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- 2025年07月15日
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伦敦帝国理工学院 先进水凝胶用于临床医生大脑手术实训
Forte AE, Galvan S, Manieri F,y Baena FR and Dini D. A composite hydrogel for brain tissue phantoms. Materials & Design, 112, 227-238 (2016)
Biomomentum的Mach-1机械测试仪，测试各种材料组合的基本脑部特性，例如它们如何在变化的压力和速度下压缩。受伤后的恢复速度；他们对震动的反应；以及他们对切口的反应。Mach-1用于比较合成材料组合与猪脑的这些基本外科手术性能，猪脑与人脑具有几乎相同的性能。
水凝胶
水凝胶由亲水性聚合物链网络组成，该网络可与大量水缔合而不会溶解。由于其组成的性质（主要是水），它具有很高的生物相容性。可以对凝胶的聚合物链进行改造，使其具有广泛的功能，例如环境响应，机械性能和化学性能。水凝胶为开发各种组织工程应用（用于细胞培养或细胞接种的3D支架，细胞封装，纳米颗粒等）提供了非常有趣的平台，并找到了将其用于新型微流体和个人诊断设备的途径。这些水凝胶的发展需要对其机械性能的精确表征。
超软水凝胶的低温3D打印
在过去的几十年中，3D生物打印已变得越来越流行。该技术已显示出是从人体复制有机组织几何形状的主要方法之一，同时保留了在这些几何形状中生长细胞的能力。出现的一个问题是试图复制的生物组织的低刚度。如果以支架几何形状进行打印，则用于生物打印技术的生物墨水将无法承受其自身的重量。
伦敦帝国理工学院的研究人员最近尝试通过使用低温3D打印技术创建超软水凝胶支架来研究此问题。为了能够快速，准确地测试这些样品的刚度，使用了Biomomentum Mach-1微机械测试仪。脚手架能够在30秒内成功地在Mach-1上进行压缩测试，这使研究人员可以排除脱水，而脱水是这类样品关注的普遍原因。低力1.5N称重传感器与Mach-1的高精度垂直分辨率一起使用，能够根据实验数据创建应力-应变曲线。
研究人员发现，使用这种技术，他们能够成功模仿人体中最柔软的组织，例如脑和肺。作为一种验证方法，他们还将他们的技术与使用Mach-1的铸模等效技术进行了比较。由于他们技术的成功，他们能够得出结论，低温3D打印复合水凝胶结构可以具有非常广泛的应用范围，从用于外科手术训练和模拟的软组织模型到力学生物学和组织工程学。
3D打印材料
3D打印，也称为增材制造（AM），是指用于合成3D对象的过程，其中在计算机控制下形成连续的材料层。对象可以具有几乎任何形状或几何形状，并且可以通过数字3D模型生成。增材制造工艺分为七类：粘结剂喷射，定向能量沉积，材料挤出，材料喷射，粉末床熔合，薄板层压和大桶光聚合。3D打印材料通常从塑料到金属。最近，许多研究小组对生物材料（通常是带有细胞种子的水凝胶）进行3D打印的工作集中于将其用于组织重建。可以在过程的各个阶段使用机械测试，例如，评估原材料的机械性能。
水凝胶（珠）
水凝胶珠是由天然或合成聚合物制成的微米级颗粒。它们用于各种应用，例如生物医学，药物递送和生物学研究
海藻酸盐珠的力学性能表征
藻酸盐珠在生物医学工业中被广泛使用。使用Mach-1可以精确测量直径小于1毫米的藻酸盐珠的机械性能。
平衡30分钟后，在0.15 M NaCl和50 mM CaCl 2溶液中无限制压缩下，测试了两种具有不同aL古洛糖醛酸含量或G含量的珠子（LVM含量为13％，LVG含量为70％）。在2秒内施加了胎圈直径的50％的压缩斜率，并且假定平衡终点为0.05 g / min的负载松弛率。
Mach-1设计用于各种测试方案，包括应力松弛，动态正弦曲线和蠕变。可以看到使用LVG样品在CaCl 2溶液中进行应力松弛测试的典型结果。表1总结了两种测试溶液中两种珠粒的机械性能（请参阅相关资源文件）。N是样本数，D表示样本直径，Ft是瞬态负载，Feq是平衡负载，t1是在斜坡期间获得峰值负载一半的时间，t2是瞬态负载一半的时间放松。
我们已经观察到，具有70％G含量的LVG珠大于具有13％G含量的LVM珠。在两种溶液中，LVG珠也比LVM珠硬。但是，LVM珠似乎与钙反应减弱。实际上，与在50 mM CaCl2中相比，在0.15 M NaCl中LVM珠更坚硬且松弛得更慢。高的G含量会增加珠子的硬度，并似乎降低对钙的存在或不存在的敏感性。
需要机械测试仪的高精度才能获得直径小于1 mm的胎圈机械性能的精确数据。Mach-1是一种灵活的系统，适用于在受控环境（培养箱）中对多种类型的样品（生物材料，微球，药丸，活组织等）进行高度灵敏和精确的测试。它的易用性和模块化软件提供了无限的测试可能性，并允许直接，快速地分析结果。
结缔组织的机电性能表征-第1部分-关节软骨
在此案例研究中，使用了Mach-1机械测试仪来确定两个结缔组织（软骨和半月板）的机电性能。由于组织的刚度和压缩产生的电场或流动电势对组织的生化成分敏感，因此将测试仪与可精确测量这些电信号的电极阵列耦合。这项研究的目的是建立正常和退化的结缔组织的生化组成与机电性能（刚度和流动电位）之间的联系。研究的第一部分集中在关节软骨上。
由于关节软骨细胞外基质主要由截留在胶原蛋白网络中的带负电荷的蛋白聚糖组成，因此液体中存在过多的活动正电荷。相对于固定的带负电的蛋白聚糖，通过压缩带正电的移动离子，软骨的压缩产生了流动电位。
在有和没有降解剂（白介素-1或IL-1）的情况下，将配对的成对的牛软骨/骨盘（直径3 mm）培养11天。
通过将电极阵列并入安装在Mach-1上的测试室中来评估软骨的机电性能。Mach-1设计用于各种测试方案，包括应力松弛，正弦形位移和不同配置（密闭和无密压缩，拉力，压痕和弯曲）的蠕变。在这项研究中，跨过组织表面的流电势是在无限制的压缩几何结构中进行测量的，其中线性阵列由8个直径为50 um的铂电极隔开300 um。电极1至6覆盖了1.5 mm的软骨盘半径，电极7和8在浴池中的软骨外部。测试室充满生理盐水溶液。以2 um / s的20 um小步压缩顺序施加100 um的静态压缩偏移。动态正弦波测试在1，0.1和0.01 Hz的频率下进行，位移幅度为8、4和2 um。通过在复杂域中添加每个通道来构造流潜在的径向轮廓。用二甲基亚甲基蓝染料和分光光度法测量圆盘中的蛋白聚糖或糖胺聚糖（GAG）含量以及培养过程中培养基损失的含量。
图3显示了培养过程中软骨盘中的GAG含量。经过IL-1处理的圆盘在培养1、4、7和11天后分别损失了10％，20％，65％和75％的GAG含量。Mach-1易于使用，其模块化软件可以直接，快速地分析动态正弦测试结果。图4显示，培养11天后，与对照相比，经IL-1处理的盘的动态刚度低3倍。
应力松弛测试结果的分析表明，在培养结束时，与对照（0.3 MPa）相比，降解圆盘的静态刚度低4倍。图5显示了正常和降解软骨培养11天后的流势分布。我们观察到，在培养开始仅一天后，与对照盘相比，经IL-1处理的外植体在外围的轮廓电位梯度降低了一半。培养7天后，与对照外植体相比，降解后的圆盘在圆盘中心的电位分布幅度明显较低。
结合电极阵列的Mach-1机械测试仪可以精确确定大范围的正常和退化的结缔组织的机电特性。
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。 2. 人造基质作为支持材料的3D培养方法合成的人造基质材料类型相当多，例如Cellendes的3D Life仿生水凝胶材料；3D Biotek公司有多种3D大分子支架材料；Reinnervate公司Alvetex产品用的是聚苯乙烯(polystyrene scaffold)；Life Tech公司的AlgiMatrix 3D培养系统采用褐藻原料；Synthecon和Xanofi的纳米纤维技术平台XanoMatrix采用合成纳米生物基质和培养材料；PuraMatrix采用合成肽水凝胶；其它合成材料产品
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