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水凝胶力学是生物工程的关键驱动力

 更新时间:2023-06-25 点击量:534


水凝胶是一种用途广泛的生物材料,在生物工程和再生医学中发挥着核心作用。它们是由天然和合成聚合物或两者的组合制成的亲水聚合物的三维(3D)网络1,2。水凝胶的机械性能可以在很宽的范围内进行调整,使它们能够通过模仿天然ECM,调节生化化合物的递送以及为3D细胞构建体提供机械刺激来指导细胞功能和组织发育1。然而,水凝胶机械性能的变化,如强度、刚度、密度、成分、取向和粘弹性,会影响细胞活性3

水凝胶机械性能的变化,如强度、刚度、密度、成分、取向和粘弹性,都会影响细胞活性。


因此,使用水凝胶的主要挑战包括:
  • 控制单元格行为。

  • 识别启动特定细胞活动的机械触发器。

  • 创建具有天然组织样特性的水凝胶以促进组织形成 4.

为了解决生物工程中未满足的需求,我们引入了Pavone纳米压痕仪作为水凝胶和其他生物材料机械表征的强大方法。 Pavone确定了水凝胶的机械性能,细胞重塑水凝胶的机制,水凝胶力学性能对细胞行为的影响以及机械刺激在细胞接种水凝胶中的作用。因此,控制和了解细胞 - 水凝胶机制 - Pavone的相互作用可以解锁新的治疗策略。


对细胞力学感兴趣?

引用

[1] Blache, U., Ford, E.M., Ha, B. et al.用于机械生物学的工程水凝胶。国家修订方法入门 2, 98 (2022).

[2] Jacob S,Nair AB,Shah J,Sreeharsha N,Gupta S,Shinu P.水凝胶在药物输送系统,组织工程和伤口管理中的新兴作用。制药学。2021 8 月 13;3(357):10.DOI:3390.13030357/药剂学33800402。;PMCID:PMC<>。

[3] Ahearne M. 细胞水凝胶机械传感简介。界面焦点。2014 6 月 4;2(20130038):10.DOI:1098.2013/RSFS.0038.24748951。密码:3982445;PMCID:PMC<>。

[4] Geckil H, Xu F, Zhang X, Moon S, Demirci U. 工程水凝胶作为细胞外基质模拟物。纳米医学(伦敦)。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