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尔迪盘点|布鲁克生物材料与医疗器械表征方案

发布时间:2022-10-25浏览:246次

盘点布鲁克原子力显微镜纳米压痕技术白光干涉技术、摩擦磨损机械性能测试机、纳米红外显微技术,针对生物材料与医疗器械领域的部分表征方案。

 


原子力显微镜用于生物医用材料的研究

 

布鲁克原子力显微镜在生物医用材料领域用途广泛,可以表征包括生物材料、医疗器械、生物分子、细胞、组织等在内的多种类型样品。除了常规的表征材料微观形貌以外,还能表征材料力学性能、细胞-材料-生物分子相互作用等。结合高速成像技术,还能获得这些参数的动态变化。

 

生物组织存在跨尺度的多种分级结构,生物材料的设计也引入各种微观结构。这些微观结构与其生物效应密切相关。

 



 
上左图显示了多肽自组装过程中的形貌变化,右图显示了具有调节细胞融合过程的金属玻璃纳米微柱。可见在生理条件下高分辨成像,能观察到生物材料的动态行为。



 
细胞与细胞外基质的力学性能与其生物学功能密切相关。上图所示,肿瘤细胞显示了更高的弹性(杨氏模量)和更宽的力学性能分布。
 
细胞-材料-生物分子三者存在复杂的相互作用,原子力显微镜能表征它们的相互作用。细胞和生物材料相互作用力直接测量,以及分子尺度的相互作用。这些相互作用对理解细胞的增殖、分化、迁移等过程,进而理解各种生理、病理过程具有指导意义。
 

纳米压痕原位测量微区力学性能

 

布鲁克纳米压痕的XPM(快速多点物性成像)功能通过高通量压痕测试,在微区实现高速点阵式精准定位测量,实现硬度、模量等力学性能成像。

 

关节软骨是一种特殊的结缔组织,用于在活动关节内分配接触负荷。它是一种双相材料,表现出各 向异性和非线性弹性行为。固相由胶原蛋白和糖蛋白的细胞外基质(ECM)内的分散蛋白聚糖组成。该 结构包含四个基于胶原原纤维网络排列的区域。



如图所示,深区(Deep Zone)最靠近骨骼,进一步 向外移动,分别为中间区(Middle Zone),浅表切向区 (STZ)和关节表面(Articular surface)。这四个区域 的机械性能各不相同,这意味着需要高空间分辨率 来表征局部组织的特性。

 

布鲁克的Hysitron® BioSoft™原位压痕技术,可精确测量组织不同区域的局部特性。横截面表面的 压痕能得到在软骨区域不同深度位置的力学性能梯度。观察到模量从深区到STZ逐渐减少。



 

这符合常理,因为与模量成反比的流体含量在STZ附近增加。其模量接近在关节表面上测量的大小,但以较关节表面略高的值稳定分布。这种各向异性可能来自平行于关节表面的胶原 原纤维的优先排列。在深区观察到的离散增大,可能与压痕处材料结构差异增大相关。

 

白光干涉仪定量评价表面质量

 

3D光学轮廓测量技术通过对一定面积表面的测量再现其复杂纹理形貌。通过大视场和使用新的ISO粗糙度参数,3D光学轮廓仪技术能够对表面质量 进行评价并解释其失效原因。
白光干涉仪对人工关节表面质量的测量结果


人工膝关节面形及缺陷检测 


通过测量人工膝关节三维形貌,可得到其表面面形。去除马鞍形面形后计算其面粗糙度, 并可利用软件自动对聚乙烯融合缺陷“White Spot"进行检测,定位并得出各缺陷的形状、尺寸和深度信息,给出统计表。



关节球磨损评定 
白光干涉精准定量其磨损体积,仅1mgPEEK材料被磨损(根据其密度7.5X108mg/µm3计算)。若以称重法定量评估磨损量,对于PEEK类轻质材料而言,将很难保证精度。
 
 

布鲁克的纳米红外系统(Anasys nanoIR)采用

 

光热诱导共振技术实现纳米微区的红外信号采集。利用原子力探针作为样品红外吸收的传感器,获得超高灵敏度的红外光谱和红外成像,化学成像空间分辨能力可以达到10nm。用于生物医学样本的微观化学结构表征,为理解生物组织纳米尺度结构与生物功能及物理特性之间的相互关联、药物-细胞/组织的相互作用、疾病的早期诊断和治疗提供新启示和新思路。

 

巨噬细胞是免疫系统的主要效应细胞,在一些自身免疫性疾病、慢性炎症性疾病及肿瘤疾病中,巨噬细胞的极化已成为药物新靶点,M1/M2亚型巨噬细胞的相互转化及其比例对疾病的愈合及转归具有关键作用。利用纳米红外系统可以原位表征IL-13和LPS诱导剂对巨噬细胞的影响,在纳米尺度上阐明M1/M2型巨噬细胞内部细胞因子和分泌蛋白的差异。



上图给出了M1,M2巨噬细胞的形貌和不同结构的化学分布成像,其中(b)(g)1550cm-1酰胺
II,(c)(h)1652cm-1α片,(d)(i)1687cm-1反平行β片,(e)(j)1710cm-1侧链,(k)(l)M1,M2伸长部分的高分辨化学成像。



对头发、牙齿直接进行纳米区域化学结构研究

对于生物组织,如:骨骼、牙齿、头发、皮肤等,纳米红外也可以提供直接的纳米区域化学结构研究。

 

摩擦磨损试验定量评价生物材料摩擦磨损性能

 

布鲁克的摩擦磨损试验机通过模块化设计,可以灵活地模拟实际工况,精确控制运动模式、运动 速度、压力、温度等参数,在体外获得生物材料和生物组织的摩擦磨损特性,从而预测并指导生物材料的设计等。钛合金作为常用的生物材料基体,通常需要对表面进行物理和化学改性,从而提高生物相容性。而改性后的表面层的摩擦磨损特性直接影响后续产品的性能和寿命等。



上图是钛合金基底及三种不同表面改性涂层(氨丙基三乙氧基硅烷,氧化石墨烯复合氨丙基三乙氧基硅烷,和还原氧化石墨烯复合氨丙基三乙氧基硅烷)的摩擦磨损特性。

 

可见改性表面显著降低表面的摩擦系数,多重复合表面均有较低的摩擦系数。从测试时间上也能看出,多重复合表面的涂层耐磨时间比单纯氨丙基三乙氧基硅烷改性的表面要长得多。结果显示这种复合改性策略具有优异的应用前景。


在布鲁克UMT平台上进行的各种测试


 
上海尔迪仪器科技有限公司代理bruker纳米表面部门产品,如有需要可联系我司。
 



 

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