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Femto Science等离子清洗机在生物医学中的应用

 发布时间:2021-03-26 点击量:346

   有效的生物和生物医学研究需要对细胞微环境和生物材料特性的特殊控制。等离子体处理系统通过引入官能团对生物材料表面进行清洁、消毒和活化,而不影响其体积。材料表面亲水性或疏水性的增加分别增加细胞的粘附、覆盖和增殖或诱导球体的形成。此外,等离子体处理已被证明可以改善生物相容性和许多应用的抗生物污染特性。因此,等离子体处理被广泛应用于细胞接种、蛋白质吸附、生物材料涂层和植入物表面活化。

 

Femto Science Plasma→应用→生物医学→免疫分析发展

Femto Science等离子清洗机用于免疫分析开发,以提高设备灵敏度,并实现微流控设备制造。等离子清洗氧化材料表面,引入反应性极性官能团。通过增加固有疏水性材料的亲水性,等离子体清洗可以增强抗原或抗体的固定化[1]。因此,可以将更多的抗原或抗体装载到材料表面,从而提高设备灵敏度[4]。此外,增加表面润湿性可防止设备内形成气穴,使样品和免疫分析受体之间有更多接触[1]。用于提高仪器灵敏度的免疫分析材料包括PDMS、玻璃毛细管、聚苯乙烯纤维和棉纤维。

 

Femto Science Plasma  →应用→生物医学→荧光显微镜样品

等离子体去除有机污染,并将极性基团引入玻璃或石英滑动表面。因此,等离子体会去除荧光杂质,否则会出现混杂伪影。此外,等离子体处理增强了表面涂层的沉积,可用于将单个分子拴在滑动表面上。牛血清白蛋白(BSA)或聚乙二醇(PEG)通常用于在血浆处理后进行单分子研究。注意,等离子体清洗可以去除荧光显微镜中可能导致背景荧光的有机和生物污染物。空气或氧气等离子清洗无法去除有助于背景荧光的无机成分。

 

Femto Science Plasma →应用→器件制造→芯片上的器官             

等离子处理制成的芯片上器官模型,复制了关键的组织结构、功能和其他生理特征,以更好地探索药物释放、毒理学和疾病在体外的进展。在医学研究中,体内试验往往是不切实际的,动物试验在鉴别有效药物或有毒物质方面可能是无效的。芯片上器官模型提供了一些优势,包括动态机械环境、空间-时间化学梯度、活细胞成像以及从患者来源的诱导多能干细胞(IPSCs)创造组织的潜力。因此,研究人员对药物测试实验有了更多的控制,并有了更多的分析工具。 等离子体处理和改进的微加工技术更容易促进芯片上器官模型的发展。等离子体清洗将反应性官能团引入PDMS器件表面,实现了水密共价键合和亲水性微通道。此外,等离子体处理的PDMS表面具有改善的润湿性,这有利于细胞的吸附,并且有利于细胞的存活、增殖和功能。

使用Femto Science等离子清洁器开发的芯片上器官模型示例:              

芯片上牙齿——探索生物材料对活牙髓细胞形态、代谢和功能影响的模型[1]   在气液界面培养的Lung-on-a-chip-Calu-3细胞[2]芯片上肌肉-通过神经肌肉接头(NMJ)与骨骼肌相互作用的运动神经元[3]用维拉帕米(一种已知的变时性药物)治疗芯片心脏-iPSC衍生的心肌细胞,并进行毒理学分析[4]芯片创伤-模仿早期炎症的旁分泌成分[5]     芯片上的膜–人宫内腔、羊膜上皮细胞(AEC)和羊膜间充质细胞(AMC)的羊膜模型[6]  芯片上的肝脏——研究乳腺癌和肝脏(患病与否)之间粒子的动态和空间传输[7]     芯片上肿瘤-验证载药纳米颗粒对大肠肿瘤的疗效[8] 

Femto Science Plasma→应用→生物学和生物医学→钛植入物              

在牙科和骨科植入物的研究中,等离子处理被用于调整钛和钛合金的表面特性,以改善骨整合。钛具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和力学性能,是一种广泛应用的植入生物材料。然而,由于未经处理的钛具有生物惰性,它不能与周围的骨组织形成化学键,从而降低其融入人体的能力。细胞的粘附和增殖受到材料表面性质的强烈影响,包括表面形貌、自由能和润湿性。等离子体处理去除了表面的有机污染,引入了极性官能团,增加了表面自由能和润湿性。结果表明,等离子治疗钛棒具有较高的生化拔出力,组织学检查中骨整合完整。              

另外,钛种植体的生物功能化可以通过引入表面涂层来实现,从而进一步增强骨整合。例如,聚(丙烯酸)(PAA)刷已经被移植到钛植入物上以改善细胞粘附。首先,当PGMA环氧基与功能化表面反应形成醚键时,PGMA层共价键合到等离子体处理的钛上。PAA随后被移植到PGMA层,形成具有Z佳细胞和组织反应的刷状表面。

Femto Science Plasma→应用→生物学和生物医学→细胞粘附              

 

细胞粘附在细胞培养和组织工程中起着不可或缺的作用。在自然环境中,细胞粘附分子(cell adhesion moleculescam)与细胞外基质和邻近细胞结合,为细胞活力、增殖和分化提供结构支持和化学信号。然而,大多数细胞培养材料是惰性的,阻碍了细胞的锚定。等离子体处理将生物活性、亲水性官能团引入细胞培养材料,提高细胞粘附力和细胞活力。

下面你会发现关于不同细胞培养材料的细胞粘附的信息,以及如何使用等离子体处理来增强生物相容性。细胞培养材料影响靶细胞的增殖能力和功能。这些材料提供了决定细胞形态和分化的高度特异的化学和机械线索。Z常见的是,细胞培养在等离子体处理聚苯乙烯(组织培养塑料)。虽然TCP能使细胞快速生长和发育,但扁平的细胞形态会对细胞功能产生负面影响,甚至迫使细胞通过非预期的分化途径(例如:神经元形态与胶质细胞)。最近,三维细胞培养材料已经被用来在人工构造中再现自然环境。聚合物细胞支架因其与细胞外基质相似、成本低、化学性质惰性、无毒等优点而被广泛应用。许多聚合物支架是可生物降解的或有其他有趣的特点,有助于他们在这些应用的成功。然而,所有这些材料都是疏水的,对细胞粘附有害。              

等离子体处理是开发具有高细胞粘附性和亲水性的生物活性细胞培养材料的重要手段。空气或氧气等离子体通常用于纳米级清洁和引入具有高生物亲和力的官能团(羧基、羟基、胺)。由于没有危险或长时间的湿化学过程,台式等离子清洁器可以在实验室制造出适合细胞播种或涂层的亲水表面。因此,研究人员能够更快更容易地操纵细胞支架的化学性质。这包括引入细胞外基质成分,如纤维连接蛋白,可以进一步增强细胞功能。

聚己内酯(PCL)由于其与天然ECM的相似性和长期无毒的生物降解速率,常被用作细胞支架。PCL有着良好的临床记录,并在一些现有的医疗器械中获得了FDA的批准。等离子体处理通常用于直接增加细胞的附着,或制备PCL基底用于表面涂层以提高细胞活性。目前,PCL支架的研究主要集中在骨和软骨的形成上。              

细胞和组织:内皮,上皮,骨,脂肪,肾,神经元,皮肤,肝,软骨,前交叉韧带,心脏瓣膜,前列腺,平滑肌,肿瘤模型              

工艺气体:空气、氧气、氩气、氮气、二氧化碳              

Femto Science Plasma→应用→生物学和生物医学→DNA梳理             


 DNA梳理是一种用于DNA单分子分析的技术,它为研究人员提供了一个更好地理解复制、转录和单个分子相互作用动力学的机会。虽然DNA测序技术的进步迅速增强了我们解码基因组的能力,但单凭DNA序列并不能完全解释细胞特定的蛋白质组。类似地,整体分析,即在大的群体中平均DNA特征,不能解决单个DNA分子之间的本质差异。为了实现单分子分析,高密度的DNA层被固定并均匀拉伸。通过DNA梳理,可以使用各种荧光成像技术分析高达12MbDNA PIAN段。              

DNA梳理的等离子体处理              

DNA梳理包括固定化、排列和拉伸三个关键步骤,每一个步骤都通过等离子体处理得到增强。等离子体处理去除了纳米级的有机污染物,并在材料表面引入了极性官能团。等离子体处理引入的羟基与硅烷上的烷氧基反应,形成强共价键。反过来,DNA分子在溶液中结合硅烷的乙烯基(-CH=CH2)。因此,表面羟基的有效性直接影响固定在材料表面的DNA分子的密度。此外,键的强度使DNA能够拉伸。              

血浆VS食人鱼              

Z常见的替代等离子体处理DNA梳理的方法是食人鱼清洗,这一过程增加了复杂性和安全隐患。食人鱼是一种硫酸和过氧化氢的混合物,也用于清除基质上的有机残留物,并提供羟基化表面。由于食人鱼固有的危险性,它的使用往往局限于洁净室和训练有素的专业人员。此外,台式等离子清洗机比化学处理更通用,使研究人员能够在处理后快速硅烷化其基质。这可能导致更密集的硅烷层适合DNA梳理。

 

Femto Science Plasma→应用→改变表面化学→组织培养塑料(聚苯乙烯)    


廉价,一次性和透明,等离子体处理聚苯乙烯,或组织培养塑料(
TCP),是Z广泛使用的细胞培养材料,不仅因为它的上述品质,而且因为它的生物亲和力。哺乳动物细胞具有锚定依赖性,依赖于它们与其他细胞、细胞外基质(ECM)和/或物质基质的连接来控制重要功能,如细胞内和细胞外通讯、凋亡(细胞程序性死亡)、形态、功能和分化。跨膜蛋白、整合素和细胞粘附分子(CAM)锚定在周围环境中,并通过细胞骨架发送信号,驱动这些过程[1]。为了在组织培养中产生功能和形态上J确的细胞群,平台必须模拟产生特定细胞类型的生物环境。未经处理的聚苯乙烯表面主要由疏水性苯基组成,不存在于体内,不利于细胞锚定。等离子体处理用亲水性羰基、羟基或含胺官能团(取决于工艺气体)取代这些苯基,这些官能团更适合细胞粘附[2]。此外,带负电(空气或氧气)和亲水性的组织培养塑料表面增加了细胞培养基成分的非特异性吸附,并使随后的涂层进一步促进细胞粘附。                        

Femto Science Plasma→应用→改变表面化学→APTES  

3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)是一种氨基硅烷,最初是作为亲和层析的吸附剂开发的,现已发展成为细胞研究和微流控器件制造中改善表面化学的通用工具。在等离子清洗之后,处理过的材料的表面具有高的自由能,没有污染物,并且被亲水性官能团修饰。在很长一段时间内,这种高能状态会随着分子的重新排列而减弱,重新回到主体中,并最终呈现出较低的能量结构。随后用APTE处理交换亲水性、胺携带分子的表面官能团。这使得长期的研究,其中表面亲水性的处理材料是保持。 APTES表面功能化的两个主要应用是热塑性微流控器件的制备和适合细胞研究的微环境的开发。聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚苯乙烯(PS)等热塑性塑料是微流控器件的理想材料,因为它们可以通过热成型以高速度和低成本生产。在等离子体清洗和APTES处理后,热塑性塑料被粘合到PDMS上。这些微流控器件保持其亲水性多年。在细胞研究中,APTES是一个基本的表面基团,可以用来引入必要的细胞外基质成分,如胶原蛋白、戊二醛和细胞特异性蛋白质。

 

 

Femto Science Plasma→应用→生物学和生物医学→微流控细胞培养   

      

微流控设备正迅速成为比宏观培养容器(培养皿、烧瓶和孔板)更为有利的细胞培养平台,有着广泛的应用前景。二维细胞培养得益于一个庞大的资源库:测量pHCO2O2等的标准协议、材料和方法。然而,已经观察到,生长在平坦平台上的细胞在形态、表型和细胞-细胞/细胞外基质(ECM)相互作用方面与它们的生物对应物有显著差异。从这些培养平台得到的结果可能与真实的生物系统有很大的不同,这使得一些结果不适用。 相比之下,微流控设备可以通过定制生长因子、机械和化学刺激等来模拟生理或病理微环境,以匹配正在培养的特定细胞群。此外,这些设备需要较少的细胞和试剂。因此,微流控技术在组织工程、干细胞研究、药物筛选等领域有着广泛的应用。

 

Femto Science Plasma→应用→生物学与生物医学→神经元形态与功能 

神经元的形态、增殖和功能受一个复杂的化学和生物物理信号系统的调节,这个系统被称为神经元生态位。试图模拟神经元活动、开发功能性组织或测试药物传递机制的研究人员需要重现这种高度特定的环境,以获得准确的结果。过去,神经学研究是在二维环境中进行的,这种环境通过诱导扁平的形态、功能减弱和胶质细胞分化的趋势来限制电位。目前,研究人员正在利用定制的PDMS结构来产生具有神经元特定几何形状和化学信号的微环境。例如,在等离子体处理后用聚鸟氨酸和层粘连蛋白对PDMS表面进行功能化,使研究人员能够构建复杂的、单向的神经元网络。等离子体处理使材料表面的功能化能够Z佳地模拟神经元生态位。