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水凝膠力學(xué)是生物工程的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力

 更新時(shí)間:2023-06-25 點(diǎn)擊量:762


水凝膠是一種用途廣泛的生物材料,在生物工程和再生醫(yī)學(xué)中發(fā)揮著核心作用。它們是由天然和合成聚合物或兩者的組合制成的親水聚合物的三維(3D)網(wǎng)絡(luò)1,2。水凝膠的機(jī)械性能可以在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,使它們能夠通過模仿天然ECM,調(diào)節(jié)生化化合物的遞送以及為3D細(xì)胞構(gòu)建體提供機(jī)械刺激來指導(dǎo)細(xì)胞功能和組織發(fā)育1。然而,水凝膠機(jī)械性能的變化,如強(qiáng)度、剛度、密度、成分、取向和粘彈性,會(huì)影響細(xì)胞活性3。

水凝膠機(jī)械性能的變化,如強(qiáng)度、剛度、密度、成分、取向和粘彈性,都會(huì)影響細(xì)胞活性。


因此,使用水凝膠的主要挑戰(zhàn)包括:
  • 控制單元格行為。

  • 識(shí)別啟動(dòng)特定細(xì)胞活動(dòng)的機(jī)械觸發(fā)器。

  • 創(chuàng)建具有天然組織樣特性的水凝膠以促進(jìn)組織形成 4.

為了解決生物工程中未滿足的需求,我們引入了Pavone納米壓痕儀作為水凝膠和其他生物材料機(jī)械表征的強(qiáng)大方法。 Pavone確定了水凝膠的機(jī)械性能,細(xì)胞重塑水凝膠的機(jī)制,水凝膠力學(xué)性能對(duì)細(xì)胞行為的影響以及機(jī)械刺激在細(xì)胞接種水凝膠中的作用。因此,控制和了解細(xì)胞 - 水凝膠機(jī)制 - Pavone的相互作用可以解鎖新的治療策略。


對(duì)細(xì)胞力學(xué)感興趣?

引用

[1] Blache, U., Ford, E.M., Ha, B. et al.用于機(jī)械生物學(xué)的工程水凝膠。國家修訂方法入門 2, 98 (2022).

[2] Jacob S,Nair AB,Shah J,Sreeharsha N,Gupta S,Shinu P.水凝膠在藥物輸送系統(tǒng),組織工程和傷口管理中的新興作用。制藥學(xué)。2021 8 月 13;3(357):10.DOI:3390.13030357/藥劑學(xué)33800402。;PMCID:PMC<>。

[3] Ahearne M. 細(xì)胞水凝膠機(jī)械傳感簡介。界面焦點(diǎn)。2014 6 月 4;2(20130038):10.DOI:1098.2013/RSFS.0038.24748951。密碼:3982445;PMCID:PMC<>。

[4] Geckil H, Xu F, Zhang X, Moon S, Demirci U. 工程水凝膠作為細(xì)胞外基質(zhì)模擬物。納米醫(yī)學(xué)(倫敦)。2010 5 月;3(469):84-10.DOI:2217.10/nnm.12.20394538。

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Optics11成立于2011年,是阿姆斯特丹自由大學(xué)(VU)的衍生組織。從那時(shí)起,這家初創(chuàng)公司的收入和員工持續(xù)增長,成為荷蘭發(fā)展最快的公司之一,并具有國際影響力。Optics11 Life提供功能強(qiáng)大的新型納米壓痕儀,與傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品相比,使用方便、功能多樣、堅(jiān)固耐用。主要用于測(cè)量復(fù)雜、不規(guī)則的生物材料,如單細(xì)胞、組織、水凝膠和涂層的機(jī)械性能。

Piuma Nanoindenter

生物組織、軟物質(zhì)材料力學(xué)性能測(cè)試的新方法

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Piuma是功能強(qiáng)大的臺(tái)式儀器,可探索水凝膠、生理組織和生物工程材料的微觀機(jī)械特性。表征尺度從宏觀直至細(xì)胞。專為分析測(cè)試軟材料而設(shè)計(jì),測(cè)量復(fù)雜和不規(guī)則材料在生理?xiàng)l件下的力學(xué)性能。杭州軒轅科技有限公司

主要優(yōu)勢(shì)

內(nèi)置攝像鏡頭,方便實(shí)時(shí)觀察樣品臺(tái)

實(shí)時(shí)分析計(jì)算測(cè)量結(jié)果,原始數(shù)據(jù)并將以文本文件存儲(chǔ),方便任何時(shí)候?qū)隓ataviewer軟件進(jìn)行復(fù)雜處理

探針經(jīng)過預(yù)先校準(zhǔn),即插即用。對(duì)于時(shí)間敏感的樣品確保了快速測(cè)量

光纖干涉MEMS技術(shù)能夠以無損的方式測(cè)量即使是最軟的材料,并保證分辨率。同時(shí)探針可以重復(fù)使用Piuma軒轅納米壓痕儀Piuma軒轅納米壓痕儀

                                         

技術(shù)參數(shù)

模量測(cè)試范圍

5 Pa - 1 GPa

探頭懸臂剛度0.025 - 200 N/m
探頭尺寸(半徑)

3 - 250 μm

最大壓痕深度100 μm
傳感器最大容量200
測(cè)試環(huán)境air, liquid (buffer/medium)
粗調(diào)行程

X*Y:12×12 mm          Z:12 mm

加載模式

Displacement / Load* / Indentation*
測(cè)試類型

準(zhǔn)靜態(tài)(單點(diǎn),矩陣)

蠕變,應(yīng)力松弛

DMA動(dòng)態(tài)掃描 (E', E'', tanδ)

動(dòng)態(tài)掃描頻率*
0.1 - 10 Hz
內(nèi)置擬合模型Young's Modulus (Hertz / Oliver-Pharr / JKR)
*為可選升級(jí)配置


Fiber-On-Top 探頭

新型光纖干涉式懸臂梁探頭,利用干涉儀來監(jiān)測(cè)懸臂梁形變。638115393727713280157.jpg


相較于原子力顯微鏡或傳統(tǒng)納米壓痕儀

創(chuàng)新型光纖探頭,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)納米壓痕儀無法測(cè)試軟物質(zhì)的問題,也解決了AFM在力學(xué)測(cè)試中的波動(dòng)大,操作困難、制樣嚴(yán)苛等常見缺陷。


背景噪音低:激光干涉儀抗干擾強(qiáng)于AFM反射光路

制樣更簡單:對(duì)樣品的粗糙度寬容度高于AFM

剛度選擇更準(zhǔn)確:平行懸臂梁結(jié)構(gòu)有利于準(zhǔn)確判別壓痕深度與壓電陶瓷位移比例關(guān)系,便于選擇合適剛度探頭來保證彈性形變關(guān)系的穩(wěn)定性,進(jìn)而獲得重復(fù)率更高、準(zhǔn)確性更好的數(shù)據(jù)



內(nèi)置分析軟件

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借助功能強(qiáng)大而易于操作的軟件,用戶可以自由控制壓痕程序(載荷、位移等)。自動(dòng)處理曲線的流程,可以獲得數(shù)據(jù)和結(jié)果的快速分析


原始參數(shù)完整txt導(dǎo)出,便于后續(xù)復(fù)雜處理的需要


利用Hertz接觸模型從加載部分計(jì)算彈性模量,與常用的Oliver&Pharr方法相比,更為適合生物組織和軟物質(zhì)材料特性



視頻介紹


近期文獻(xiàn)



年  份期  刊題  目
2022Advanced Functional MaterialsEngineering Vascular Self-Assembly by Controlled 3D-Printed Cell Placement
2022BiomaterialsHydrogels derived from decellularized liver tissue support the growth and differentiation of cholangiocyte organoids
2021Biofabrication3D bioprinting of tissue units with mesenchymal stem cells, retaining their proliferative and differentiating potential, in polyphosphate-containing bio-ink
2021nature communicationsJanus 3D printed dynamic scaffolds for nanovibration-driven bone regeneration
2020Environmental Science & TechnologyEffect of Nonphosphorus Corrosion Inhibitors on Biofilm Pore Structure and Mechanical Properties
2020Acta BiomaterialiaA multilayer micromechanical elastic modulus measuring method in ex vivo human aneurysmal abdominal aortas





















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