ניתוח ספציפי של חומרים שאינם מתאימים ביולוגית עבור יישומים הנדסיים רפואיים

ניתוח ספקטרוסקופי הפך הכרחי בפיתוח, אופי, ובטיחות איכות של חומרים לא תואמים ביולוגית להנדסה רפואית.חומרים אלה - כולל פולימרים, קרמיקה, מתכות, ומדורגים - חייבים לעמוד בסטנדרטים קפדניים לבטיחות, עמידות וביצועים בתוך הגוף האנושי.על ידי יישום חבילה של טכניקות ספקטרום, חוקרים להשיג מידע מולקולרי ואטומי כי עיצוב חומר, שינוי פני השטח, וביצועים בתוך הגוף האנושי.

טכניקות ספציפיות ל-Bio-tology

Spectroscopy כוללת מגוון של טכניקות אשר חוקרות אינטראקציות בין קרינה אלקטרומגנטית לבין החומר.כל טכניקה מציעה תובנות ייחודיות במבנה כימי, אג"ח, הרכב ותכונות פיזיות.השיטות הבאות מועסקות בדרך כלל במחקר חומרים לא תואמים ביולוגית.

Infrared (IR) Spectroscopy

Infrared spectroscopy מודד את הקליטה של קרינה אינפרא אדום, גרימת רטטים מולקולריים.זה יעיל במיוחד זיהוי קבוצות פונקציונליות כגון פחמן (C=O), hydroxyl (O-H), ו amide (N-H) אג"ח כפול-טרנספורציה (IR) spectroscopy הכולל הוא הגרסאות הסטנדרטיות המשמשות במעבדות ביומטרידות.

ראומן Spectroscopy

(Raman spectroscopy מספק מידע רטט משלימים על ידי מדידה פיזור inela של אור מונוכרומטי. היתרונות שלה כוללים מאוד פתרון מרחבי גבוה (הקדמה לרמות תת-מיקרוניים), התערבות במים רשלנית, ויכולת לנתח דגימות ב situ.זה הופך את Raman אידיאלי עבור בדיקת ביו-חומרים חלופיים, כגון הידרוג'ל עבור רקמות, שימוש ב-Raman כדי להעריך דגימות כימיות (F) במיקרוסקופיות (למשל, לדוגמה, חומרים כימיים).

אולטרה סגול-Visible (UV-Vis) Spectroscopy

UV-Vis spectroscopy לפקח על מעברים אלקטרוניים במולקולות, בדרך כלל בין 200 ל-800 nm. ביו-חומרים, זה משמש כדי לכמת את ריכוז של מולקולות ביואקטיביות (למשל, גורמי צמיחה שפורסמו מפסלים), קינאנטים מחקר על ידי מדידה של ירידה על ידי חומרים לא יעילים, והערכה אופטית בחומרים עבור שתלים ⁇ .

Mass Spectrometry (MS)

ספקטרום Mass spectrometry קובע משקל מולקולרי, מזהה מינים כימיים, ומספק מידע רצף מבני.עבור חומרים שאינם עולים בקנה מידה ביולוגי, matrix-sted לייזר desorption / ion-of- Flight (MALDI-TOF) MS משמש בדרך כלל לנתח התפלגות משקל מולקולרית ופונקציונליות של קבוצת קצה-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-of-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to-to

X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

למרות שלא רק "אור" ספקטרוסקופיה במובן הנראה לעין, XPS משתמש צילומי רנטגן כדי להזריק פוטו-אלקטרונים מן העליון 1-10 nm של משטח חומר.זה מספק הרכב אלמנטרי כמותי ומידע המדינה הכימי (מצב חמצון, חיבור XPS הוא חיוני להערכת שינויים פני השטח, כגון טיפול פלזמה כדי להגביר את יכולת הרט ואת רמת הדבקת תאים ( ⁇ ) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

חידוש מגנטי גרעיני (NMR) Spectroscopy

פתרון המדינה ו- מוצק NMR הם חזקים לקביעת מבנה מולקולרי מפורט, דינמיקות, ושינויים תואמים.ב biomaterials, מצב מוצק NMR משמש כדי לחקור שבריריים amorphous ו גבישי בפולימרים, צנטר המקשר בין צפיפות חוצה, ואפיון מגע מימן ב הידרוגלס. לדוגמה, 13C-קוטב קסם מסתובב סינתטי (MA-S) יכול להבחין בין תכונות מכניות של חומרים מכניים או מכניים.

יישומים בהנדסת הרפואה

שילוב של ספקטרוסקופיה לתוך צינור הפיתוח עבור מכשירים רפואיים ושתלים שינה את האופן שבו חומרים מוערכים. להלן הם אזורים מרכזיים שבהם ניתוח ספקטרוסקופי מספק נתונים ניתנים פעולה.

אופי חומרי ובחירת

לפני שכל חומר נכנס לסביבה ביולוגית, ההרכב הכימי שלה חייב להיות מאומת נגד מפרטים.טכניקות ספציפיותסקופיות לספק זיהוי מהיר ואמינה של פולימרים, מתכות וקרמיקה.לדוגמה, ספקטרום של ראמן משמשים בקרת איכות נכנסת כדי לאשר כי אצווה של צינורות פוליאורתטן פוגש את המבנה הכימי הנדרש, למנוע שימוש בחומרים לא נכונים או מזוהמים.

הערכה של כימיה ושינוי

פני השטח של שתל או חומר מתכתיבים את התגובה המארחת.טכניקות כגון XPS, ToF-SIMS, ו- ATR-FTIR מועסקים כדי להעריך את ההצלחה של ציפויי פני השטח, פונקציונליזציה (למשל, משיכת קולגן או heparin), ו- sterilization אפקטים. A מחקר ב-FLT:0BiosalsLTF:122) משמש ניתוח אנטי-oficial של חנקן מוצלח של חומרים אלה עם חומרים אלה כדי לאשר את ההשפעות נוגדות של חנקן יעיל.

מחקרים על הצלחה ולימודים

חומרים בעלי התאמות ביולוגיות נועדו לעתים קרובות להתפוגג עם הזמן (למשל, משקעים, אספקת תרופות) או להישאר יציב (למשל, החלפת hip) צגים ספקטרוסקופיה (נתיבים של השפלה שאינם הרסניים באופן הרסני. Raman ו FT לעקוב אחר הופעת קבוצות קצה חומציות קרוקסילי כמו הידרוזה UVs hydrozecopy-Visifies מוקדם של נוזל חשמלי זה מזהה סימנים מתכתי של דלקת מפרקים קבוע.

שחרור סמים ומדיקות

מכשירים רפואיים רבים משלבים סמים – כגון מלט העצם אנטיביוטיקה או ממריצים סמים - כדי לשפר את התוצאות הקליניות. Spectroscopicמיפוי (Raman, ToF-SIMS) מדמיינת הפצה של תרופות על פני ציפוי או ממטריקס.FLT:0 in vitroFLT:1 מחקרים להשתמש ב-UV-Vis או LC-MS כדי למדוד פרופיל תרופות, אפילו לא סגסוגת פולינזילה, אפילו לא הוכח מיקרו-דלקתיות.

בקרת איכות ובאטץ' קונסיסטנסי

גופים רגולטוריים כמו ה- FDA דורשים ייצור עקבי של חומרים רפואיים.טכניקות ספקטרוסקופיות משולבים בזרימות עבודה איכות שליטה בגלל המהירות שלהם ולא הטבע הלא הרסני שלהם. ליד- infrared (NIR) spectroscopy, שיטה פחות נפוצה אך חזקה, יכול לחזות במהירות תכונות מפתח כגון תוכן, רמות מונומר חי, משקל פולימרי כאשר הוא מותאם עם התייחסות נתונים מתאימים במיוחד.

תמיכה ב- Biocompatibility Testing Support

Spectroscopy מסייע להפגין ביו-תחרותיות על ידי מתן ראיות כימיות כי שאריות רעילות או על ידי מוצרים הם מתחת לגבולות מקובלים. שיטות ספקטרומטריה ההמוני להשיג רגישות של כמה מיליוני חלקים עבור תמציתיות ו- leachables. ASTM F1876 סטנדרטי מזכיר במפורש ניתוח ספקטרוסקופי עבור אפיון כימיה של נתונים מ-S או F-FSI תומך גם את חוסר של שמן סיליקון (acetextscopic) או סיליקון).

היתרונות של ניתוח ספקטרוסקופי במחקר ביו-חומרים

אימוץ נרחב של ספקטרוסקופיה בהנדסה רפואית נובע ממספר יתרונות שונים על פני הציטוטים הכימיים המסורתיים והבדיקות המכניות.

(FLT:0) נזק בלתי-מרסני או מינימלי: ההרחבה 1 (FTIR, Raman, UV-Vis, NIR) ניתן לבצע על דגימות אשר ישמשו מאוחר יותר בניסויים ביולוגיים או מחקרים של השתלה, שמירה על חומרים יקרים.
(FLT:0) מפרט כימי גבוה: FLT:1 Spectroscopy מספק טביעות אצבע מולקולרית שיכולה להבחין תרכובות קשורות הדוק, לזהות את המומרים, לזהות זיהומים עקבות כי ייתכן שלא ניתן לחשוף על ידי ניתוח אלמנטרי.
(FLT:0) רזולוציה של רזולוציה: 1. Confocal Raman ו- IR מיקרוסקופים יכולים לייצר מפות כימיות עם פתרון מרחבי ברמה מיקרומטרה או אפילו תת-מיקרומטרה, המאפשר הדמיה של מבנים דומיין, שלב הפרדה וחזיתות השפלה.
(ב) ניתן לשלב את המעקב בזמן אמת: 1FLT:1; ניתן לשלב בדיקות ספקטרום רבות (FLT:2in vitroph 3) כדי לפקח על ההידרדרות או שחרור התרופה באופן קבוע, מתן נתונים קינטיים כי מדידות נקודת קצה לא יכול ללכוד.
(FLT:0) יכולות ניהוליות:FLT:1אנדרה עם משקל מתאים, ספקטרום ספקטרוסקופי אינטנסיביות מתאמים ישירות עם ריכוז של קבוצות פונקציונליות, גבישיות או משקל מולקולרי, המאפשרת ציון אובייקטיבי על פני מעבדות.
(FLT:0) קבלת אישור: FLT:1 נתונים ספקטרוסקופיים נכללים באופן שגרתי בהגשתים רגולטוריים למכשירים רפואיים כחלק מאפיון חומרי וחבילות אימות.

מחקרים: Spectroscopy in Action

Polymer Scaffolds for Bone Regeneration

בפיתוח של פוליcaprolactone (PCL) חלקיקים עבור הנדסת רקמות העצם, החוקרים השתמשו בשילוב של FTIR ו Raman כדי לאמת כי הידרוקסיפטייט nanoparticles מפוזרים באופן אחיד לאורך כל ממטריקס פולימר. FTIR זיהה את שיאי פוספט משופרים ב - 1030 ס"מ -1, לאשר נוכחות מיפוי נוסף גילה כי חלקיקים nanopua היו מיועדים ב-Frutation tcontation in the RUSitation in the RUSigation in the RUSD.

הערכת יכולת ההשתלות של סיליקון

שתלים השדיים של הסיליקון צפויים להימשך שנים רבות ללא השפלה.שימוש ב-ATR-FTIR, החוקרים חקרו את השינויים הכימיים בדגימות פגז הסיליקון שנכללו לאחר השתלת זמן ארוכה.הם הבחינו בשינויים בסי-O-Si ו- Si-CH3 פסגות רטט, תוך מתן oxidation משטח וראיות ספקטרום הידרוליטיות.

איכות של תרופות-לייטנטים

יצרנים סטטיים מעסיקים את Raman microscopy כדי לבדוק את ההפצה של איאולימוס בפולי דק (וינילidene fluoride-co-hexafluoropropylene) ציפוי. Raman מגיע ייחודי אי-פעם להופיע ב 1650 ס"מ - 1 (amide I) ו 1000 ס"מ - 1 (טבעת אירובית) ממפה על פני העוקץ הממריץ מראה אם ריכוז התרופה הוא אחיד והאם יש צורך בציפוי או מומים חמים זה מבטיח כי הם חשוף את האזורים חשוף, או חשוף, או חשוף, או פגום, או חשוף, זה יהיה פגום, זה יהיה חשוף, זה יהיה פגום.

טכניקות מתפתחות וכיוונים עתידיים

ניתוח ספקטרוסקופי ממשיך להתפתח, פתיחת אפשרויות חדשות למחקר חומרים לא תואמים ביולוגית.

Surface-enhanced Raman Spectroscopy (SERS)

SERS מגבירים את אות ראמן על ידי פקודות של גודל באמצעות nanostructures מתכתי, המאפשר זיהוי של פרסומות בריכוזים נמוכים מאוד.ב biomaterials, SERS יכולים לזהות כמויות דקות של סמנים ביולוגיים דלקתיים שפורסמו על ידי תאים במגע עם חומר, המאפשר הערכה בזמן אמת של התגובה החיסונית המוקדמת. קבוצות מחקר לפתח חיישנים SERS-אקטיביים מותשים כי לפקח על pH מקומי, גלוקוז, או ללא תווית חיצונית.

המונחים: Hyperspectral Imaging

מצלמות Hyperspectral ללכוד ספקטרום מלא בכל פיקסל, שילוב מידע מרחבי וכימיקלי. עבור הנדסה רפואית, Hyperspectral IR או Raman הדמיה יכול לסרוק במהירות משטחים שלמים של שתלים כדי לזהות אנomalies כימיות, וריאציות עובי, או חלקיקים contaminant.טכניקה זו היא מציאת יישומים באבטחת איכות עבור biomaterials מודפס 3D, שבו הומוגניות כימי שכבתית חייב להיות מאומת.

ב-Vvo Spectroscopy

התקדמות בבדיקות סיבים אופטיים ו-Miniaturized spectroscopic מדידות ישירות ברקמות חיים.לדוגמה, ראמן וחוקרים קצרי-המוח משמשים כדי לפקח על ההשפלה של שתלים ביו-בעוריים בעלי חיים קטנים ללא הקרבה שלהם.

אינטגרציה למידת מכונות

נפח הנתונים המיוצר על ידי מכשירים מודרניים ספקטרוסקופיים (היסטריה מפות, ספקטרום זמן-resolved spectra) מתפרש יותר ויותר באמצעות אלגוריתמי למידת מכונה.רשתות נילי יכולות לסווג ביו-חומרים על ידי טביעת האצבע המרכזית שלהם, לחזות את שיעורי ההשפלה מ- IR spectra ראשונית, או לזהות contaminants באופן אוטומטי.מגמה זו תזרז את התרגום של ניתוח ספקטרום של speccopicscopic ממעבדות מחקר אמיתי, כדי לשלוט על ידי תהליכים מקוונים.

שילוב טכניקות ספקטרום מרובות על פלטפורמה אחת - למשל, הדמיה IR ו Raman, או XPS יחד עם ספקטרומטריה המונית - מספק תמונה מלאה יותר של כימיה חומרית.מערכות כאלה הופכות זמינות מסחרית והם כבר בשימוש כדי לקשור מצב כימי משטח (XPS) עם מבנה מולקולרי (Raman) ללא העברת דגימות בין, ביטול שגיאות נתונים.

מסקנה

ניתוח ספקטרוסקופי התבגר לכלי חיוני עבור העיצוב, הערכה, ובקרת איכות של חומרים בעלי ערך ביולוגית בהנדסה רפואית.מזיהוי הבסיסי של קבוצות פונקציונליות באמצעות FTIR לכימיה על פני השטח ברמה גבוהה שנחשף על ידי XPS ו-ToF-SIMS, כל טכניקה תורמת מידע ייחודי וחיוני יותר.כפי שהשדה עובר לעבר חומרים מורכבים יותר - הידרו-שיטות הידרו-אלקטרוניקה, ואפקטיביות יותר, אשר יהיו יותר, ומעבדים יעילים יותר, ומעבדים, אשר יהיו יותר, ומעבדים יותר, ומעבדים יעילים יותר, והופכים את התהליכים האלה, ורק יותר, אשר יהיו יעילים יותר, והופכים את התהליכים האלה, אשר יהיו יעילים יותר, אשר יהיו יעילים יותר, אשר יהיו יותר, כמו גם יותר, והופכים את התהליכים האלה, אשר יהיו יעילים יותר, ומשתנים יותר, ומשתנים יותר, כמו גם יותר, כמו גם יותר, והופכים את התהליכים הרפואיים, ומשתנים, אשר יהיו יעילים יותר, והופכים את שיטות טיפוליים, אשר יהיו יעילים יותר, אשר יהיו יעילים יותר, אשר יהיו יעילים יותר, כמו המאסטרים יותר, אשר יהיו יעילים יותר, אשר יהיו יעילים יותר, כמו גם יותר, אשר יהיו יעילים יותר, כמו המאסטרים יותר, אשר יהיו יעילים יותר, כמו המאסטרים יותר

לקריאה נוספת על טכניקות ספציפיות ויישומים שלהם, שקול את המשאבים הבאים:

המכון הלאומי של ביו-רפואי ו- BioengineeringFLT 1:1 - סקירה של מחקר ביו-חומרים מימון סדרי עדיפויות.
(FLT:0)ASTM InternationaligFLT:1 - סטנדרטים לניתוח ספקטרוסקופי של חומרים (למשל, E168, E2381, F1876).
(ב) ⁇ :0) ⁇ (ב[[1924]]) ,[[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]
(ב) [15] [17] ,ב"ב"ד:2 ,2 ,"בכתב העת "Fishph 3:" מפרסם באופן קבוע מאמרים באמצעות ספקטרום ביישומים חומריים רפואיים.