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赵晶:生物医学材料在精准医疗领域的应用

近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控与生物力学研究室在异质软材料的纳米力学研究领域取得新进展,该研究为非均软物质,特别是对具特异性的生物材料的纳米力学的测量提供了高效的新方式。相关成果以Atomic force microscopy methodology andAFMech Suite software for nanomechanicson heterogeneous soft materials(《利用原子力显微镜和AFMech Suite软件研究异质软材料的纳米力学》)为题发表在科学,Nature communications上,论文第一作者为深圳先进院博士Massimiliano Galluzzi。

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软物质材料纳米力学的测量,一直是材料科学家的重要挑战,生物材料的内在异质性,一直对其力学性质的量化造成阻碍。而基于原子力显微镜技术,非均质软材料的力学与形貌特征可以在液相中被精确地测量。因此,团队提出一个3步走的方法来量化研究生物样品:精确的AFM矫正;应用力曲线阵列模式进行纳米压痕;由AFM压痕数据所构建有限元模拟计算。团队结合实验结果与模拟计算成功测定了生物材料的内部几何形状、多层结构的性质以及界面间的摩擦。为了能方便地对AFM测量的原始数据和模拟数据进行比较、分析,团队针对性地编写了一个软件:AFMech Suite,该软件包含5个交互接口,分别用于同步矫正、形貌学、粘附性、力学以及模拟分析。团队选择了掺入硬球的柔性水凝胶作为软物质模型来模拟生物的一级多样性,并用此模型成功验证了上述方法。最后,团队将该方法应用于测定培植于软/硬的水凝胶上的大肠杆菌的纳米力学与形貌,证明了该方法在生物领域的适用性。

在精准医疗领域,生物医学材料的选取决定了医学实验数据的准确度,其对于医疗领域发展有着极大的促进作用。随着生物医学材料的要求越来越高,所面临的的挑战也接踵而至,而如何应对挑战也是我们目前需要解决的的问题。

论文链接

11月14日,由OFweek中国高科技行业门户、高科会主办,OFweek医疗科技网承办的“OFweek 2017中国医疗科技大会”在深圳持续举办。会议期间,Keysight纳米产品应用专家赵晶在“生物医学材料测试挑战”主题演讲中,以原子力显微镜以及纳米压痕仪产品使用为例,为我们讲述了目前测试过程面临的挑战。

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Keysight纳米产品应用专家赵晶

软凝胶上的大肠杆菌的硬度图以及硬度与压痕深度的断层图。

原子力显微镜

如下图所示,该实验主要研究心脏支架表面的镀膜,镀的涂层在空气中、溶液中会发生什么变化。通过原子力显微镜,可以观测到不同的盐离子浓度、各种生物条件的液体通入溶液池后表面发生的变化。而这些支架表面的微孔消失了,这个实验可以看出一个原位观察材料制备在模拟真实的液体环境中,表面会发生什么样的变化,这个变化对它以后会不会失效做一个研究。

下面是细胞表面的子模,其表面的子模具有一个非常高分辨的结构,通过原子力显微镜对它的薄膜表面进行扫描,可以看到扫描到几十纳米之后,其表面非常细微的呈多纳圈排列的这样一个三维六角的结构。其每一个分子的单元只有6纳米,它中间有一个孔,这个孔的间隙有0.8纳米,这样也可以证明原子力显微镜设备可以对你的材料表面做一个高分辨的成像,它从低分辨到高分辨,可以构造一个三维的轮廓到超高分辨率的成像,整个都可以实现这样的功能。