盤點(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(jī)械性能測試機(jī)、納米紅外顯微技術(shù)，針對生物材料與醫(yī)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(yī)用材料領(lǐng)域用途廣泛，可以表征包括生物材料、醫(yī)療器械、生物分子、細(xì)胞、組織等在內(nèi)的多種類型樣品。除了常規(guī)的表征材料微觀形貌以外，還能表征材料力學(xué)性能、細(xì)胞-材料-生物分子相互作用等。結(jié)合高速成像技術(shù)，還能獲得這些參數(shù)的動態(tài)變化。
生物組織存在跨尺度的多種分級結(jié)構(gòu)，生物材料的設(shè)計也引入各種微觀結(jié)構(gòu)。這些微觀結(jié)構(gòu)與其生物效應(yīng)密切相關(guān)。
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(diào)節(jié)細(xì)胞融合過程的金屬玻璃納米微柱。可見在生理?xiàng)l件下高分辨成像，能觀察到生物材料的動態(tài)行為。
細(xì)胞與細(xì)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(xì)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(xì)胞-材料-生物分子三者存在復(fù)雜的相互作用，原子力顯微鏡能表征它們的相互作用。細(xì)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(xì)胞的增殖、分化、遷移等過程，進(jìn)而理解各種生理、病理過程具有指導(dǎo)意義。布魯克納米壓痕的XPM（快速多點(diǎn)物性成像）功能通過高通量壓痕測試，在微區(qū)實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)陣式精準(zhǔn)定位測量，實(shí)現(xiàn)硬度、模量等力學(xué)性能成像。
關(guān)節(jié)軟骨是一種特殊的結(jié)締組織，用于在活動關(guān)節(jié)內(nèi)分配接觸負(fù)荷。它是一種雙相材料，表現(xiàn)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(xì)胞外基質(zhì)（ECM）內(nèi)的分散蛋白聚糖組成。該 結(jié)構(gòu)包含四個基于膠原原纖維網(wǎng)絡(luò)排列的區(qū)域。
如圖所示，深區(qū)（Deep?Zone）最靠近骨骼，進(jìn)一步 向外移動，分別為中間區(qū)(Middle?Zone)，淺表切向區(qū) （STZ）和關(guān)節(jié)表面(Articular?surface)。這四個區(qū)域 的機(jī)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(shù)，可精確測量組織不同區(qū)域的局部特性。橫截面表面的 壓痕能得到在軟骨區(qū)域不同深度位置的力學(xué)性能梯度。觀察到模量從深區(qū)到STZ逐漸減少。
這符合常理，因?yàn)榕c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(jié)表面上測量的大小，但以較關(guān)節(jié)表面略高的值穩(wěn)定分布。這種各向異性可能來自平行于關(guān)節(jié)表面的膠原 原纖維的優(yōu)先排列。在深區(qū)觀察到的離散增大，可能與壓痕處材料結(jié)構(gòu)差異增大相關(guān)。
3D光學(xué)輪廓測量技術(shù)通過對一定面積表面的測量再現(xiàn)其復(fù)雜紋理形貌。通過大視場和使用新的ISO粗糙度參數(shù)，3D光學(xué)輪廓儀技術(shù)能夠?qū)Ρ砻尜|(zhì)量 進(jìn)行評價并解釋其失效原因。白光干涉儀對人工關(guān)節(jié)表面質(zhì)量的測量結(jié)果
人工膝關(guān)節(jié)面形及缺陷檢測
通過測量人工膝關(guān)節(jié)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(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(tǒng)計表。
白光干涉精準(zhǔn)定量其磨損體積，僅1mgPEEK材料被磨損（根據(jù)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(zhì)材料而言，將很難保證精度。布魯克的納米紅外系統(tǒng)（Anasys?nanoIR）采用
光熱誘導(dǎo)共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米微區(qū)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(dá)到10nm。用于生物醫(yī)學(xué)樣本的微觀化學(xué)結(jié)構(gòu)表征，為理解生物組織納米尺度結(jié)構(gòu)與生物功能及物理特性之間的相互關(guān)聯(lián)、藥物-細(xì)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(xì)胞是免疫系統(tǒng)的主要效應(yīng)細(xì)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(xì)胞的極化已成為藥物新靶點(diǎn)，M1/M2亞型巨噬細(xì)胞的相互轉(zhuǎn)化及其比例對疾病的愈合及轉(zhuǎn)歸具有關(guān)鍵作用。利用納米紅外系統(tǒng)可以原位表征IL-13和LPS誘導(dǎo)劑對巨噬細(xì)胞的影響，在納米尺度上闡明M1/M2型巨噬細(xì)胞內(nèi)部細(xì)胞因子和分泌蛋白的差異。
上圖給出了M1,M2巨噬細(xì)胞的形貌和不同結(jié)構(gòu)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(cè)鏈，(k)(l)M1,M2伸長部分的高分辨化學(xué)成像。
對頭發(fā)、牙齒直接進(jìn)行納米區(qū)域化學(xué)結(jié)構(gòu)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(qū)域化學(xué)結(jié)構(gòu)研究。
摩擦磨損試驗(yàn)定量評價生物材料摩擦磨損性能
布魯克的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)通過模塊化設(shè)計，可以靈活地模擬實(shí)際工況，精確控制運(yùn)動模式、運(yùn)動 速度、壓力、溫度等參數(shù)，在體外獲得生物材料和生物組織的摩擦磨損特性，從而預(yù)測并指導(dǎo)生物材料的設(shè)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(xù)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(fù)合氨丙基三乙氧基硅烷，和還原氧化石墨烯復(fù)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(shù)，多重復(fù)合表面均有較低的摩擦系數(shù)。從測試時間上也能看出，多重復(fù)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(jié)果顯示這種復(fù)合改性策略具有優(yōu)異的應(yīng)用前景。
在布魯克UMT平臺上進(jìn)行的各種測試
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