孔流入下部,从而在上下面之间产生流动电位．采用Instron电液伺服试验机和高阻抗生物放大器这些新的技术手段,使得载荷波形更容易控制,试验数据采集更方便、精确．活塞式压力传感器的研制是湿骨内动态力电性质的试验研究的重要课题之一,它在骨的力电性质研究中既是施力装置又是测力装置,是圆满完成整个试验的关键部件．它使得加力和测力装置一体化,提高了测试可靠性和测试精度[51]．这种装置能同时测定骨的静态和动态力–电性质,证明无论瞬态还是稳态时的力–电电位主要是流动电位而并非压电效应．并且发现在瞬态时流动电位值与稳态时流动电位值之比为5∼7.5[52],分析还认为:瞬态时流动电位的值决定于骨小管等微空间,稳态时流动电位由哈佛氏管产生．候振德等[53]利用图 7这个装置测量了在不同加载速率下流动电位的变化波形．结果显示,加载速率越高,流动电位有减小的趋势．分析认为这是由于微管中局部产生的湍流引起的．Walsh等[54]利用相似的方法和电泳方法分别测得Zeta电位的值不同．骨的缓冲液试验中可以看到当液体流过有机微孔管道时产生了Zeta 电势,而在电泳试验方法下发现Zeta电势是由于骨内的矿物组织而产生的,所以认为:是否让离子进入矿物组织是由微孔管道有机组织的表面层电势来决定,可见双电层对生物体内的矿物质平衡起着重要的作用．3.4 Zeta电位的测定汪锰等[55]总结了Zeta电势的测定方法．其中分离膜流动电位的测定主要有两种方式:透过式和平流式,前者是测定电解质溶液垂直穿过膜孔产生的流动电位[56∼58],而后者是测定电解质溶液平行流过膜表面产生的流动电位[59∼62]．近年来,上述方法得到了改进和完善,汪锰等在前期[63]透过式流动电位测试系统的基础上研制了平流式流动电位测试系统[64],准确地得到了膜表面的Zeta电位,并在试验中发现膜表面的亲水性(溶胀性能)对膜表面 Zeta电位的测定有着显著的影响．Lu 等[65]在上述电动现象产生的基础上,将不同阻值的电阻接入电路中,通过测定引入电阻两端的电压降准确地获得电路中真实的流动电流,进而获得了荷电表面的Zeta 电位及其表面电导．3.5 流固(两相)耦合的理论模型及有限元数值模拟骨内力–电性质和电动性质的理论研究整合了多孔介质理论和动电理论,文献[66]最早采用该理论研究了湿土中与地震纵波传播相关的地震电现象,应用电动理论并结合带电的圆形毛细管内的拟静态泊肃叶流来模拟所引起的电位差,并给出了关于流动压力与流动电位间的重要关系式．早在1962年Biot[67]就采用电动与声波的耦合来计算土中声能的耗散．然而,将现代多孔介质理论用于描述生物组织特别是软骨组织的力学分析工作的是 Mow等[68,69]建立的软骨双相及多相理论模型．该模型将软骨组织视为一种两相不相混溶且不可压缩的混合物:分别代表骨胶原和蛋白聚糖的固体相和其间流动的水和电解溶液的流体相．而后一些学者结合了Mow 的线性双相模型和电动现象模型进行了交变载荷下的应力、流体压力和流动电位的理论分析并与试验结果进行了比较[46,47,70]．Grodzinsky[71]将骨内液体流动看作渗流问题建立了连续型动电现象模型其中,φf为固体骨架所占的体积份数,˙uf和˙us分别描述多孔固体骨质和孔间液体的速度,▽P为液体压力的梯度,E为流动电场的电场强度,K11为达西渗透系数,K12为动电耦合系数．基于这个理论模型,Imomnazarov[72]在加振动的谐波时发现皮质骨衍生的电化学电动势的公式不同．采用现代两相多孔介质模型,将其中的固体骨质视为线弹性横观各向同性材料,比将骨视为单组分线弹性各向同性材料或单组分线弹性横观各向同性材料,更能准确地描述骨组织的力学特性,同时利用动电模型,实现了骨组织的流固耦合与流动电位分析相结合．将骨骼的骨质和骨液限定在小变形、不可压缩及等温范围内,并假设固体骨质连续、各向同性、线弹性、孔间液体为无黏性流体,忽略外部体积力[73,74],在给定边界条件和初始条件下,利用Galerkin加权残值法推导出相应的公式,同时利用这个模型对骨组织的变形场、流动场和流动电位进行了数值分析和模拟．进而从理论上解释松质骨固体骨质变形、孔间骨髓流动以及骨内流动电位间的耦合效应．数值模拟的结果表明:骨组织在外界作用下引起变形和骨液流动,从而使带电粒子在孔隙间运动,产生流动电位[74,75]．在一维线性多孔模型的分析中[76],造骨细胞通过临近细胞的电耦合作用,能够感应到骨表面很小区域的应变,利用控制方程可以计算出造骨细胞和骨细胞电位的改变,同时发现膜电位的大小与载荷作用的位置、载荷的频率、方式有关．也有研究人员基于有限元的数值模型,通过复杂的体系流动来计算与相伴载荷产生的SGPs[77]．还有利用骨的SGP来诊察骨接口处的植入量[78](用有限元软件ABAQUS可以模拟植入接口处的压力分布),发现该处SGP现象明显．Guzelsu等[79,80]用连续介质力学理论构造了一种新型唯象理论模型,从理论上分析了骨的力电性质．同时考虑了骨的物理性质和化学反应,弥补了以前只考虑物理性质所抽象的模型和Cowin等只考虑化学反应所抽象的模型之不足．4.1 骨替代材料的流动电位测试研究目前对骨替代材料的研究主要集中在材料的制备方法、材料力学性质和生物相容性等方面．这些研究对骨的培养及人造生物材料的植入有重要的意义,对于临床医学特别是骨科移植具有很大的参考价值.与生物相容性一样,骨替代材料的力电相容性也是影响其植入骨后生长效果的重要因素．同样地,若骨植入材料的力学性质和电学性质与骨相容将有利于组织在植入材料内的生长,或者说有利于使骨植入材料成为骨组织的一部分．将生物压电陶瓷(HABT)用作硬组织替代材料,利用其电学活性以期通过其微电流刺激促进骨生长,从而获得材料与骨之间良好的骨性结合,恢复缺损组织的形态与功能.基于这种考虑,许多学者[81,82]研究了生物压电陶瓷植入材料对机体骨组织生成的影响,最后得出:该材料既具有与人体组织相近的生物相容性和力学相容性,又具有相似于人体自然骨的压电性,所以它可以作为承力的骨替换材料,并且可促进新生骨的迅速形成．生物材料最终将植入活体骨中,活体骨中流动电位起主导作用[83]．研究在动态过程中生物材料的电位分布及其特点,提高生物材料的力电相容性对于骨科移植具有及其重要的意义．基于骨替代材料力电相容性的意义,汤灵霞[84]对美国产和国产的 HA(羟磷灰石)材料、国产碳酸钙材料3种材料进行了流动电位测试对比,发现国产的HA材料与美国产的HA和国产碳酸钙材料测试结果差异较大．HA(美国)和国产碳酸钙材料的测试结果与前人对骨的流动电位的测试结果符号一致,幅值接近．并且计算出HA(美国)和国产碳酸钙材料双电层的Zeta电位分别为–16.027mV和–14.908mV．4.2 牙本质的电学特性研究牙齿的萌出与迁移现象的研究中,已有几种假说．Grier等[85]认为是牙囊诱导了破骨细胞形成萌出通道,从而导致牙齿的萌出;Marks等[86],Kardos等[87]认为是牙周膜牵拉牙齿导致牙齿向牙冠方向移动．但是尚有部分内容未得到证实,且有些学者的实验结果[88∼90]不支持这些观点,但都表明牙齿硬组织本身在颔骨的生长改建中发挥着重要作用．牙齿硬组织,包括牙釉质、牙本质和牙骨质,是以羟基磷灰石为主要成分而形成高度矿化的组织．这些硬组织成分、浸在口腔中的唾液以及牙槽骨的血液、组织液等电解质构成了一个电化学系统．早在 1929年,Klein等[91]就研究发现牙釉质具有静电筛选作用,提出了牙齿膜电位的概念,此后的很多学者对牙齿硬组织的电化学性能进行了研究．Tung等[92]及Vogel等[93]都利用电化学方法研究了牙釉质的物理化学性能,认为天然牙釉质的电化学性质主要在牙釉质最外层建立,因此牙体电位也被称为表面电位．黄力子等[94]则着重对牙齿的电化学性质与龋病的关系进行了研究,从另一个角度证明了牙体硬组织的电化学特性．牙体的表面电位由牙齿硬组织本身的晶体结构决定,通过在牙齿硬组织和与其紧密接触的周围液体环境中的电解质之间形成的双电层表现出来[95∼97]．张加理等[96]测量了51例患牙牙体表面与牙髓表面的生物电位,发现牙冠硬组织内、外相对于邻近的口腔黏膜均呈正电位,牙髓表面电位较牙冠表面电位明显较高(P＜0.01),电位差均数为 11.16mV．苏吉梅[95]为了探讨牙齿表面电位产生的原因,将人工唾液和含有KCL的生理盐水作为电解质溶液,通过测量离体恒牙牙冠颊侧中点相对于牙根中点的电位来观察KCL浓度对牙齿表面电位的影响．最后得出:离体牙亦存在表面电位,牙齿所处电解质环境影响牙齿表面电位大小,牙齿本身的结构及其周围电解质环境是产生表面电位的根本原因．这个电位能够影响牙骨的改建:带负电的牙骨质诱导新骨形成,而带正电的牙釉质促进破骨吸收．可见牙体硬组织本身的电化学作用是诱导人牙颔骨内冠向迁移的重要动力之一[98]．鉴于人密质骨和牙本质在组分和结构上的相似性,人牙本质也应具有相似的力–电效应,包括压电和动电效应．Wang等[99]对人牙进行了动电效应的研究,试件取自部位如图 8所示,尺寸为2mm×2mm×4mm．图9为测试装置示意图．研究发现,人牙本质具有压电性质,水分含量越高,牙本质的压电效应越大．此外,牙本质小管的取向也对压电效应有影响;沿牙本质小管方向测到的压电效应较垂直牙本质小管方向大．脱胶原处理使牙本质的压电效应显著减小,而脱矿处理使压电效应略减小。

第1篇一、实验目的1. 理解细胞骨架的基本概念及其在细胞生物学中的重要性。

2. 掌握使用荧光显微镜观察细胞骨架的方法和技巧。

3. 认识细胞骨架的主要组成成分，包括微丝、微管和中间纤维。

4. 分析细胞骨架在不同细胞类型和生理状态下的形态和分布。

二、实验原理细胞骨架是真核细胞内由微丝、微管和中间纤维组成的网状结构，负责维持细胞形态、细胞运动、物质运输、信号传导等重要功能。

微丝主要由肌动蛋白组成，微管主要由α-和β-微管蛋白组成，而中间纤维则由多种蛋白质组成。

细胞骨架的结构和动态变化对细胞的正常生理功能至关重要。

三、实验材料与仪器材料：1. 植物细胞样本（如洋葱鳞片叶表皮细胞）2. 动物细胞样本（如小鼠成纤维细胞）3. 荧光标记的细胞骨架蛋白抗体4. 抗荧光标记的抗体5. 胶体金标记的抗体6. 封片剂仪器：1. 荧光显微镜2. 激光共聚焦显微镜3. 冷冻切片机4. 液氮5. 恒温培养箱6. 电子显微镜四、实验步骤1. 样本制备：- 植物细胞样本：取洋葱鳞片叶表皮细胞，用2%的戊二醛固定，进行冷冻切片。

- 动物细胞样本：培养小鼠成纤维细胞，用2%的戊二醛固定，进行冷冻切片。

2. 荧光标记：- 将切片置于含有荧光标记的细胞骨架蛋白抗体的溶液中，室温孵育一段时间。

- 洗涤切片，去除未结合的抗体。

3. 抗荧光标记抗体：- 将切片置于含有抗荧光标记抗体的溶液中，室温孵育一段时间。

- 洗涤切片，去除未结合的抗体。

4. 胶体金标记抗体：- 将切片置于含有胶体金标记抗体的溶液中，室温孵育一段时间。

- 洗涤切片，去除未结合的抗体。

5. 封片：- 将切片置于封片剂中，覆盖玻片，封片。

6. 显微镜观察：- 使用荧光显微镜或激光共聚焦显微镜观察细胞骨架的形态和分布。

五、实验结果与分析1. 洋葱鳞片叶表皮细胞：- 在荧光显微镜下观察到洋葱鳞片叶表皮细胞的细胞骨架主要由微丝和微管组成。

- 微丝呈网状分布，主要位于细胞质膜内侧。

- 微管呈束状分布，主要位于细胞核周围。

第1篇一、实验目的1. 了解骨骼的基本结构和功能。

2. 掌握骨骼的观察方法和技巧。

3. 分析不同动物骨骼的形态和差异。

4. 探讨骨骼在生物进化中的作用。

二、实验材料与用具1. 实验材料：鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的骨骼标本或模型。

2. 实验用具：解剖盘、解剖镊、放大镜、显微镜、胶水、绘图纸、绘图笔等。

三、实验内容1. 骨骼基本结构观察（1）观察骨骼的形态和结构，了解骨骼的基本组成。

（2）观察骨骼的连接方式，了解关节的构造和功能。

2. 不同动物骨骼形态观察（1）观察鱼类骨骼，了解鱼类骨骼的适应特点。

（2）观察两栖类骨骼，了解两栖类骨骼的过渡特征。

（3）观察爬行类骨骼，了解爬行类骨骼的稳定性。

（4）观察鸟类骨骼，了解鸟类骨骼的轻量化特点。

（5）观察哺乳类骨骼，了解哺乳类骨骼的多样化适应。

3. 骨骼在生物进化中的作用探讨（1）分析骨骼在生物进化过程中的演变规律。

（2）探讨骨骼适应不同环境的原因。

四、实验步骤1. 实验前准备：将骨骼标本或模型摆放整齐，准备好实验用具。

2. 骨骼基本结构观察：使用放大镜观察骨骼的形态和结构，记录观察结果。

3. 不同动物骨骼形态观察：分别观察鱼类、两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类的骨骼，记录观察结果。

4. 骨骼在生物进化中的作用探讨：分析骨骼在生物进化过程中的演变规律，探讨骨骼适应不同环境的原因。

5. 绘制骨骼结构图：根据观察结果，绘制骨骼结构图，标注各部分名称。

6. 实验报告撰写：整理实验过程和观察结果，撰写实验报告。

五、实验结果与分析1. 骨骼基本结构观察：骨骼由骨膜、骨质和骨髓组成，骨膜负责骨骼的生长和修复，骨质提供骨骼的硬度和支撑，骨髓负责产生血细胞。

2. 不同动物骨骼形态观察：（1）鱼类骨骼：鱼类骨骼呈流线型，以减轻游泳时的阻力。

（2）两栖类骨骼：两栖类骨骼具有过渡特征，既有鱼类骨骼的流线型，又有陆生动物骨骼的支撑性。

（3）爬行类骨骼：爬行类骨骼具有稳定性，适应陆地生活。

细胞骨架实验报告分析
实验目的：分析细胞骨架的结构和功能。

实验方案：
1. 从培养皿中取出细胞样本。

2. 用PBS缓冲液洗涤样本，去除杂质。

3. 采用适当的方法对细胞样本进行固定，如使用甲醛或冷冻固定法。

4. 进行细胞透明化处理，如使用醋酸正己酯或醋酸乙腈进行处理。

5. 使用荧光染料标记细胞骨架，如荧光标记的抗体。

6. 进行显微观察，使用显微镜观察细胞骨架的形态和结构，并记录观察结果。

7. 分析细胞骨架的组成和功能。

实验结果：
观察细胞骨架后，我们发现细胞骨架主要由微观结构组成，包括微丝、微管和中间丝。

微观结构在细胞内起着维持细胞形态、细胞运动和细胞分裂等重要功能。

微丝由细胞骨架蛋白聚合体组成，主要存在于细胞质中。

微丝的直径约为7纳米，长度可变。

微丝在细胞运动、肌肉收缩等方面起到重要作用。

微管由微管蛋白聚合物组成，是一种管状结构。

微管的直径约为25纳米。

微管在细胞分裂、细胞内物质运输等过程中起到
重要作用。

中间丝是由中间丝蛋白聚合物组成的，直径约为10纳米。

中间丝在细胞内提供机械支持，使细胞具有较强的抗压性。

实验结论：
细胞骨架是细胞内的重要组成部分，对维持细胞形态、细胞运动和细胞分裂等过程起着重要作用。

细胞骨架的主要组成包括微丝、微管和中间丝，它们通过不同的机制实现细胞的各种功能。

对于进一步研究细胞活动、细胞生物学和生物医学领域的研究具有重要意义。

一、实验背景骨骼是人体的重要组成部分，具有支撑、保护、运动和造血等功能。

骨的形态、结构和功能与其生长发育、疾病和创伤修复密切相关。

为了更好地了解骨的生理和病理变化，本实验通过对骨的形态、结构和功能进行研究，探讨骨的实验原理。

二、实验原理1. 骨的形态学原理骨的形态学研究骨的形态、大小、比例和生长规律。

本实验通过观察骨的横切面和纵切面，了解骨的内部结构，包括骨膜、骨皮质、骨松质等。

2. 骨的生化原理骨的生化研究骨的化学成分、代谢过程和功能。

本实验通过检测骨的钙、磷、镁等元素含量，了解骨的生化特性。

3. 骨的力学原理骨的力学研究骨的机械性能、强度和弹性。

本实验通过力学测试，了解骨的力学特性。

4. 骨的再生原理骨的再生研究骨在损伤后的修复和再生过程。

本实验通过观察骨损伤后的修复情况，探讨骨的再生原理。

三、实验方法1. 骨的形态学观察（1）取新鲜动物骨组织，制成切片。

（2）采用显微镜观察骨的横切面和纵切面，观察骨膜、骨皮质、骨松质等结构。

2. 骨的生化检测（1）取新鲜动物骨组织，提取骨组织中的钙、磷、镁等元素。

（2）采用原子吸收光谱法检测骨组织中的元素含量。

3. 骨的力学测试（1）取新鲜动物骨组织，制成标准试样。

（2）采用万能试验机测试骨的拉伸强度、压缩强度和弹性模量等力学性能。

4. 骨的再生观察（1）取新鲜动物骨组织，制成损伤模型。

（2）观察骨损伤后的修复情况，包括骨痂形成、骨愈合等。

四、实验结果与分析1. 骨的形态学观察通过观察骨的横切面和纵切面，发现骨由骨膜、骨皮质和骨松质组成。

骨膜位于骨表面，具有营养、修复和保护骨组织的作用；骨皮质位于骨的外层，具有较高的强度和硬度；骨松质位于骨的内部，具有较好的弹性。

2. 骨的生化检测骨组织中的钙、磷、镁等元素含量较高，其中钙含量最高，约为骨总重量的65%。

这些元素是骨的主要成分，对维持骨的硬度和强度具有重要意义。

3. 骨的力学测试骨的拉伸强度、压缩强度和弹性模量等力学性能均较高，表明骨具有较高的机械性能。

细胞骨架观察实验报告细胞骨架观察实验报告细胞骨架是细胞内的一种重要结构，由微丝、中间丝和微管组成。

它们在维持细胞形态、细胞运动以及细胞内物质的运输等方面起着重要的作用。

为了更好地了解细胞骨架的结构和功能，我们进行了一系列的观察实验。

实验一：细胞骨架的染色观察我们首先使用荧光染色技术对细胞骨架进行观察。

通过使用荧光标记的抗体，我们能够将细胞骨架上的蛋白质特异性地染色，从而使其在显微镜下呈现出荧光信号。

在实验中，我们选择了小鼠肺细胞作为观察对象。

将细胞固定在载玻片上后，使用抗体与荧光标记结合，然后进行显微镜观察。

结果显示，细胞骨架呈现出网状结构，覆盖在整个细胞内。

微丝呈现为细而长的纤维，中间丝则呈现为较粗的纤维，微管则呈现为管状结构。

通过荧光染色技术，我们能够清晰地观察到细胞骨架的分布和形态。

实验二：细胞骨架的动态观察为了观察细胞骨架的动态变化，我们进行了实时显微镜观察。

在实验中，我们使用了活体细胞显微镜，能够对细胞进行连续观察并记录下来。

通过观察，我们发现细胞骨架在细胞运动过程中发挥着重要作用。

例如，在细胞的伸展和收缩过程中，微丝会发生变化，从而影响细胞的形态。

此外，细胞骨架还参与了细胞内物质的运输。

微管作为细胞内物质运输的通道，能够将物质从细胞核运输到细胞的其他部位。

实验三：细胞骨架与细胞功能的关系细胞骨架不仅仅是维持细胞形态的重要结构，还与细胞的功能密切相关。

为了探究细胞骨架与细胞功能之间的关系，我们进行了一系列的功能实验。

在实验中，我们选择了细胞的迁移能力作为研究对象。

通过抑制细胞骨架的形成，我们发现细胞的迁移能力明显受到抑制。

这表明细胞骨架对细胞的迁移过程起到了重要的调控作用。

此外，我们还观察到细胞骨架与细胞分裂之间的关系。

在细胞分裂过程中，细胞骨架会发生动态重组，从而参与细胞的分裂。

通过抑制细胞骨架的形成，我们发现细胞的分裂过程受到了明显的干扰。

综上所述，细胞骨架是细胞内的一种重要结构，对细胞的形态、运动以及功能都起着重要的作用。

应力刺激对骨改建机制的研究进展杨宇轩;赵晓丹;于燕【摘要】The study of the influence of mechanical stress stimulation on bone remolding plays an important role in clinical applications.Proper mechanical stress given during treatments such as orthodontic traction,distraction os-teogenesis and fracture repair,could influence the cytoactive of osteoblasts and osteoclasts by changing their cellular metabolism and apoptosis,stimulating the hormone level and thus influencing the processes of bone remodeling.At the same time,stress stimulation can also act on bone tissue directly,fostering its own growth and remolding,so as to finally form new bones.However,the mechanism of bone remolding signal transduction under mechanical stress is still unclear.This article concludes the clinical and fundamental studies on osteocytes and bone remolding by elimi-nating or repeating similar studies,summarizes the possible mechanisms of bone remolding under mechanical stress stimulation,providing new theoretical basis for orthodontic treatments.%研究应力刺激对骨改建的影响具有重要的临床意义.在正畸牙移动、牵张成骨及骨折修复等临床治疗中,适当的刺激应力,可引起骨细胞代谢改变或凋亡,进而调节成骨细胞和破骨细胞活性,并刺激机体激素水平,从而影响骨塑型和骨改建.同时刺激应力直接作用于骨组织,可刺激骨组织自身的生长与重建,最终达到促进新骨形成的目的.目前应力刺激骨细胞的力学信号转导机制尚未明确,本文对骨细胞与骨改建临床与基础研究进行归纳,排除重复或类似的研究,综述应力刺激对骨改建的可能机制,为口腔正畸治疗提供新的理论研究依据.【期刊名称】《国外医学（医学地理分册）》【年(卷),期】2015(036)004【总页数】4页(P266-269)【关键词】骨细胞;应力刺激;成骨细胞;破骨细胞;骨改建;信号传导【作者】杨宇轩;赵晓丹;于燕【作者单位】西安交通大学医学部,陕西西安 710061;西安交通大学医学部,陕西西安 710061;西安交通大学医学部,陕西西安 710061【正文语种】中文【中图分类】R684骨细胞是由成骨细胞在骨髓间充质干细胞分化产生的主要骨成分，占细胞总数的95% 左右。

凋亡细胞线粒体膜电位的流式细胞术分析细胞的凋亡是一个复杂的过程，由多种信号通路和调控机制共同参与控制和调节。

细胞凋亡过程可以在细胞内部可见到，特别是细胞膜电位变化。

因此，通过细胞膜电位变化分析凋亡细胞是非常重要的。

研究表明，在细胞凋亡过程中，线粒体膜电位的变化是最具代表性的指标。

线粒体膜电位的变化是细胞凋亡的重要指标，但是由于耗时且复杂的实验操作，传统的细胞膜电位测定方法很难满足测量细胞凋亡的高精度需求。

因此，开发出高精度定量分析凋亡细胞线粒体膜电位的快速有效的细胞测定方法，具有重要的意义。

随着流式细胞术在生物医学研究中的广泛应用，它被用于在线监测细胞凋亡，特别是线粒体膜电位的变化，这受到了研究者的欢迎。

在流式细胞术检测凋亡细胞的线粒体膜电位变化，可以帮助研究者快速、高准确度的定量分析测定凋亡细胞的线粒体膜电位变化，以更深入地了解凋亡细胞的特性和分子机制。

流式细胞术指的是一种在一个流程中对活细胞进行定量分析的技术，其基本原理是通过使用流体力学和电磁学原理，在特定流动媒介中利用物理和化学效应引起细胞分散和微粒聚集，从而使细胞形成信号模板和聚集，最终实现细胞的定量分析。

在分析凋亡细胞线粒体膜电位变化的过程中，研究者可以采用流式细胞术分析细胞凋亡线粒体膜电位变化的程度。

流式细胞术分析凋亡细胞线粒体膜电位变化的具体过程是这样的：首先，样本中的细胞被收集到流式细胞检测仪中，然后将细胞悬浮液以规定的流量经芯片中的微管流动。

当细胞在芯片上流动时，不同类型的钠离子对细胞的线粒体膜电位产生影响，从而形成不同的悬浮液浓度和电阻模式，研究者可以通过流式细胞检测仪中的电阻模式识别凋亡细胞，定量分析凋亡细胞的线粒体膜电位变化。

在流式细胞术分析凋亡细胞线粒体膜电位变化时，可以用到更加先进技术，如利用标记技术对凋亡细胞中特定蛋白质的表达水平进行检测，从而更好地理解凋亡细胞的特性。

此外，研究者还可以利用其他细胞定量分析技术，例如荧光素酶报告技术，以及改良的激光共聚焦显微镜和细胞免疫荧光技术，进一步深入研究凋亡细胞的分子机制。

第1篇实验名称：大学生实验骨学实验实验日期：2023年X月X日实验地点：XXX大学解剖实验室实验指导教师：XXX实验学生：XXX一、实验目的1. 熟悉骨骼的解剖结构，掌握骨骼的基本形态和功能。

2. 了解骨骼生长发育的基本规律。

3. 学习骨骼疾病的基本知识，提高对骨骼健康的认识。

二、实验内容1. 骨骼的解剖结构观察2. 骨骼生长发育的基本规律探讨3. 骨骼疾病的基本知识介绍三、实验方法1. 观察骨骼标本，记录骨骼的形态和功能。

2. 通过查阅资料，了解骨骼生长发育的基本规律。

3. 学习骨骼疾病的基本知识，结合实际案例进行分析。

四、实验结果与分析1. 骨骼的解剖结构观察本次实验观察了骨骼标本，主要包括颅骨、脊柱、胸骨、肋骨、四肢骨等。

通过观察，我们了解到骨骼的基本形态和功能。

（1）颅骨：颅骨由顶骨、颞骨、额骨、筛骨、蝶骨、枕骨等组成。

颅骨具有保护大脑、支持面部器官等功能。

（2）脊柱：脊柱由颈椎、胸椎、腰椎、骶椎、尾椎组成。

脊柱具有支持身体、保护脊髓、参与呼吸等功能。

（3）胸骨：胸骨位于胸腔前部，与肋骨相连。

胸骨具有保护心脏、肺部等功能。

（4）肋骨：肋骨与胸骨相连，形成胸廓。

肋骨具有保护内脏器官、参与呼吸等功能。

（5）四肢骨：四肢骨包括上肢骨和下肢骨。

上肢骨包括肱骨、桡骨、尺骨、腕骨、掌骨、指骨等；下肢骨包括股骨、胫骨、腓骨、跖骨、跗骨、趾骨等。

四肢骨具有支持身体、运动等功能。

2. 骨骼生长发育的基本规律探讨骨骼生长发育是一个复杂的过程，受遗传、营养、激素等多种因素的影响。

以下是一些基本规律：（1）骨骼生长发育具有阶段性：从胚胎发育到成年，骨骼生长发育可分为胚胎期、婴儿期、儿童期、青春期、成年期等阶段。

（2）骨骼生长发育具有顺序性：骨骼生长发育具有从头到脚、从中心到周围、从粗到细的顺序性。

（3）骨骼生长发育具有不对称性：骨骼生长发育在不同部位、不同性别之间存在差异。

3. 骨骼疾病的基本知识介绍骨骼疾病种类繁多，以下介绍几种常见疾病：（1）骨折：骨折是指骨骼的连续性或完整性中断。

生物体中电荷传递的动力学研究电荷传递是生物体内不可或缺的过程，它涉及到细胞内的电活性、离子通道的开闭以及神经传导的正常功能。

因此，对生物体中电荷传递的动力学进行深入研究对于揭示生命的奥秘具有重要意义。

在生物体中，电荷传递主要基于离子通道的开闭。

细胞膜上的离子通道是电活性的关键组成部分，能够使离子从细胞内向外或从外向内传递，进而引发电流的传导。

这种电流的传导速率受到离子通道的导通时间以及离子浓度梯度等因素的影响。

因此，通过研究离子通道开闭的动力学过程，我们可以深入了解电荷传递的机制。

研究表明，离子通道的开闭过程受到多种因素的调控。

一方面，离子通道的开闭受到细胞内外的电位差的影响。

当细胞膜内外的电位差达到一定程度时，离子通道会发生开闭，从而引发电信号的传导。

另一方面，细胞内分子的结构与功能也对离子通道的开闭产生重要影响。

例如，细胞内蛋白质的结构变化、离子通道的磷酸化等因素都可以改变离子通道的开闭状态。

因此，通过研究这些因素的相互作用，我们可以更好地理解电荷传递的动力学过程。

最近的研究还发现，离子通道的开闭过程可能与细胞代谢有关。

研究人员发现，细胞内的代谢产物可以与离子通道结合，从而影响其开闭状态。

例如，酸碱平衡与离子通道的开闭密切相关，当细胞内酸碱平衡发生变化时，会改变离子通道的开闭速度。

此外，氧气浓度和温度等环境因素也可以调控离子通道的动力学过程。

这些研究为探索生物体中电荷传递的动力学提供了新的思路。

除了理论研究，生物体中电荷传递的动力学还可以应用于医学领域。

例如，在神经科学领域，对电荷传递的动力学研究可以帮助我们更好地了解神经元的功能和疾病的发生机制。

通过研究离子通道的开闭过程，我们可以揭示神经元之间的信息传递方式，进而开发新的神经调控方法和治疗手段。

同时，电荷传递的动力学研究也在药物开发领域具有潜力。

通过了解离子通道的调控机制，我们可以筛选出与其相互作用的相应药物，从而开发出更具针对性的治疗药物。