Extracellular matrix (ECM) proteins provide anchorage and structural strength to cells and tissues in the body and, thus, are fundamental molecular components for processes of cell proliferation, growth, and function. Atomic force microscopy (AFM) has increasingly become a valuable approach for studying biological molecules such as ECM proteins at the level of individual molecules. Operational modes of AFM can be used to acquire the measurements of the physical, electronic, and mechanical properties of samples, as well as for viewing the intricate details of the surface chemistry of samples. Investigations of the morphology and properties of biomolecules at the nanoscale can be useful for understanding the interactions between ECM proteins and biological molecules such as cells, DNA, and other proteins. Methods for preparing protein samples for AFM studies require only basic steps, such as the immersion of a substrate in a dilute solution or protein, or the deposition of liquid droplets of protein suspensions on a flat, clean surface. Protocols of nanolithography have been used to define the arrangement of proteins for AFM studies. Using AFM, mechanical and force measurements with tips that are coated with ECM proteins can be captured in ambient or aqueous environments. In this review, representative examples of AFM studies are described for molecular-level investigations of the structure, surface assembly, protein-cell interactions, and mechanical properties of ECM proteins (collagen, elastin, fibronectin, and laminin). Methods used for sample preparation as well as characterization with modes of AFM will be discussed.

1.
R. B.
Diller
and
A. J.
Tabor
,
Biomimetics
7
, 87 (
2022
).
2.
Y. F.
Dufrêne
,
T.
Ando
,
R.
Garcia
,
D.
Alsteens
,
D.
Martinez-Martin
,
A.
Engel
,
C.
Gerber
, and
D. J.
Müller
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
295
(
2017
).
3.
D. P.
Allison
,
N. P.
Mortensen
,
C. J.
Sullivan
, and
M. J.
Doktycz
,
WIREs Nanomed. Nanobiotechnol.
2
,
618
(
2010
).
4.
D. L.
Kusindarta
and
H.
Wihadmadyatami
,
Tissue Regeneration
(Intech Open,
2018
) Chap. 5, p. 65.
6.
C.
Frantz
,
K. M.
Stewart
, and
V. M.
Weaver
,
J. Cell Sci.
123
,
4195
(
2010
).
7.
C.
Bonnans
,
J.
Chou
, and
Z.
Werb
,
Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
15
,
786
(
2014
).
8.
S.
Özbek
,
P. G.
Balasubramanian
,
R.
Chiquet-Ehrismann
,
R. P.
Tucker
, and
J. C.
Adams
,
Mol. Biol. Cell
21
,
4300
(
2010
).
9.
S.
Ricard-Blum
,
Cold Spring Harbor Perspect. Biol.
3
,
a004978
(
2011
).
10.
S.
Ricard-Blum
and
F.
Ruggiero
,
Pathol. Biol.
53
,
430
(
2005
).
11.
D. J.
Prockop
,
Encyclopedia of Biological Chemistry
(Elsevier, Academic, Cambridge, MA,
2013
), pp.
545
549
.
12.
M. K.
Gordon
and
R. A.
Hahn
,
Cell Tissue Res.
339
,
247
(
2010
).
13.
A.
Sorushanova
et al,
Adv. Mater.
31
,
e1801651
(
2019
).
14.
E. A. G.
Chernoff
and
D. A.
Chernoff
,
J. Vac. Sci. Technol. A
10
,
596
(
1992
).
15.
A.
Stylianou
,
J. Nanomater.
2017
,
1
(
2017
).
16.
R. W.
Loo
,
J. B.
Goh
,
C. C.
Cheng
,
N.
Su
, and
M. C.
Goh
,
J. Vis Exp.
67
,
e4417
(
2012
).
17.
J. M.
Rhodes
and
M.
Simons
,
J. Cell. Mol. Med.
11
,
176
(
2007
).
19.
G.
Yang
,
K. A.
Woodhouse
, and
C. M.
Yip
,
J. Am. Chem. Soc.
124
,
10648
(
2002
).
20.
L.
Willems
,
S.
Roberts
,
I.
Weitzhandler
,
A.
Chilkoti
,
E.
Mastrobattista
,
J.
van der Oost
, and
R.
de Vries
,
ACS Omega
4
,
9135
(
2019
).
21.
L. M.
Maurer
,
W.
Ma
, and
D. F.
Mosher
,
Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol.
51
,
213
(
2016
).
22.
R.
Pankov
and
K. M.
Yamada
,
J. Cell Sci.
115
,
3861
(
2002
).
23.
V.
Vogel
, “
Fibronectin in a surface-adsorbed state
,”
Proteins at Interfaces II
(American Chemical Society, Washington DC,
1995
), pp.
505
518
.
24.
E.
Ngandu Mpoyi
,
M.
Cantini
,
P. M.
Reynolds
,
N.
Gadegaard
,
M. J.
Dalby
, and
M.
Salmerón-Sánchez
,
ACS Nano
10
,
6638
(
2016
).
25.
M.
Pereira
,
B. J.
Rybarczyk
,
T. M.
Odrljin
,
D. C.
Hocking
,
J.
Sottile
, and
P. J.
Simpson-Haidaris
,
J. Cell Sci.
115
,
609
(
2002
).
26.
K. J.
Hamill
,
K.
Kligys
,
S. B.
Hopkinson
, and
J. C.
Jones
,
J. Cell Sci.
122
,
4409
(
2009
).
29.
L. Y.
Chiang
,
K.
Poole
,
B. E.
Oliveira
,
N.
Duarte
,
Y. A. B.
Sierra
,
L.
Bruckner-Tuderman
,
M.
Koch
,
J.
Hu
, and
G. R.
Lewin
,
Nat. Neurosci.
14
,
993
(
2011
).
30.
J. M.
Szymanski
,
M.
Ba
, and
A. W.
Feinberg
,
J. Mater. Chem. B
3
,
7993
(
2015
).
31.
J. D.
Andrade
and
V.
Hlady
,
Protein Adsorption and Materials Biocompatibility: A Tutorial Review and Suggested Hypotheses
(
Springer
,
Berlin
,
1986
).
32.
H.
Lin
,
R.
Lal
, and
D. O.
Clegg
,
Biochemistry
39
,
3192
(
2000
).
33.
D. E.
MacDonald
,
B.
Markovic
,
M.
Allen
,
P.
Somasundaran
, and
A. L.
Boskey
,
J. Biomed. Mater. Res.
41
,
120
(
1998
).
34.
H.
Juvonen
,
A.
Määttanen
,
P.
Ihalainen
,
T.
Viitala
,
J.
Sarfraz
, and
J.
Peltonen
,
Colloids Surf., B
118
,
261
(
2014
).
35.
J. R.
Hull
,
G. S.
Tamura
, and
D. G.
Castner
,
Biophys. J.
93
,
2852
(
2007
).
36.
D. J.
Taatjes
,
A. S.
Quinn
, and
E. G.
Bovill
,
Microsc. Res. Tech.
44
,
347
(
1999
).
37.
Z.
Chang
,
P.
Paoletti
,
S. D.
Barrett
,
Y. H.
Chim
,
E.
Caamano-Gutiérrez
,
M. L.
Hansen
,
H. C.
Beck
,
L. M.
Rasmussen
, and
R.
Akhtar
,
Acta Biomater.
73
,
437
(
2018
).
38.
D.
Convertino
,
S.
Luin
,
L.
Marchetti
, and
C.
Coletti
,
Front. Neurosci.
12
,
1
(
2018
).
39.
C.
Hochman-Mendez
,
M.
Cantini
,
D.
Moratal
,
M.
Salmeron-Sanchez
, and
T.
Coelho-Sampaio
,
PLoS One
9
,
e109388
(
2014
).
40.
T.
Kim
,
Y. H.
Kahng
,
T.
Lee
,
K.
Lee
, and
D. H.
Kim
,
Mol. Cells
36
,
577
(
2013
).
41.
M.
Dai
,
G.
Goudounet
,
H.
Zhao
,
B.
Garbay
,
E.
Garanger
,
G.
Pecastaings
,
X.
Schultze
, and
S.
Lecommandoux
,
Macromolecules
54
,
327
(
2021
).
42.
R.
Flamia
,
A. M.
Salvi
,
L.
D'Alessio
,
J. E.
Castle
, and
A. M.
Tamburro
,
Biomacromolecules
8
,
128
(
2007
).
43.
B.
Bochicchio
,
A.
Pepe
,
R.
Flamia
,
M.
Lorusso
, and
A. M.
Tamburro
,
Biomacromolecules
8
,
3478
(
2007
).
44.
J.
Chang
,
X. F.
Peng
,
K.
Hijji
,
J.
Cappello
,
H.
Ghandehari
,
S. D.
Solares
, and
J.
Seog
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
1745
(
2011
).
45.
S. R.
Sousa
,
M. M.
Brás
,
P.
Moradas-Ferreira
, and
M. A.
Barbosa
,
Langmuir
23
,
7046
(
2007
).
46.
C. H.
Chen
,
D. O.
Clegg
, and
H. G.
Hansma
,
Biochemistry
37
,
8262
(
1998
).
47.
J. W.
Cheung
and
G. C.
Walker
,
Langmuir
24
,
13842
(
2008
).
48.
D. H. T.
Le
,
R.
Hanamura
,
D. H.
Pham
,
M.
Kato
,
D. A.
Tirrell
,
T.
Okubo
, and
A.
Sugawara-Narutaki
,
Biomacromolecules
14
,
1028
(
2013
).
49.
A.
Sugawara-Narutaki
,
S.
Yasunaga
,
Y.
Sugioka
,
D. H. T.
Le
,
I.
Kitamura
,
J.
Nakamura
, and
C.
Ohtsuki
,
Int. J. Mol. Sci.
20
, 6262 (
2019
).
50.
K.
Sambani
,
S. V.
Kontomaris
, and
D.
Yova
,
Materials
16
, 4313 (
2023
).
51.
A.
Stylianou
,
S. B.
Kontomaris
,
M.
Kyriazi
, and
D.
Yova
,
Proceedings of the International Federation for Medical and Biological Engineering (IFMBE)
(Springer, Berlin Heidelberg,
2010
).
52.
M.
Dong
,
S.
Xu
,
M. H.
Bünger
,
H.
Birkedal
, and
F.
Besenbacher
,
Adv. Eng. Mater.
9
,
1129
(
2007
).
53.
M. D.
Heath
,
B.
Henderson
, and
S.
Perkin
,
Langmuir
26
,
5304
(
2010
).
54.
M.
Beauvais
et al,
Adv. Mater. Interfaces
6
, 1900195 (
2019
).
55.
M.
Bergkvist
,
J.
Carlsson
, and
S.
Oscarsson
,
J. Biomed. Mater. Res., Part A
64A
,
349
(
2003
).
56.
Y. F.
Dufrêne
,
T. G.
Marchal
, and
P. G.
Rouxhet
,
Langmuir
15
,
2871
(
1999
).
57.
L.
Akter
,
H.
Flechsig
,
A.
Marchesi
, and
C. M.
Franz
,
Int. J. Mol. Sci.
25
,
1951
(
2024
).
58.
T.
Watanabe-Nakayama
,
M.
Itami
,
N.
Kodera
,
T.
Ando
, and
H.
Konno
,
Sci. Rep.
6
,
28975
(
2016
).
59.
B.
Dai
,
S. G.
Kang
,
T.
Huynh
,
H.
Lei
,
M.
Castelli
,
J.
Hu
,
Y.
Zhang
, and
R.
Zhou
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
110
,
8543
(
2013
).
60.
G.
Yang
,
M. K.
Wong
,
L. E.
Lin
, and
C. M.
Yip
,
Nanotechnology
22
,
494018
(
2011
).
61.
W.
Liang
,
H.
Shi
,
X.
Yang
,
J.
Wang
,
W.
Yang
,
H.
Zhang
, and
L.
Liu
,
Soft Matter
16
,
8962
(
2020
).
62.
S.
Lee
,
Y.
Yang
,
D.
Fishman
,
M. M.
Banaszak Holl
, and
S.
Hong
,
J. Phys. Chem. B
117
,
9233
(
2013
).
63.
J. R.
Hull
,
G. S.
Tamura
, and
D. G.
Castner
,
Acta Biomater.
4
,
504
(
2008
).
64.
A.
Gelmi
,
M. J.
Higgins
, and
G. G.
Wallace
,
Small
9
,
393
(
2013
).
65.
Z.
Li
,
T.
Liu
,
J.
Yang
,
J.
Lin
, and
S. X.
Xin
,
J. Mol. Recognit.
33
,
e2823
(
2020
).
66.
M.
Asgari
,
N.
Latifi
,
H. K.
Heris
,
H.
Vali
, and
L.
Mongeau
,
Sci. Rep.
7
,
1392
(
2017
).
67.
A.
Gelmi
,
M. J.
Higgins
, and
G. G.
Wallace
,
Biochim. Biophys. Acta
1830
,
4305
(
2013
).
68.
Z.
Sun
,
L. A.
Martinez-Lemus
,
A.
Trache
,
J. P.
Trzeciakowski
,
G. E.
Davis
,
U.
Pohl
, and
G. A.
Meininger
,
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol.
289
,
H2526
(
2005
).
69.
C. H.
Chen
,
M. L.
Yeh
,
M.
Geyer
,
G. J.
Wang
,
M. H.
Huang
,
M. H.
Heggeness
,
M.
Höök
, and
Z. P.
Luo
,
Biochem. Biophys. Res. Commun.
339
,
204
(
2006
).
70.
R.
Harjumäki
,
X.
Zhang
,
R. W. N.
Nugroho
,
M.
Farooq
,
Y.-R.
Lou
,
M.
Yliperttula
,
J. J.
Valle-Delgado
, and
M.
Österberg
,
ACS Appl. Bio Mater.
3
,
1406
(
2020
).
71.
J.
Iturri
,
A.
Weber
,
M. D.
Vivanco
, and
J. L.
Toca-Herrera
,
Cells
9
, 935 (
2020
).
72.
M.
Yu
,
N.
Strohmeyer
,
J.
Wang
,
D. J.
Müller
, and
J.
Helenius
,
Beilstein J. Nanotechnol.
6
,
157
(
2015
).
73.
P.
Dutov
,
O.
Antipova
,
S.
Varma
,
J. P. O.
Orgel
, and
J. D.
Schieber
,
PLoS One
11
,
e0145711
(
2016
).
74.
A.
Bracalello
,
V.
Santopietro
,
M.
Vassalli
,
G.
Marletta
,
R.
Del Gaudio
,
B.
Bochicchio
, and
A.
Pepe
,
Biomacromolecules
12
,
2957
(
2011
).
75.
V. G.
Gisbert
,
S.
Benaglia
,
M. R.
Uhlig
,
R.
Proksch
, and
R.
Garcia
,
ACS Nano
15
,
1850
(
2021
).
77.
M.
Minary-Jolandan
and
M. F.
Yu
,
Nanotechnology
20
,
085706
(
2009
).
78.
D.
Denning
,
J. I.
Kilpatrick
,
T.
Hsu
,
S.
Habelitz
,
A.
Fertala
, and
B. J.
Rodriguez
,
J. Appl. Phys.
116
, 066818 (
2014
).
79.
B. J.
Rodriguez
,
S.
Jesse
,
A. P.
Baddorf
, and
S. V.
Kalinin
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
237602
(
2006
).
80.
A.
Bazaid
,
S. M.
Neumayer
,
A.
Sorushanova
,
J.
Guyonnet
,
D.
Zeugolis
, and
B. J.
Rodriguez
,
Biomed. Phys. Eng. Express
3
,
055004
(
2017
).
81.
A.
Bazaid
,
F.
Zhang
,
Q.
Zhang
,
S.
Neumayer
,
D.
Denning
,
S.
Habelitz
,
A.
Marina Ferreira
, and
B. J.
Rodriguez
,
Materials
16
, 6034 (
2023
).
82.
J.
Kwon
and
H.
Cho
,
ACS Biomater. Sci. Eng.
6
,
6680
(
2020
).
83.
K.
Wadu-Mesthrige
,
N. A.
Amro
,
J. C.
Garno
,
S.
Xu
, and
G.-y.
Liu
,
Biophys. J.
80
,
1891
(
2001
).
84.
D.
Liu
,
C. A.
Che Abdullah
,
R. P.
Sear
, and
J. L.
Keddie
,
Soft Matter
6
,
5408
(
2010
).
85.
C.
González-García
,
S. R.
Sousa
,
D.
Moratal
,
P.
Rico
, and
M.
Salmerón-Sánchez
,
Colloids Surf., B
77
,
181
(
2010
).
86.
J.
Shaik
and
D. K.
Mills
,
J. Biomed. Mater. Res. Part B
100B
,
1411
(
2012
).
87.
D. L.
Wilson
,
R.
Martin
,
S.
Hong
,
M.
Cronin-Golomb
,
C. A.
Mirkin
, and
D. L.
Kaplan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
98
,
13660
(
2001
).
88.
M. S.
Niepel
,
B.
Fuhrmann
,
H. S.
Leipner
, and
T.
Groth
,
Langmuir
29
,
13278
(
2013
).
89.
J. H.
Slater
and
W.
Frey
,
J. Biomed. Mater. Res., Part A
87A
,
176
(
2008
).
90.
L. E.
Englade-Franklin
,
C. K.
Saner
, and
J. C.
Garno
,
Interface Focus
3
,
20120102
(
2013
).
91.
A.
Paul
,
M.
Stührenberg
,
S.
Chen
,
D.
Rhee
,
W. K.
Lee
,
T. W.
Odom
,
S. C.
Heilshorn
, and
A.
Enejder
,
Soft Matter
13
,
5665
(
2017
).
92.
M.
Lindner
,
A.
Tresztenyak
,
G.
Fülöp
,
W.
Jahr
,
A.
Prinz
,
I.
Prinz
,
J. G.
Danzl
,
G. J.
Schütz
, and
E.
Sevcsik
,
Front. Chem.
6
,
655
(
2019
).
93.
E. M.
Zuyderhoff
and
C. C.
Dupont-Gillain
,
Langmuir
28
,
2007
(
2012
).
94.
Q.
Liu
,
S.
Zheng
,
K.
Ye
,
J.
He
,
Y.
Shen
,
S.
Cui
,
J.
Huang
,
Y.
Gu
, and
J.
Ding
,
Biomaterials
263
,
120327
(
2020
).
95.
G.
Chauhan
et al,
Adv. Mater. Interfaces
7
, 1 (
2020
).
96.
C. C.
Dupont-Gillain
and
I.
Jacquemart
,
Surf. Sci.
539
,
145
(
2003
).
97.
H.
Mnatsakanyan
,
P.
Rico
,
E.
Grigoriou
,
A. M.
Candelas
,
A.
Rodrigo-Navarro
,
M.
Salmeron-Sanchez
, and
R.
Sabater i Serra
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
18125
(
2015
).
98.
V.
Llopis-Hernández
,
M.
Cantini
,
C.
González-García
,
Z. A.
Cheng
,
J.
Yang
,
P. M.
Tsimbouri
,
A. J.
García
,
M. J.
Dalby
, and
M.
Salmerón-Sánchez
,
Sci. Adv.
2
,
e1600188
(
2016
).
99.
J. C.
Rodriguez Hernández
,
M.
Salmerón Sánchez
,
J. M.
Soria
,
J. L.
Gómez Ribelles
, and
M.
Monleón Pradas
,
Biophys. J.
93
,
202
(
2007
).
100.
D. H.
Cho
,
T.
Xie
,
J.
Truong
,
A. C.
Stoner
, and
J.-i.
Hahm
,
Nano Res.
13
,
1295
(
2020
).
101.
M.
Park
,
C.
Harrison
,
P. M.
Chaikin
,
R. A.
Register
, and
D. H.
Adamson
,
Science
276
,
1401
(
1997
).
102.
B. D.
Ratner
and
A. S.
Hoffman
, “
Physicochemical surface modification of materials used in medicine
,”
Biomaterials Science
(Elsevier,
2013
), Chap. 1.2.12, pp.
259
276
.
103.
J. C.
Love
,
L. A.
Estroff
,
J. K.
Kriebel
,
R. G.
Nuzzo
, and
G. M.
Whitesides
,
Chem. Rev.
105
,
1103
(
2005
).
105.
N. M.
Coelho
,
C.
González-García
,
M.
Salmerón-Sánchez
, and
G.
Altankov
,
Biotechnol. Bioeng.
108
,
3009
(
2011
).
106.
R. D.
Piner
,
J.
Zhu
,
F.
Xu
,
S.
Hong
, and
C. A.
Mirkin
,
Science
283
,
661
(
1999
).
107.
G.
Agarwal
,
L. A.
Sowards
,
R. R.
Naik
, and
M. O.
Stone
,
J. Am. Chem. Soc.
125
,
580
(
2003
).
109.
R.
Sistiabudi
and
A.
Ivanisevic
,
J. Phys. Chem. C
111
,
11676
(
2007
).
110.
M. A.
Kramer
,
H. C.
Park
, and
A.
Ivanisevic
,
Scanning
32
,
30
(
2010
).
111.
M. A.
Kramer
,
H.
Jaganathan
, and
A.
Ivanisevic
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
4532
(
2010
).
112.
J. N.
Ngunjiri
,
S. L.
Daniels
,
J. R.
Li
,
W. K.
Serem
, and
J. C.
Garno
,
Nanomedicine
3
,
529
(
2008
).
113.
C. K.
Saner
,
L.
Lu
,
D.
Zhang
, and
J. C.
Garno
,
Nanotechnol. Rev.
4
,
129
(
2015
).
114.
F. A.
Denis
,
P.
Hanarp
,
D. S.
Sutherland
,
J.
Gold
,
C.
Mustin
,
P. G.
Rouxhet
, and
Y. F.
Dufrêne
,
Langmuir
18
,
819
(
2002
).
115.
H.
Agheli
,
J.
Malmström
,
E. M.
Larsson
,
M.
Textor
, and
D. S.
Sutherland
,
Nano Lett.
6
,
1165
(
2006
).
116.
P.
Hanarp
,
M.
Käll
, and
D. S.
Sutherland
,
J. Phys. Chem. B
107
,
5768
(
2003
).
117.
S.
Choi
,
Y.
Hong
,
I.
Lee
,
D.
Huh
,
T. J.
Jeon
, and
S. M.
Kim
,
Cells Tissues Organs
198
,
349
(
2014
).
118.
D. J.
Romberger
,
Int. J. Biochem. Cell Biol.
29
,
939
(
1997
).
119.
C. W.
Kuo
,
F. C.
Chien
,
J. Y.
Shiu
,
S. M.
Tsai
,
D. Y.
Chueh
,
Y. S.
Hsiao
,
Z. H.
Yang
, and
P.
Chen
,
Nanotechnology
22
,
265302
(
2011
).
You do not currently have access to this content.