Mapping of Mechanical Properties of Cells and Tissues by Atomic Force Microscopy

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-05-23

Department

Major/Subject

Biotuotteet

Mcode

CHEM3048

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

25

Series

Abstract

Atomic Force Microscopy (AFM) is a high-resolution microscopy technique that enables both topographical imaging and the analysis of mechanical properties of materials at the micro- and nanoscale. Over the past decades, this technique has gained increasing significance in biomedical research, particularly in tissue engineering, where understanding the mechanical response of cells and tissues to their environment is central to the development of functional biomaterials. The purpose of this thesis is to investigate through a literature review how AFM is utilised to map the mechanical properties of biological samples, such as cells and tissues, and to highlight its role in the development of biomaterials for tissue engineering. AFM allows measurements under physiological conditions without extensive sample preparation, making the technique particularly suitable for biological samples. By bringing a cantilever with a sharp tip into contact with the surface of a sample and measuring the force applied during deformation, a force curve can be obtained. This force curve, which is fitted to an appropriate contact mechanics model, enables the evaluation of various mechanical properties, such as elastic modulus, stiffness, viscoelasticity, and adhesion. This thesis primarily focuses on the elastic modulus as a measure of the stiffness of cell and tissue samples. Additionally, a list of elastic moduli of different tissues has been compiled as a part of the thesis. The literature review shows that the technique is a reliable method for studying how cells and tissues respond to mechanical stimuli. Although there are still some limitations in translating these research findings into practical, clinically applicable solutions in tissue engineering, AFM provides valuable information on the behaviour of cells and tissues under physiological conditions. These insights nonetheless hold important potential to contribute to the development of biomaterials that mimic native tissues, which could lead to significant advances in regenerative medicine.

Atomkraftsmikroskopi (eng. Atomic force microscopy, AFM) är en högupplöst mikroskopiteknik som möjliggör både topografisk avbildning och analys av mekaniska egenskaper hos material i mikro- och nanoskala. Under de senaste årtiondena har tekniken fått större betydelse inom biomedicinsk forskning, särskilt inom vävnadsteknik, där förståelsen för cellers och vävnaders mekaniska respons på omgivningen är central för utvecklingen av funktionella biomaterial. Syftet med detta arbete är att genom en litteraturstudie undersöka hur atomkraftsmikroskopi används för att kartlägga de mekaniska egenskaperna hos biologiska prov, såsom celler och vävnader, samt att belysa teknikens roll i utvecklingen av biomaterial inom vävnadsteknik. Atomkraftsmikroskopi möjliggör mätningar i fysiologiska omständigheter utan omfattande provberedning, vilket gör tekniken särskilt lämplig för biologiska prov. Genom att föra en sond bestående av en vass spets i kontakt med provytan och mäta den kraft som används vid deformationen kan en kraftkurva erhållas. Denna kraftkurva, som anpassas till en lämplig mekanisk datamodell, gör det möjligt att kvantifiera olika mekaniska egenskaper, såsom elasticitetsmodul, styvhet, viskoelasticitet och adhesion. I arbetet ligger fokus främst på elasticitetsmodulen som ett mått på styvheten hos cell- och vävnadsprov. En lista över elasticitetsmoduler för olika vävnader har även sammanställts som en del av arbetet. Litteraturstudien visar att tekniken är en tillförlitlig metod för att studera cellers och vävnaders respons på mekaniska stimuli. Även om det fortfarande föreligger vissa begränsningar när det gäller att översätta dessa forskningsresultat till praktiska, kliniskt tillämpbara lösningar inom vävnadsteknik, tillhandahåller tekniken värdefull information om cellers och vävnaders beteende under fysiologiska förhållanden. Dessa insikter har ändå potential att bidra till utvecklingen av biomaterial som efterliknar kroppens vävnader, vilket kan innebära stora framsteg inom regenerativ medicin.

Description

Supervisor

Hiltunen, Eero

Thesis advisor

Valle-Delgado, Juan José

Keywords

atomic force microscopy, mechanical properties, force measurements, elastic modulus, cells, tissue engineering

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104384

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM