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Optics11生物纳米压痕仪测量多孔胶原蛋白生物支架的刚度、杨氏模量、表征

 更新时间:2023-05-08 点击量:503

简介:

用于组织重建的I型胶原支架通常具有受损的机械特性,例如刚度有限和缺乏强度。本研究提出了一种新技术,通过用浓缩盐溶液处理来微调胶原蛋白支架的刚度和生物降解性。胶原蛋白支架通过铸造、冷冻和冻干过程制备。支架用90%饱和盐溶液处理,盐取自Hofmeister系列,然后进行化学交联。用由二价阳离子和一价阴离子组成的盐处理,例如CaCl2,导致支架快速收缩至原始表面积的约 10%。有效盐主要在霍夫迈斯特系列的离液末端。收缩的支架比不收缩的对照支架硬10倍以上,并且显示出孔径减小和肿胀,组织较少的胶原纤维。这种效应可以精确到单个胶原蛋白分子的水平,并表明收缩效应是由三螺旋内稳定氢键的破坏驱动的。钙中无钙沉积物2处理过的支架。与H相比,大鼠皮下植入显示出相似的生物相容性2O和NaCl处理支架,但减少了细胞内流并增加了结构完整性,3个月后没有显着降解的迹象。综上所述,高浓度离液盐可用于调节胶原支架的力学特性,而不影响生物相容性。该技术可用于再生医学中,以加强胶原蛋白支架以更好地顺应周围组织,但也可用于例如缓释药物输送系统。

实验部分:

 刚度的测定

氯化钙的刚度2、氯化钠和氢2用PIUMA纳米压头测量O处理过的胶原蛋白支架(Optics11,荷兰阿姆斯特丹;图 3A)。16在测量之前,将支架在PBS中孵育30分钟,然后在PBS中的60%牛血清白蛋白中进行5分钟的钝化步骤,以防止探针粘附在支架上。每个样品在25×1 mm的网格中进行1个压痕,单个压痕之间的距离为200μm(图3B)。对于软样品,压头探头的刚度为 0.05 N m−1对于较硬的样品,使用刚度为 0.47 N m 的探头−1.两个探头的直径均为180μm。压痕深度,以 5 μm s 的速度达到−1,为15μm,探针保持在原位2秒(压痕时间)。每种脚手架类型独立测量3次。

结果:

使用纳米压痕评估刚度(图3)。氯化钙2、氯化钠和氢2O处理过的支架独立测量三次,每个支架在不同位置有25个压痕(图3B)。氯化钙2脚手架 (7.4 × 103Pa)比NaCl更硬(1.2×103帕)和H2O 处理支架 (4.4 × 102Pa)如(图3C)所示。峰值显示刚度大于 3.0 × 104Pa,最有可能的是当正好凹进在多孔支架中的胶原蛋白结构顶部时,表明CaCl的刚度2处理过的胶原蛋白材料高于 7.4 × 103帕。


。3 使用纳米压痕进行机械表征。(A)PIUMA纳米压痕设备的工作机理:探针(1)连接到悬臂(2)压痕样品(3)并弯曲通过。弯曲程度通过光缆(4)测量并转换为刚度。(B)用代表性SEM图像可视化的支架上的压痕位置。(C) 氯化钙的刚度2、氯化钠和氢2用PIUMA纳米压痕仪测量O处理过的支架。每个条件一式三份进行测试,每个支架有 25 个压痕。条形表示均值±均值的标准误差。单因素方差分析与邦弗朗尼事检验。





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Optics11成立于2011年,是阿姆斯特丹自由大学(VU)的衍生组织。从那时起,这家初创公司的收入和员工持续增长,成为荷兰发展最快的公司之一,并具有国际影响力。Optics11 Life提供功能强大的新型纳米压痕仪,与传统的同类产品相比,使用方便、功能多样、坚固耐用。主要用于测量复杂、不规则的生物材料,如单细胞、组织、水凝胶和涂层的机械性能。

Piuma Nanoindenter

生物组织、软物质材料力学性能测试的新方法

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Piuma是功能强大的台式仪器,可探索水凝胶、生理组织和生物工程材料的微观机械特性。表征尺度从宏观直至细胞。专为分析测试软材料而设计,测量复杂和不规则材料在生理条件下的力学性能。杭州轩辕科技有限公司

主要优势

● 内置摄像镜头,方便实时观察样品台

● 实时分析计算测量结果,原始数据并将以文本文件存储,方便任何时候导入Dataviewer软件进行复杂处理

● 探针经过预先校准,即插即用。对于时间敏感的样品确保了快速测量

● 光纤干涉MEMS技术能够以无损的方式测量即使是最软的材料,并保证分辨率。同时探针可以重复使用Piuma轩辕纳米压痕仪Piuma轩辕纳米压痕仪

                                           

技术参数

+
模量测试范围

5 Pa - 1 GPa

探头悬臂刚度0.025 - 200 N/m
探头尺寸(半径)

3 - 250 μm

最大压痕深度100 μm
传感器最大容量200
测试环境air, liquid (buffer/medium)
粗调行程

X*Y:12×12 mm          Z:12 mm

加载模式

Displacement / Load* / Indentation*
测试类型

准静态(单点,矩阵)

蠕变,应力松弛

DMA动态扫描 (E', E'', tanδ)

动态扫描频率*
0.1 - 10 Hz
内置拟合模型Young's Modulus (Hertz / Oliver-Pharr / JKR)
*为可选升级配置


Fiber-On-Top 探头

新型光纤干涉式悬臂梁探头,利用干涉仪来监测悬臂梁形变。638115393727713280157.jpg


相较于原子力显微镜或传统纳米压痕仪

创新型光纤探头,弥补了传统纳米压痕仪无法测试软物质的问题,也解决了AFM在力学测试中的波动大,操作困难、制样严苛等常见缺陷。


● 背景噪音低:激光干涉仪抗干扰强于AFM反射光路

● 制样更简单:对样品的粗糙度宽容度高于AFM

● 刚度选择更准确:平行悬臂梁结构有利于准确判别压痕深度与压电陶瓷位移比例关系,便于选择合适刚度探头来保证弹性形变关系的稳定性,进而获得重复率更高、准确性更好的数据



内置分析软件

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● 借助功能强大而易于操作的软件,用户可以自由控制压痕程序(载荷、位移等)。自动处理曲线的流程,可以获得数据和结果的快速分析


● 原始参数完整txt导出,便于后续复杂处理的需要


● 利用Hertz接触模型从加载部分计算弹性模量,与常用的Oliver&Pharr方法相比,更为适合生物组织和软物质材料特性



视频介绍


近期文献



年  份期  刊题  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