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          爾迪盤點|布魯克生物材料與醫療器械表征方案

          發布時間:2022-10-25瀏覽:275次

          盤點布魯克原子力顯微鏡、納米壓痕技術、白光干涉技術、摩擦磨損機械性能測試機、納米紅外顯微技術,針對生物材料與醫療器械領域的部分表征方案。

           


          原子力顯微鏡用于生物醫用材料的研究

           

          布魯克原子力顯微鏡在生物醫用材料領域用途廣泛,可以表征包括生物材料、醫療器械、生物分子、細胞、組織等在內的多種類型樣品。除了常規的表征材料微觀形貌以外,還能表征材料力學性能、細胞-材料-生物分子相互作用等。結合高速成像技術,還能獲得這些參數的動態變化。

           

          生物組織存在跨尺度的多種分級結構,生物材料的設計也引入各種微觀結構。這些微觀結構與其生物效應密切相關。

           



           
          上左圖顯示了多肽自組裝過程中的形貌變化,右圖顯示了具有調節細胞融合過程的金屬玻璃納米微柱??梢娫谏項l件下高分辨成像,能觀察到生物材料的動態行為。



           
          細胞與細胞外基質的力學性能與其生物學功能密切相關。上圖所示,腫瘤細胞顯示了更高的彈性(楊氏模量)和更寬的力學性能分布。
           
          細胞-材料-生物分子三者存在復雜的相互作用,原子力顯微鏡能表征它們的相互作用。細胞和生物材料相互作用力直接測量,以及分子尺度的相互作用。這些相互作用對理解細胞的增殖、分化、遷移等過程,進而理解各種生理、病理過程具有指導意義。
           

          納米壓痕原位測量微區力學性能

           

          布魯克納米壓痕的XPM(快速多點物性成像)功能通過高通量壓痕測試,在微區實現高速點陣式精準定位測量,實現硬度、模量等力學性能成像。

           

          關節軟骨是一種特殊的結締組織,用于在活動關節內分配接觸負荷。它是一種雙相材料,表現出各 向異性和非線性彈性行為。固相由膠原蛋白和糖蛋白的細胞外基質(ECM)內的分散蛋白聚糖組成。該 結構包含四個基于膠原原纖維網絡排列的區域。



          如圖所示,深區(Deep?Zone)最靠近骨骼,進一步 向外移動,分別為中間區(Middle?Zone),淺表切向區 (STZ)和關節表面(Articular?surface)。這四個區域 的機械性能各不相同,這意味著需要高空間分辨率 來表征局部組織的特性。

           

          布魯克的Hysitron® BioSoft™原位壓痕技術,可精確測量組織不同區域的局部特性。橫截面表面的 壓痕能得到在軟骨區域不同深度位置的力學性能梯度。觀察到模量從深區到STZ逐漸減少。



           

          這符合常理,因為與模量成反比的流體含量在STZ附近增加。其模量接近在關節表面上測量的大小,但以較關節表面略高的值穩定分布。這種各向異性可能來自平行于關節表面的膠原 原纖維的優先排列。在深區觀察到的離散增大,可能與壓痕處材料結構差異增大相關。

           

          白光干涉儀定量評價表面質量

           

          3D光學輪廓測量技術通過對一定面積表面的測量再現其復雜紋理形貌。通過大視場和使用新的ISO粗糙度參數,3D光學輪廓儀技術能夠對表面質量 進行評價并解釋其失效原因。
          白光干涉儀對人工關節表面質量的測量結果


          人工膝關節面形及缺陷檢測 


          通過測量人工膝關節三維形貌,可得到其表面面形。去除馬鞍形面形后計算其面粗糙度, 并可利用軟件自動對聚乙烯融合缺陷“White Spot"進行檢測,定位并得出各缺陷的形狀、尺寸和深度信息,給出統計表。



          關節球磨損評定 
          白光干涉精準定量其磨損體積,僅1mgPEEK材料被磨損(根據其密度7.5X108mg/µm3計算)。若以稱重法定量評估磨損量,對于PEEK類輕質材料而言,將很難保證精度。
           
           

          布魯克的納米紅外系統(Anasys?nanoIR)采用

           

          光熱誘導共振技術實現納米微區的紅外信號采集。利用原子力探針作為樣品紅外吸收的傳感器,獲得超高靈敏度的紅外光譜和紅外成像,化學成像空間分辨能力可以達到10nm。用于生物醫學樣本的微觀化學結構表征,為理解生物組織納米尺度結構與生物功能及物理特性之間的相互關聯、藥物-細胞/組織的相互作用、疾病的早期診斷和治療提供新啟示和新思路。

           

          巨噬細胞是免疫系統的主要效應細胞,在一些自身免疫性疾病、慢性炎癥性疾病及腫瘤疾病中,巨噬細胞的極化已成為藥物新靶點,M1/M2亞型巨噬細胞的相互轉化及其比例對疾病的愈合及轉歸具有關鍵作用。利用納米紅外系統可以原位表征IL-13和LPS誘導劑對巨噬細胞的影響,在納米尺度上闡明M1/M2型巨噬細胞內部細胞因子和分泌蛋白的差異。



          上圖給出了M1,M2巨噬細胞的形貌和不同結構的化學分布成像,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側鏈,(k)(l)M1,M2伸長部分的高分辨化學成像。



          對頭發、牙齒直接進行納米區域化學結構研究

          對于生物組織,如:骨骼、牙齒、頭發、皮膚等,納米紅外也可以提供直接的納米區域化學結構研究。

           

          摩擦磨損試驗定量評價生物材料摩擦磨損性能

           

          布魯克的摩擦磨損試驗機通過模塊化設計,可以靈活地模擬實際工況,精確控制運動模式、運動 速度、壓力、溫度等參數,在體外獲得生物材料和生物組織的摩擦磨損特性,從而預測并指導生物材料的設計等。鈦合金作為常用的生物材料基體,通常需要對表面進行物理和化學改性,從而提高生物相容性。而改性后的表面層的摩擦磨損特性直接影響后續產品的性能和壽命等。



          上圖是鈦合金基底及三種不同表面改性涂層(氨丙基三乙氧基硅烷,氧化石墨烯復合氨丙基三乙氧基硅烷,和還原氧化石墨烯復合氨丙基三乙氧基硅烷)的摩擦磨損特性。

           

          可見改性表面顯著降低表面的摩擦系數,多重復合表面均有較低的摩擦系數。從測試時間上也能看出,多重復合表面的涂層耐磨時間比單純氨丙基三乙氧基硅烷改性的表面要長得多。結果顯示這種復合改性策略具有優異的應用前景。


          在布魯克UMT平臺上進行的各種測試


           
          上海爾迪儀器科技有限公司代理bruker納米表面部門產品,如有需要可聯系我司。
           



           

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