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水凝膠力學(xué)是生物工程的關(guān)鍵驅(qū)動力

 更新時間:2023-06-25 點擊量:578


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。水凝膠的機械性能可以在很寬的范圍內(nèi)進行調(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細胞構(gòu)建體提供機械刺激來指導(dǎo)細胞功能和組織發(fā)育1。然而,水凝膠機械性能的變化,如強度、剛度、密度、成分、取向和粘彈性,會影響細胞活性3。

水凝膠機械性能的變化,如強度、剛度、密度、成分、取向和粘彈性,都會影響細胞活性。


因此,使用水凝膠的主要挑戰(zhàn)包括:
  • 控制單元格行為。

  • 識別啟動特定細胞活動的機械觸發(fā)器。

  • 創(chuàng)建具有天然組織樣特性的水凝膠以促進組織形成 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械表征的強大方法。 Pavone確定了水凝膠的機械性能,細胞重塑水凝膠的機制,水凝膠力學(xué)性能對細胞行為的影響以及機械刺激在細胞接種水凝膠中的作用。因此,控制和了解細胞 - 水凝膠機制 - Pavone的相互作用可以解鎖新的治療策略。


對細胞力學(xué)感興趣?

引用

[1] Blache, U., Ford, E.M., Ha, B. et al.用于機械生物學(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. 細胞水凝膠機械傳感簡介。界面焦點。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、堅固耐用。主要用于測量復(fù)雜、不規(guī)則的生物材料,如單細胞、組織、水凝膠和涂層的機械性能。

Piuma Nanoindenter

生物組織、軟物質(zhì)材料力學(xué)性能測試的新方法

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

主要優(yōu)勢

內(nèi)置攝像鏡頭,方便實時觀察樣品臺

實時分析計算測量結(jié)果,原始數(shù)據(jù)并將以文本文件存儲,方便任何時候?qū)隓ataviewer軟件進行復(fù)雜處理

探針經(jīng)過預(yù)先校準,即插即用。對于時間敏感的樣品確保了快速測量

光纖干涉MEMS技術(shù)能夠以無損的方式測量即使是最軟的材料,并保證分辨率。同時探針可以重復(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*
測試類型

準靜態(tài)(單點,矩陣)

蠕變,應(yīng)力松弛

DMA動態(tài)掃描 (E', E'', tanδ)

動態(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,彌補了傳統(tǒng)納米壓痕儀無法測試軟物質(zhì)的問題,也解決了AFM在力學(xué)測試中的波動大,操作困難、制樣嚴苛等常見缺陷。


背景噪音低:激光干涉儀抗干擾強于AFM反射光路

制樣更簡單:對樣品的粗糙度寬容度高于AFM

剛度選擇更準確:平行懸臂梁結(jié)構(gòu)有利于準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,進而獲得重復(fù)率更高、準確性更好的數(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



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