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(cè)試機(jī)、納米紅外顯微技術(shù)，針對(duì)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(dòng)態(tài)變化。
生物組織存在跨尺度的多種分級(jí)結(jié)構(gòu)，生物材料的設(shè)計(jì)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?？梢娫谏?xiàng)l件下高分辨成像，能觀察到生物材料的動(dòng)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(cè)量，以及分子尺度的相互作用。這些相互作用對(duì)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。納米壓痕原位測(cè)量微區(qū)力學(xué)性能
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(cè)試，在微區(qū)實(shí)現(xiàn)高速點(diǎn)陣式精準(zhǔn)定位測(cè)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(dòng)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(gè)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(dòng)，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(gè)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(cè)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(cè)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)。
白光干涉儀定量評(píng)價(jià)表面質(zhì)量
3D光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)通過對(duì)一定面積表面的測(cè)量再現(xiàn)其復(fù)雜紋理形貌。通過大視場(chǎng)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(píng)價(jià)并解釋其失效原因。白光干涉儀對(duì)人工關(guān)節(jié)表面質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果
人工膝關(guān)節(jié)面形及缺陷檢測(cè)
通過測(cè)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(jì)算其面粗糙度， 并可利用軟件自動(dòng)對(duì)聚乙烯融合缺陷“White Spot"進(jìn)行檢測(cè)，定位并得出各缺陷的形狀、尺寸和深度信息，給出統(tǒng)計(jì)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(jì)算）。若以稱重法定量評(píng)估磨損量，對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(zhǎng)部分的高分辨化學(xué)成像。
對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)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(jì)，可以靈活地模擬實(shí)際工況，精確控制運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng) 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(cè)并指導(dǎo)生物材料的設(shè)計(jì)等。鈦合金作為常用的生物材料基體，通常需要對(duì)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(cè)試時(shí)間上也能看出，多重復(fù)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(zhǎng)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(tái)上進(jìn)行的各種測(cè)試
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