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        衰減全反射紅外成像研究聚乳酸/生物活性玻璃復(fù)合材料的體外礦化過程

        2014-03-04 21:30:59王倩姜小婷辛韻子崔俊先張普敦
        分析化學(xué) 2014年2期

        王倩 姜小婷 辛韻子 崔俊先 張普敦

        摘 要 采用衰減全反射紅外成像技術(shù)(ATRFTIR mapping)對(duì)多孔聚乳酸/生物活性玻璃(PLLA/BG)復(fù)合材料在PBS緩沖液中的礦化過程進(jìn)行了研究。光譜分辨率為8 cm

        Symbolm@@ 1,累加掃描8次,基于A1044/A1755的吸光度比值生成紅外圖像。成像結(jié)果表明,隨著礦化進(jìn)行,材料表面產(chǎn)生的羥基磷灰石(HA)也逐漸增多,當(dāng)?shù)V化進(jìn)行到84 d后,材料表面大部分已被HA覆蓋。但隨著礦化時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),礦化不均勻性也逐漸加劇。礦化曲線顯示礦化過程存在4個(gè)階段:礦化初期(前21 d),產(chǎn)生的HA很少;礦化增長(zhǎng)期(21~70 d),BG逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠A;快速增長(zhǎng)期(70~91 d),礦化加速,并在91 d時(shí)達(dá)到最大;礦化后期(91 d后),曲線先顯示平穩(wěn)然后又從105 d起出現(xiàn)下降。研究表明, 紅外成像技術(shù)有望成為骨組織工程支架材料的重要研究工具。

        關(guān)鍵詞 紅外成像; 衰減全反射; 聚乳酸; 生物活性玻璃; 體外礦化

        1 引 言

        化學(xué)成像(Chemical imaging)與其它成像方法(如電鏡、熒光顯微鏡等)不同,主要用于觀察樣品微區(qū)域內(nèi)各化學(xué)成分的分布情況。化學(xué)成像技術(shù)包括紅外成像(FTIR imaging)和拉曼成像(Raman imaging),其中紅外成像是近十幾年才發(fā)展起來的新技術(shù),是紅外光譜技術(shù)從“點(diǎn)分析”向“面分析”,甚至“體分析”的重要延伸。紅外成像技術(shù)的分析模式有Mapping、Imaging [1 ]以及衰減全反射(ATR) [2 ]。對(duì)表面不太光滑的樣品,適合采用ATRFTIR mapping方式采集。該技術(shù)自問世以來已在聚合物 [3~6 ]、生命科學(xué) [7,8 ]、醫(yī)藥 [9 ]、考古和文物鑒定 [10 ]以及法醫(yī)學(xué) [11 ]等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

        生物活性玻璃(Bioactive glass,BG)是一種骨組織工程修復(fù)材料 [12 ],是目前唯一能促進(jìn)生長(zhǎng)因子生成、細(xì)胞繁衍、活化細(xì)胞基因表達(dá)的人工合成無機(jī)材料 [13 ]。由于其加工性差,BG通常與一些無毒的天然或合成聚合物復(fù)合制成高孔隙率的多孔支架。多孔結(jié)構(gòu)有利于骨組織培養(yǎng)中的細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖以及細(xì)胞外基質(zhì)的沉積、營養(yǎng)物和氧氣的進(jìn)入,代謝產(chǎn)物的排出,血管和神經(jīng)的長(zhǎng)入等 [14 ]。當(dāng)聚合物/BG復(fù)合物支架植入體內(nèi)時(shí),BG會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石(HA),并與骨形成緊密連接,同時(shí)聚合物逐漸降解。由于活體操作復(fù)雜,在仿生條件下進(jìn)行體外礦化研究是最常用的研究手段 [15 ],體外研究結(jié)果可對(duì)材料在體內(nèi)的活性進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。

        目前,對(duì)礦化過程的主要研究方法有掃描電鏡、X射線能譜、X射線衍射以及紅外光譜法等 [16 ],這些方法僅能研究形貌、元素組成、總成分或總結(jié)晶狀態(tài)的變化,無法表征微區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分的改變。本研究采用ATRFTIR mapping對(duì)礦化不同天數(shù)的聚乳酸/生物活性玻璃(PLLA/BG)支架材料表面進(jìn)行紅外成像,研究了復(fù)合材料在體外礦化過程中的化學(xué)組分變化情況,并結(jié)合掃描電鏡對(duì)礦化過程的材料形貌變化進(jìn)行了觀察。 2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 儀器、材料與試劑

        Nexus 8700/Continuμm XL紅外成像系統(tǒng)(美國Thermo Fisher公司),S4700冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM,日本Hitachi公司),DK420S三用恒溫水箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。生物活性玻璃(美國NovaMin生物公司);左旋聚乳酸(PLLA, η=1.22, Mw≈121000,濟(jì)南岱罡生物材料有限公司);二氧六環(huán)、乙醇、AgNO3等試劑均為分析純。

        2.2 PLLA/BG多孔復(fù)合材料的制備及體外礦化

        采用溶劑澆鑄鹽瀝析法制備支架復(fù)合材料 [17 ]。簡(jiǎn)述如下:在室溫下將3 g PLLA溶于30 mL二氧六環(huán),并將3 g BG超聲分散于相同體積的二氧六環(huán)中;將兩種溶液混合,攪拌均勻;將已篩好的致孔劑NaCl細(xì)粉(80~100目)加入混合液中,繼續(xù)攪拌30 min;將混合液澆鑄在培養(yǎng)皿中至一定厚度,在自然條件下干燥24 h;將干燥樣片浸泡在去離子水中除去NaCl,每12 h換一次水,直至浸泡液中無殘留ClSymbolm@@ (用0.1 mol/L AgNO3溶液檢驗(yàn));真空干燥48 h,即得到PLLA/BG多孔復(fù)合材料。

        將制得的復(fù)合材料放入盛有250 mL PBS緩沖溶液(pH=7.4)的燒杯中,燒杯置于37 ℃的恒溫水浴箱進(jìn)行礦化。每7天取出一部分樣品,浸泡在去離子水中除去殘留PBS,然后用濾紙除去表面水分,并于45 ℃下真空干燥24 h后備用。PBS緩沖液也同時(shí)每隔7天更換一次。

        摘 要 采用衰減全反射紅外成像技術(shù)(ATRFTIR mapping)對(duì)多孔聚乳酸/生物活性玻璃(PLLA/BG)復(fù)合材料在PBS緩沖液中的礦化過程進(jìn)行了研究。光譜分辨率為8 cm

        Symbolm@@ 1,累加掃描8次,基于A1044/A1755的吸光度比值生成紅外圖像。成像結(jié)果表明,隨著礦化進(jìn)行,材料表面產(chǎn)生的羥基磷灰石(HA)也逐漸增多,當(dāng)?shù)V化進(jìn)行到84 d后,材料表面大部分已被HA覆蓋。但隨著礦化時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),礦化不均勻性也逐漸加劇。礦化曲線顯示礦化過程存在4個(gè)階段:礦化初期(前21 d),產(chǎn)生的HA很少;礦化增長(zhǎng)期(21~70 d),BG逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠A;快速增長(zhǎng)期(70~91 d),礦化加速,并在91 d時(shí)達(dá)到最大;礦化后期(91 d后),曲線先顯示平穩(wěn)然后又從105 d起出現(xiàn)下降。研究表明, 紅外成像技術(shù)有望成為骨組織工程支架材料的重要研究工具。

        關(guān)鍵詞 紅外成像; 衰減全反射; 聚乳酸; 生物活性玻璃; 體外礦化

        1 引 言

        化學(xué)成像(Chemical imaging)與其它成像方法(如電鏡、熒光顯微鏡等)不同,主要用于觀察樣品微區(qū)域內(nèi)各化學(xué)成分的分布情況。化學(xué)成像技術(shù)包括紅外成像(FTIR imaging)和拉曼成像(Raman imaging),其中紅外成像是近十幾年才發(fā)展起來的新技術(shù),是紅外光譜技術(shù)從“點(diǎn)分析”向“面分析”,甚至“體分析”的重要延伸。紅外成像技術(shù)的分析模式有Mapping、Imaging [1 ]以及衰減全反射(ATR) [2 ]。對(duì)表面不太光滑的樣品,適合采用ATRFTIR mapping方式采集。該技術(shù)自問世以來已在聚合物 [3~6 ]、生命科學(xué) [7,8 ]、醫(yī)藥 [9 ]、考古和文物鑒定 [10 ]以及法醫(yī)學(xué) [11 ]等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

        生物活性玻璃(Bioactive glass,BG)是一種骨組織工程修復(fù)材料 [12 ],是目前唯一能促進(jìn)生長(zhǎng)因子生成、細(xì)胞繁衍、活化細(xì)胞基因表達(dá)的人工合成無機(jī)材料 [13 ]。由于其加工性差,BG通常與一些無毒的天然或合成聚合物復(fù)合制成高孔隙率的多孔支架。多孔結(jié)構(gòu)有利于骨組織培養(yǎng)中的細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖以及細(xì)胞外基質(zhì)的沉積、營養(yǎng)物和氧氣的進(jìn)入,代謝產(chǎn)物的排出,血管和神經(jīng)的長(zhǎng)入等 [14 ]。當(dāng)聚合物/BG復(fù)合物支架植入體內(nèi)時(shí),BG會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石(HA),并與骨形成緊密連接,同時(shí)聚合物逐漸降解。由于活體操作復(fù)雜,在仿生條件下進(jìn)行體外礦化研究是最常用的研究手段 [15 ],體外研究結(jié)果可對(duì)材料在體內(nèi)的活性進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。

        目前,對(duì)礦化過程的主要研究方法有掃描電鏡、X射線能譜、X射線衍射以及紅外光譜法等 [16 ],這些方法僅能研究形貌、元素組成、總成分或總結(jié)晶狀態(tài)的變化,無法表征微區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分的改變。本研究采用ATRFTIR mapping對(duì)礦化不同天數(shù)的聚乳酸/生物活性玻璃(PLLA/BG)支架材料表面進(jìn)行紅外成像,研究了復(fù)合材料在體外礦化過程中的化學(xué)組分變化情況,并結(jié)合掃描電鏡對(duì)礦化過程的材料形貌變化進(jìn)行了觀察。 2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 儀器、材料與試劑

        Nexus 8700/Continuμm XL紅外成像系統(tǒng)(美國Thermo Fisher公司),S4700冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM,日本Hitachi公司),DK420S三用恒溫水箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。生物活性玻璃(美國NovaMin生物公司);左旋聚乳酸(PLLA, η=1.22, Mw≈121000,濟(jì)南岱罡生物材料有限公司);二氧六環(huán)、乙醇、AgNO3等試劑均為分析純。

        2.2 PLLA/BG多孔復(fù)合材料的制備及體外礦化

        采用溶劑澆鑄鹽瀝析法制備支架復(fù)合材料 [17 ]。簡(jiǎn)述如下:在室溫下將3 g PLLA溶于30 mL二氧六環(huán),并將3 g BG超聲分散于相同體積的二氧六環(huán)中;將兩種溶液混合,攪拌均勻;將已篩好的致孔劑NaCl細(xì)粉(80~100目)加入混合液中,繼續(xù)攪拌30 min;將混合液澆鑄在培養(yǎng)皿中至一定厚度,在自然條件下干燥24 h;將干燥樣片浸泡在去離子水中除去NaCl,每12 h換一次水,直至浸泡液中無殘留ClSymbolm@@ (用0.1 mol/L AgNO3溶液檢驗(yàn));真空干燥48 h,即得到PLLA/BG多孔復(fù)合材料。

        將制得的復(fù)合材料放入盛有250 mL PBS緩沖溶液(pH=7.4)的燒杯中,燒杯置于37 ℃的恒溫水浴箱進(jìn)行礦化。每7天取出一部分樣品,浸泡在去離子水中除去殘留PBS,然后用濾紙除去表面水分,并于45 ℃下真空干燥24 h后備用。PBS緩沖液也同時(shí)每隔7天更換一次。

        摘 要 采用衰減全反射紅外成像技術(shù)(ATRFTIR mapping)對(duì)多孔聚乳酸/生物活性玻璃(PLLA/BG)復(fù)合材料在PBS緩沖液中的礦化過程進(jìn)行了研究。光譜分辨率為8 cm

        Symbolm@@ 1,累加掃描8次,基于A1044/A1755的吸光度比值生成紅外圖像。成像結(jié)果表明,隨著礦化進(jìn)行,材料表面產(chǎn)生的羥基磷灰石(HA)也逐漸增多,當(dāng)?shù)V化進(jìn)行到84 d后,材料表面大部分已被HA覆蓋。但隨著礦化時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng),礦化不均勻性也逐漸加劇。礦化曲線顯示礦化過程存在4個(gè)階段:礦化初期(前21 d),產(chǎn)生的HA很少;礦化增長(zhǎng)期(21~70 d),BG逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镠A;快速增長(zhǎng)期(70~91 d),礦化加速,并在91 d時(shí)達(dá)到最大;礦化后期(91 d后),曲線先顯示平穩(wěn)然后又從105 d起出現(xiàn)下降。研究表明, 紅外成像技術(shù)有望成為骨組織工程支架材料的重要研究工具。

        關(guān)鍵詞 紅外成像; 衰減全反射; 聚乳酸; 生物活性玻璃; 體外礦化

        1 引 言

        化學(xué)成像(Chemical imaging)與其它成像方法(如電鏡、熒光顯微鏡等)不同,主要用于觀察樣品微區(qū)域內(nèi)各化學(xué)成分的分布情況。化學(xué)成像技術(shù)包括紅外成像(FTIR imaging)和拉曼成像(Raman imaging),其中紅外成像是近十幾年才發(fā)展起來的新技術(shù),是紅外光譜技術(shù)從“點(diǎn)分析”向“面分析”,甚至“體分析”的重要延伸。紅外成像技術(shù)的分析模式有Mapping、Imaging [1 ]以及衰減全反射(ATR) [2 ]。對(duì)表面不太光滑的樣品,適合采用ATRFTIR mapping方式采集。該技術(shù)自問世以來已在聚合物 [3~6 ]、生命科學(xué) [7,8 ]、醫(yī)藥 [9 ]、考古和文物鑒定 [10 ]以及法醫(yī)學(xué) [11 ]等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

        生物活性玻璃(Bioactive glass,BG)是一種骨組織工程修復(fù)材料 [12 ],是目前唯一能促進(jìn)生長(zhǎng)因子生成、細(xì)胞繁衍、活化細(xì)胞基因表達(dá)的人工合成無機(jī)材料 [13 ]。由于其加工性差,BG通常與一些無毒的天然或合成聚合物復(fù)合制成高孔隙率的多孔支架。多孔結(jié)構(gòu)有利于骨組織培養(yǎng)中的細(xì)胞生長(zhǎng)、增殖以及細(xì)胞外基質(zhì)的沉積、營養(yǎng)物和氧氣的進(jìn)入,代謝產(chǎn)物的排出,血管和神經(jīng)的長(zhǎng)入等 [14 ]。當(dāng)聚合物/BG復(fù)合物支架植入體內(nèi)時(shí),BG會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石(HA),并與骨形成緊密連接,同時(shí)聚合物逐漸降解。由于活體操作復(fù)雜,在仿生條件下進(jìn)行體外礦化研究是最常用的研究手段 [15 ],體外研究結(jié)果可對(duì)材料在體內(nèi)的活性進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。

        目前,對(duì)礦化過程的主要研究方法有掃描電鏡、X射線能譜、X射線衍射以及紅外光譜法等 [16 ],這些方法僅能研究形貌、元素組成、總成分或總結(jié)晶狀態(tài)的變化,無法表征微區(qū)域內(nèi)化學(xué)成分的改變。本研究采用ATRFTIR mapping對(duì)礦化不同天數(shù)的聚乳酸/生物活性玻璃(PLLA/BG)支架材料表面進(jìn)行紅外成像,研究了復(fù)合材料在體外礦化過程中的化學(xué)組分變化情況,并結(jié)合掃描電鏡對(duì)礦化過程的材料形貌變化進(jìn)行了觀察。 2 實(shí)驗(yàn)部分

        2.1 儀器、材料與試劑

        Nexus 8700/Continuμm XL紅外成像系統(tǒng)(美國Thermo Fisher公司),S4700冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM,日本Hitachi公司),DK420S三用恒溫水箱(上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。生物活性玻璃(美國NovaMin生物公司);左旋聚乳酸(PLLA, η=1.22, Mw≈121000,濟(jì)南岱罡生物材料有限公司);二氧六環(huán)、乙醇、AgNO3等試劑均為分析純。

        2.2 PLLA/BG多孔復(fù)合材料的制備及體外礦化

        采用溶劑澆鑄鹽瀝析法制備支架復(fù)合材料 [17 ]。簡(jiǎn)述如下:在室溫下將3 g PLLA溶于30 mL二氧六環(huán),并將3 g BG超聲分散于相同體積的二氧六環(huán)中;將兩種溶液混合,攪拌均勻;將已篩好的致孔劑NaCl細(xì)粉(80~100目)加入混合液中,繼續(xù)攪拌30 min;將混合液澆鑄在培養(yǎng)皿中至一定厚度,在自然條件下干燥24 h;將干燥樣片浸泡在去離子水中除去NaCl,每12 h換一次水,直至浸泡液中無殘留ClSymbolm@@ (用0.1 mol/L AgNO3溶液檢驗(yàn));真空干燥48 h,即得到PLLA/BG多孔復(fù)合材料。

        將制得的復(fù)合材料放入盛有250 mL PBS緩沖溶液(pH=7.4)的燒杯中,燒杯置于37 ℃的恒溫水浴箱進(jìn)行礦化。每7天取出一部分樣品,浸泡在去離子水中除去殘留PBS,然后用濾紙除去表面水分,并于45 ℃下真空干燥24 h后備用。PBS緩沖液也同時(shí)每隔7天更換一次。

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