爾迪盤(pán)點(diǎn)|布魯克生物材料與醫療器械表征方案
更新時(shí)間：2022-10-25瀏覽：1158次
盤(pán)點(diǎn)布魯克原子力顯微鏡、納米壓痕技術(shù)、白光干涉技術(shù)、摩擦磨損機械性能測試機、納米紅外顯微技術(shù)，針對生物材料與醫療器械領(lǐng)域的部分表征方案。
布魯克原子力顯微鏡在生物醫用材料領(lǐng)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(lèi)型樣品。除了常規的表征材料微觀(guān)形貌以外，還能表征材料力學(xué)性能、細胞-材料-生物分子相互作用等。結合高速成像技術(shù)，還能獲得這些參數的動(dòng)態(tài)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(guān)結構。這些微觀(guān)結構與其生物效應密切相關(guān)。
上左圖顯示了多肽自組裝過(guò)程中的形貌變化，右圖顯示了具有調節細胞融合過(guò)程的金屬玻璃納米微柱?？梢?jiàn)在生理條件下高分辨成像，能觀(guān)察到生物材料的動(dòng)態(tài)行為。
細胞與細胞外基質(zhì)的力學(xué)性能與其生物學(xué)功能密切相關(guān)。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(xué)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(guò)程，進(jìn)而理解各種生理、病理過(guò)程具有指導意義。布魯克納米壓痕的XPM（快速多點(diǎn)物性成像）功能通過(guò)高通量壓痕測試，在微區實(shí)現高速點(diǎn)陣式精準定位測量，實(shí)現硬度、模量等力學(xué)性能成像。
關(guān)節軟骨是一種特殊的結締組織，用于在活動(dòng)關(guān)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(xiàn)性彈性行為。固相由膠原蛋白和糖蛋白的細胞外基質(zhì)（ECM）內的分散蛋白聚糖組成。該 結構包含四個(gè)基于膠原原纖維網(wǎng)絡(luò )排列的區域。
如圖所示，深區（Deep?Zone）最靠近骨骼，進(jìn)一步 向外移動(dòng)，分別為中間區(Middle?Zone)，淺表切向區 （STZ）和關(guān)節表面(Articular?surface)。這四個(gè)區域 的機械性能各不相同，這意味著(zhù)需要高空間分辨率 來(lái)表征局部組織的特性。
布魯克的Hysitron® BioSoft™原位壓痕技術(shù)，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(xué)性能梯度。觀(guān)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(guān)節表面上測量的大小，但以較關(guān)節表面略高的值穩定分布。這種各向異性可能來(lái)自平行于關(guān)節表面的膠原 原纖維的優(yōu)先排列。在深區觀(guān)察到的離散增大，可能與壓痕處材料結構差異增大相關(guān)。
3D光學(xué)輪廓測量技術(shù)通過(guò)對一定面積表面的測量再現其復雜紋理形貌。通過(guò)大視場(chǎng)和使用新的ISO粗糙度參數，3D光學(xué)輪廓儀技術(shù)能夠對表面質(zhì)量 進(jìn)行評價(jià)并解釋其失效原因。白光干涉儀對人工關(guān)節表面質(zhì)量的測量結果
人工膝關(guān)節面形及缺陷檢測
通過(guò)測量人工膝關(guān)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(dòng)對聚乙烯融合缺陷“White Spot"進(jìn)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。
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(chēng)重法定量評估磨損量，對于PEEK類(lèi)輕質(zhì)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(shù)實(shí)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(xué)成像空間分辨能力可以達到10nm。用于生物醫學(xué)樣本的微觀(guān)化學(xué)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(guān)聯(lián)、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(diǎn)，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(guān)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(xué)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(cháng)部分的高分辨化學(xué)成像。
對頭發(fā)、牙齒直接進(jìn)行納米區域化學(xué)結構研究對于生物組織，如：骨骼、牙齒、頭發(fā)、皮膚等，納米紅外也可以提供直接的納米區域化學(xué)結構研究。
摩擦磨損試驗定量評價(jià)生物材料摩擦磨損性能
布魯克的摩擦磨損試驗機通過(guò)模塊化設計，可以靈活地模擬實(shí)際工況，精確控制運動(dòng)模式、運動(dòng) 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(jìn)行物理和化學(xué)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(chǎn)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(jiàn)改性表面顯著(zhù)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(shí)間上也能看出，多重復合表面的涂層耐磨時(shí)間比單純氨丙基三乙氧基硅烷改性的表面要長(cháng)得多。結果顯示這種復合改性策略具有優(yōu)異的應用前景。
在布魯克UMT平臺上進(jìn)行的各種測試
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