微纳金属探针的主要作用3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-12-08 14:22 标签： 金属探针的主要作用

原子力显微镜(Atomic Force Microscopy，AFM) 是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。由于 AFM 独特的成像方式，使得它在科学研究工作中，如金属、半导体材料、微电子、物理、化学、生物、纳米材料、生命科学等众多科学领域中得到迅速的发展和应用。

自石墨烯的出现，二维材料体系研究因其独特的物理特性受到极大的关注。尤其近两年“魔角”石墨烯的超导能力，开辟了凝聚态物理的新领域，因此二维材料的电学性质表征显得尤为重要。在本次讲座中主要涉及到高分辨导电原子力、环境可控表面电势以及基于微波技术的最近扫描电容显微镜在二维材料等领域的一些电学性质新进展。欢迎您报名参加！

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2006年博士毕业于大连理工大学三束国家重点实验室，利用AFM, TEM, XRD等技术手段研究PVD制备的氧化物薄膜的生长机制。曾任安捷伦科技纳米测量部应用科学家，主要从事AFM的应用工作。现为牛津仪器的资深应用科学家，从事原子力显微镜的应用推广、测试方法的研究以及AFM相关的多系统耦合。

组织工程支架是组织工程中常见的细胞粘附载体，提供了细胞生长发育的脚手架。从临床修复角度看，理想的组织工程支架需要兼顾生物相容性和足够的机械强度。常见的壳聚糖等生物支架通常有很高的生物相容性，却没有足够的机械强度，而像聚乳酸类支架不亲水，强度足够，生物相容性又较弱。目前思路是在支架上修饰另一材料来改善支架的生物相容性，然而涂层修饰时引入其它材料又使得该支架走向临床存在很大难度。有没有可能通过纯物理结构的调整来大幅提升原有生物支架的生物相容性？近期，浙江大学贺永教授课题组设计了一种多尺度支架，其策略是通过支架中的粗纤维（100μm左右）网络提供足够的机械强度支撑，超细纤维（2-3μm）网络提供更易于细胞粘附的微环境以促进细胞粘附，增殖。课题组还开发了用于打印多尺度支架的多尺度3D打印系统（MSDWS），可实现同一个喷头打印3μm到600μm精度的生物支架。

我们阐述了多尺度组织工程支架为何能实现力学强度及生物相容性的兼顾（图1）。细胞在支架上的粘附生长，犹如一个人爬一颗大树一样，对于较粗的主干部分，人难以抱住，上升比较困难，而对于较细的支干部分，由于可以抱住整个枝干，人可以轻松地向上爬行。同样，细胞约在10微米尺寸，对其2-3微米直径的超细纤维可以轻松抓握及粘附，而对于100微米这样尺度的支架则无法轻松粘附，也就难以有很高的生物学性能。

Fig.1 多尺度组织工程支架设计思路

论文中提出制造一种既具备机械强（宏尺度纤维）又可以使细胞具有良好的生长微环境（微尺度纤维）供其进行粘附，增殖，分化等的多尺度支架。结合现有组织工程制造技术（熔融沉积成型技术和近场直写技术），研发了该宏微两尺度支架的生物3D打印机，该平台的主要特点是通过控制系统的协调响应，使得通过在同一平台同一个喷头可以制造出本课题提出的组织工程支架。通过探究宏微两尺度支架制造工艺，实现宏微尺度支架制造。最后，为了探究宏微两尺度支架的体外兼容性，使用骨髓间充质干细胞（BMSCs），对制得的支架进行了体外二维细胞和三维细胞培养实验，验证其在组织工程应用上的可行性和多功能性。

Fig.2 多尺度支架制造原理。（A）多尺度支架设计示意图。细丝提供机械强度，细丝提供细胞粘附的微环境；（B）MSDWS示意图；（C）多尺度支架打印；（D）多尺度支架细胞活动上的应用。

Fig.3 FDM和EHD打印工艺表征。（A）影响纤维丝径参数示意图，包括气压，温度，打印速度；（B）（I）FDM打印中，打印参数对丝径的影响；（II）通过调整速度，粗纤维丝径从180μm变化到330μm（C）（I）EHD打印中，打印参数对丝径的影响；（II）通过速度调整，细纤维丝径从2.48μm 变化到 18.3μm；（D）EHD打印的复杂结构，包括（I）蜘蛛网状，（II）花环状，（III）蜗牛壳状。

Fig.4 MSDWS制造的多尺度支架。（A）细纤维90°填充多尺度支架；（B）细纤维45°填充多尺度支架；（C）细纤维60°填充多尺度支架；（D）打印速度和粗纤维沉积距离对多尺度支架的影响；（E）多层多尺度支架。

Fig.5 不同纤维支架机械强度表征。（A）不同纤维支架的代表性拉伸应力/应变曲线；（B）不同纤维支架的拉伸模量；（C）不同纤维支架的代表性压缩应力/应变曲线；（D）不同纤维支架的压缩强度。

Fig.6 多尺度支架生物相容性分析。（A）多尺度支架BMSCs种植和培养示意图；（B）多尺度支架和宏尺度支架细胞粘附对比图；（C）多尺度支架和宏尺度支架细胞增殖对比图；（D）第1,3,5和7天，多尺度支架细胞形态改变和相互作用；（E）细胞迁移到粗纤维上并覆盖多尺度支架所有纤维。

Fig.7 基于协同增强效应，包裹GelMA水凝胶的支架3D细胞培养。（A）BMSCs种植和培养示意图；（B）第一天BMSCs活死染色荧光图表明其圆形形态；（C）第七天细胞骨架图表明其伸展；（D）细胞荧光骨架染色图表明BMSCs迁移至细丝上。

SEM，共聚焦和力学测试等相关测试及评价均在苏州智能制造研究院测试中心进行。研究工作获得了国家自然科学基金、国家自然科学基金创新研究小组基金与中国博后科学基金的资助，特此表示感谢。

7月27日消息，纽约大学阿布扎比分校高级微流体和微设备实验室 (AMMLab) 的一组研究人员开发了一种新型原子力显微镜 (AFM) 探针，它们具有真正的三维形状，他们称之为 3DTIP。

AFM 技术使科学家能够以前所未有的精度观察、测量和操作样品，甚至可以应用于微米和纳米级实体。另外，使用单步 3D 打印工艺制造的新 3DTIP 应用领域比硅基探针更广泛。

图片来源：CC0 公共领域

原子力显微镜 (AFM) 是一种通过在表面上扫描物理探针来表征样品的技术，产生令人印象深刻的分辨率，比光学显微镜所能达到的分辨率高 1,000 倍。AFM 是包括生物医学科学在内的许多学科的基本仪器，其应用范围从表征活细菌和哺乳动物细胞、分析 DNA 分子、实时研究蛋白质以及对分子成像直至亚原子分辨率。

AFM探针由一个末端带有微型尖端的微型悬臂梁组成，是该技术的核心。它通过吸引力和排斥力来感知和感受样品表面，就像我们使用指尖一样，但分辨率低至原子水平。商用 AFM 探针由硅制成，使用微电子行业中典型的传统半导体制造工艺，受到二维设计和冗长的生产步骤的限制。这些当前最先进的探头是刚性的、易碎的，并且只能以某些形状提供。它们不适合探测哺乳动物细胞等软物质。

在发表在Advanced Science杂志上的论文中，研究人员展示了他们用于生产基于双光子聚合 3D 打印的下一代 AFM 探针的专有技术。由此产生的 3DTIP 比基于硅的对应物更柔软，这使得它们更适合 AFM 应用，这些应用涉及与细胞、蛋白质和 DNA 分子的更温和的相互作用。重要的是，3DTIP 的材料特性使其能够实现比类似尺寸的普通硅探针快 100 倍以上的扫描速度。因此，3DTIP 可能会为获取实时捕获蛋白质、DNA 甚至更小分子的生物活性的视频打开大门。

“我们为下一代 AFM 探针开发了一种新技术，采用新材料、改进的设计和生产工艺、新颖的 3D 形状和定制原型，以实现以应用为中心的 AFM 探针的无缝生产周期，”该项目的负责人，纽约大学机械工程和生物工程副教授 Mohammad Qasaimeh 说：“只需一步即可生成具有创新 3D 设计的定制 AFM 探针，这提供了无限的多学科研究机会。”

“我们的 3DTIP 能够使用常见的 AFM 模式以及在空气和液体环境下获得高分辨率、高速 AFM 成像，”该研究的第一作者 AMMLab 和博士后助理 Ayoub Glia 说：“通过聚焦离子束蚀刻和碳纳米管内含物对 3DTIP 的尖端进行精炼，大大扩展了它们在高分辨率 AFM 成像中的功能，达到埃级。”

该研究的作者希望 3DTIP 的多功能功能可以将下一代 AFM 尖端带入常规和高级 AFM 应用，并扩大高速 AFM 成像和生物力测量的领域。

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