纳米世界的上帝之手--AFMAFM测试全称Atomic Force Microscope，即原子力显微镜，它是继扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope， STM）之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器，可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测，之所以称AFM为纳米世界的上帝之手是因为其可直接进行纳米操纵；该技术现已广泛应用于半导体、纳米功能材料、生物、化工、食品、医药研究和科研院所各种纳米相关学科的研究实验等领域中，成为纳米科学研究的基本工具。下面小编将通过几个科研中的案例来和大家一起探究一下AFM在纳米世界的神奇作用。AFM在细胞的物理特性研究中的应用案例1（1）题目及作者：（2）文献收录: Nature Methods
DOI: 10.1038/s41592-018-0015-1（3）摘要：细胞的机械特性影响细胞和亚细胞的功能，包括细胞的粘附、迁移、极化和分化，以及细胞质内的细胞器组织和运输。然而，已经发表的细胞刚度和粘度值差异很大，这表明不同的方法其结果是不同。为了解决这一问题并说明某些方法的互补性，该文章此介绍、分析和严格比较了一些最广泛使用的细胞力学方法：原子力显微镜、磁扭转细胞仪、粒子跟踪微流变学、平行板流变学、细胞单层流变学和光学拉伸等。这些测量结果强调了MCF-7乳腺癌细胞的弹性模量和粘性模量是如何从1000倍到100倍变化的。并讨论了这些变化的原因，包括施加的机械应力水平、变形率、探针的几何形状、探针在细胞中的位置和细胞外微环境等。（4）测试仪器介绍：AFM原子力显微镜由悬臂梁组成，悬臂梁的刚度经过校准，悬臂梁以规定的速度将预先设定的力或变形施加到附着的细胞或组织上，并通过激光偏转和光电探测器进行检测(如图2a)，测量相应的阻力来自细胞的变形(如图2b)。（5） 测试谱图：（6） 测试类别分析：该研究中的弹性接触模型通过将测得的力的曲线作为悬臂垂直位置的函数来测量单元的弹性(有效杨氏模量)。使用纳米AFM探针进行测量的结果表明，细胞的力学性能是不均匀的，并且在不同的细胞之间有很大的差异(图2d,e)。使用尖头产生~ 1-μm压痕的速度为2μm s-1，该方法测得的MCF-7细胞的平均静态弹性模量是5.5~0.8 kPa，超过了中央核区域数值，也超过了位于细胞核和细胞边缘之间的胞体平坦区域的3.8±0.5 kPa。当细胞被更大的探针缩进时(如图2f,g)， AFM测量对局部细胞异质性的敏感性降低，弹性模量显著降低。总之，这些结果表明，根据测量参数和探测区域的不同，用原子力显微镜测量的细胞的力学性能可以相差十倍以上。AFM在可切换银纳米结构研究中的应用案例2（1）题目及作者：（2）文献收录: The Journal of Physical Chemistry CDOI: 10.1021/jp501268y（3）摘要：这篇文章主要介绍了利用原子力显微镜AFM技术制备受控银纳米结构的方法。纳米结构生长在银盐浸渍的介孔氧化硅薄膜和二氧化硅铟锡氧化物界面上，沉积在铟锡氧化物涂层玻璃基板上。在导电原子力显微镜尖端和氧化铟锡衬底之间施加电压，形成银纳米结构。通过逆转尖端的电极性，证明了在硅薄膜表面和薄膜铟锡氧化物界面之间切换纳米结构位置的可能性。研究还表明，如果所制备的金属纳米结构足够大，可以在薄膜内部从一侧向另一侧生长，则可以通过硅层形成导电通道。薄膜的导电性可以通过连续施加正负两端的电压方式在局部可逆的改变。（4）测试仪器介绍：AFM (Agilent 5500)可用于间歇接触和接触模式。在间歇接触模式下，偏置作用于尖端，使ITO层保持在地电位。在接触模式下，电压施加到ITO层，尖端接地。为了清楚起见，指出了尖端相对于基片的电压。所有的实验都在相对湿度(相对湿度)(65 5)%的条件下进行，以确保在薄膜表面存在一层被吸附的水层。（5） 测试谱图：（6） 测试类别分析：图4a-c显示了300nm宽的银纳米结构的多级擦除。正电压的第一个应用程序(2V持续300ms)擦除以下阈值(在这种情况下3V)只删除一个碟状纳米结构的一部分应用电压的位置(图4b)，而一个更大的正电压应用于尖端(4V持续300ms)会形成一个完整的纳米结构。这个过程似乎是可逆的，在底部位置的银纳米结构可以通过对尖端施加负电压而切换回顶部表面，并且可以进行几个循环的顶部底部切换。图4d h显示了连续的开关步骤，依次向尖端施加负(3V持续1s)和正(5V持续1 s)电压，分别在顶部和底部位置形成纳米结构。AFM形貌图表明，每次施加负电压后，薄膜表面就会出现树突，而每次施加正电压后，树突就会消失。然而，在顶部形成的树突的大小明显地随开关数量的增加而减小，尽管每一步的负电压大小和应用时间保持不变。图4i显示了在样品的不同位置经过每个开关步骤(与图4d~h所示)后纳米结构的光学观察。分别使用相同的参数在不同的位置上重复这些步骤，切换步骤如图4d~h所示。AFM在高周疲劳研究中的应用案例3（1）题目及作者：（2）文献收录: Journal of Physical Phemistry BDOI: 10.1021/jp012747x（3）摘要：在许多前沿的研究和开发中，设计和制造纳米结构尤为重要。合成、沉积和定位纳米尺度材料的能力对这项技术的发展至关重要。该文献在此报告了电化学制备的沉积和操作，在二氧化硅(SiO2)表面沉积微粒盖金纳米棒。以 MPMDMS (3-巯基丙基甲基二甲氧基硅烷)作为金纳米棒组装的活性界面。用扫描力显微镜(SFM)对单个金纳米棒进行成像和操作。研究结果发现，纳米棒的机械运动取决于纳米棒上推力点沿的位置。（4）测试仪器及方法介绍：AFM成像和操作实验使用在空气中动态模式下运行的自动探针CP AFM，使用三角形的硅悬臂梁( 弹簧常数为13.0 Nm-1，谐振频率340 kHz)。前面已经描述了原子力显微镜纳米操纵的结构。它基于开发的探头控制软件(PCS)，并基于PSI提供的应用程序编程接口(API)。（5） 测试谱图：（6） 测试类别分析：图2a为经过3-MPMDMS修饰的硅衬底的AFM图像(1μm×1μm )。图2c显示了该图像的截面分析。从这些图中可以明显看出，形成的自组装单层是光滑的，不包含任何硅烷凝聚体。计算扫描区域的总体均方根值为2埃。图2b中的AFM图像显示了金纳米棒沉积在该基底上后的表面。用AFM测得的10±2nm纳米棒高度与TEM观测到的直径相当。AFM之所以被广泛使用，是因为AFM与其他技术相比具有诸多优点。1）具有原子级高分辨率。在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可以达到0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子；2）可实时地得到在实空间中表面的三维图像，可用于具有周期或不具有周期性的表面结构研究。3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质。已用来直接观察DNA、重组DNA及HPI-蛋白质等在载体表面吸附后的表观结构；4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。如果你的研究也有这方面的需要，那就快来了解一下AFM吧。本文所有内容文字、图片和音视频资料，版权均属科学指南针网站所有，任何媒体、网站或个人未经本网协议授权不得以链接、转贴、截图等任何方式转载。}

2023-04-03 16:28
来源:
摩方精密发布于：广东省
与活体器官、动物模型以及人体临床试验相比，具有仿生结构的三维组织器官模型在体外手术训练和生物医学设备测试等应用至关重要，因为它们不仅真实地反映了生物体的生物结构、形态和生理微环境，而且具有成本低、符合伦理道德、易于操作等优点。然而，迄今为止体外仿生组织器官模型的制造和应用仍面临许多未解决的挑战。一方面，传统注模技术所制造的器官模型缺乏精准仿制生物器官复杂结构特性的能力。另一方面，目前的器官模型无法精确模拟生物体的理化特性，例如柔韧性、粘弹性以及润湿性等。上述问题表明，目前的组织模拟材料和工程技术难以制造与人体软组织机械特性、理化微环境和仿生结构均匹配的器官模型，这对目前的仿生软组织器官模型仍然是一个很大的挑战。
基于此，中国科学院兰州化学物理研究所刘维民院士/王晓龙研究员团队在Advanced Functional Materials上发表文章Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness，如图1所示，提出了一种基于共价交联网络和金属配位网络的双交联网络策略来制备刚度可调的弹性水凝胶，其弹性水凝胶的弹性模量（软硬度）可以通过调节水凝胶组分和金属配位键的密度，使其从几千帕到几百千帕之间灵活调控来匹配不同的生物软组织；同时借助数字光处理3D打印技术实现了各种结构复杂、保真度高、机械可调的湿滑水凝胶软组织器官三维结构的一体化成型，且这些水凝胶软组织器官模型具有复杂的内部通道和腔体结构、血管化的组织结构、逼真的解剖结构等。这些机械精确可调的仿生水凝胶软组织器官模型在外科手术训练、医疗设备测试和器官芯片等领域具有潜在的应用前景。
图1 弹性双网络水凝胶的设计及湿滑水凝胶软组织器官模型的制造 如图2所示，利用多种可调刚度的弹性水凝胶来匹配天然软组织的机械特性，并结合数字光处理3D打印技术制造了大脑、支气管、肺、肝脏、心脏、胃、肾脏以及肠等具有高保真度和三维复杂结构的水凝胶组织器官模型。此外，这些水凝胶软组织器官模型具有结构复杂的腔体、可灌注的微通道以及异质结构。 图2 刚度与天然软组织特性相匹配的湿滑水凝胶仿生组织器官模型 如图3所示，3D打印的水凝胶器官模型具有复杂的内部通道和腔体结构，以及更接近于天然心脏器官的外部逼真解剖结构。此外，这些类组织弹性水凝胶还具有可调控的粘弹性，且与各种活组织器官的粘弹性非常相似。 图3 湿滑水凝胶软组织器官模型的解剖细节及粘弹性能 人体组织器官含有许多复杂的血管网络拓扑结构。如图4所示，在弹性水凝胶基质内制造了许多具有可调管状拓扑结构的流体多通道网络结构。此外，在弹性水凝胶中设计和制造了具有曲折的仿生多支叉血管网络和不规则分叉和大小通道的仿生树突状血管网络。 图4 弹性水凝胶基质中制造的流体通道网络和仿生多血管网络结构 由于水凝胶基的湿滑组织器官模型可以重构与天然血管相似的微环境。如图5所示，设计的具有复杂曲折脑动脉和湿滑特性的3D打印水凝胶人脑模型可作为模拟血管内介入治疗的有效仿真平台，其为血管内介入治疗领域解决一些临床和技术挑战开辟创新新型道路。 图5 3D打印湿滑水凝胶仿生器官模型的体外导丝介入演示 相关研究工作目前以“Engineering Tridimensional Hydrogel Tissue and Organ Phantoms with Tunable Springiness”为题目发表在《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者为中国科学院大学博士生刘德胜，通讯作者为中国科学院兰州化学物理研究所特别研究助理蒋盼博士、王晓龙研究员、刘维民院士。 该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、中国科学院“西部之光”交叉创新团队项目、甘肃省科技计划项目等的支持。 原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214885 摩方精密作为微纳3D打印的先行者和领导者，拥有全球领先的超高精度打印系统，其面投影微立体光刻（PμSL）技术可应用于精密电子器件、医疗器械、微流控、微机械等众多科研领域。在三维复杂结构微加工领域，摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。针对客户在新产品开发中可能出现的工艺和材料难题，摩方将持续提供简易高效的技术支持方案。 来源：高分子科学前沿返回搜狐，查看更多
责任编辑：}