RU2545471C1 - Method of research of three-dimensional structures - Google Patents

Method of research of three-dimensional structures Download PDF

Info

Publication number
RU2545471C1
RU2545471C1 RU2014104317/28A RU2014104317A RU2545471C1 RU 2545471 C1 RU2545471 C1 RU 2545471C1 RU 2014104317/28 A RU2014104317/28 A RU 2014104317/28A RU 2014104317 A RU2014104317 A RU 2014104317A RU 2545471 C1 RU2545471 C1 RU 2545471C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dimensional structure
study
carried out
probe
dimensional
Prior art date
Application number
RU2014104317/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Иванович Агапов
Антон Евгеньевич Ефимов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Общество с ограниченной ответственностью "СНОТРА"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации, Общество с ограниченной ответственностью "СНОТРА" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации
Priority to RU2014104317/28A priority Critical patent/RU2545471C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2545471C1 publication Critical patent/RU2545471C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnology.
SUBSTANCE: invention can be used for research of samples, such as biomaterials and medical products, by methods of scanning probe microscopy, including the study of the internal pores by the probe of a scanning probe microscope (SPM). To study the three-dimensional structures the cut of sample of three-dimensional structure is performed with a knife, and the study of the cut surfaces with a probe with a SPM sensor element, then the internal areas of the three-dimensional structure are studied. Then, according to the results of this study, an additional cut of three-dimensional structure is carried out, and additional study of the surface of the three-dimensional structure and its internal areas with a SPM sensor probe is carried out.
EFFECT: increase of informativeness of the study of three-dimensional structures.
6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для исследования образцов, например биоматериалов и изделий медицинского назначения, методами сканирующей зондовой микроскопии. В частности это может быть исследование внутренних пор зондом сканирующего зондового микроскопа (СЗМ).The invention relates to nanotechnology and can be used to study samples, for example, biomaterials and medical devices, using scanning probe microscopy. In particular, this can be an investigation of the internal pores by a probe of a scanning probe microscope (SPM).

Известен способ исследования трехмерных структур, включающий срез трехмерной структуры ножом криотома и исследование двухмерной структуры зондом с острием сканирующего зондового микроскопа [1]. Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.A known method for the study of three-dimensional structures, including a slice of a three-dimensional structure with a cryotome knife and the study of a two-dimensional structure with a probe with a tip of a scanning probe microscope [1]. This method is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостаток этого способа заключается в ограниченной информативности измерения образцов, связанной с исследованием только его поверхности, что снижает его функциональные возможности.The disadvantage of this method is the limited information content of the measurement of samples associated with the study of only its surface, which reduces its functionality.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей известного способа исследования трехмерных структур.The technical result of the invention is to expand the functionality of the known method for the study of three-dimensional structures.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования трехмерных структур, включающем осуществление среза трехмерной структуры ножом и исследование срезанной поверхности образца трехмерной структуры зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа, после среза трехмерной структуры исследуют ее внутренние зоны.The specified technical result is achieved by the fact that in a method for studying three-dimensional structures, including cutting a three-dimensional structure with a knife and examining a cut surface of a three-dimensional structure sample with a probe with a sensitive element of a scanning probe microscope, after cutting a three-dimensional structure, its internal zones are examined.

Существует вариант, в котором внутренние зоны трехмерной структуры исследуют линейным чувствительным элементом зонда сканирующего зондового микроскопа и(или) боковые стенки внутренних зон трехмерной структуры исследуют расширяющимся чувствительным элементом с боковыми выступами.There is an option in which the internal zones of the three-dimensional structure are examined by a linear sensitive element of the probe of a scanning probe microscope and (or) the side walls of the internal zones of the three-dimensional structure are examined by an expanding sensitive element with lateral protrusions.

Существует также вариант, в котором после исследования внутренних зон трехмерной структуры осуществляют дополнительный срез трехмерной структуры ножом в соответствии с результатами этого исследования, после чего проводят дополнительное исследование поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон чувствительным элементом зонда сканирующего зондового микроскопаThere is also an option in which, after studying the internal zones of the three-dimensional structure, an additional cut of the three-dimensional structure is carried out with a knife in accordance with the results of this study, after which an additional study of the surface of the three-dimensional structure and its internal zones is carried out by the sensitive element of the probe probe scanning microscope

Существует также вариант, в котором после исследования внутренних зон трехмерной структуры осуществляют следующий срез под углом к предыдущему срезу.There is also an option in which, after examining the internal zones of the three-dimensional structure, the next section is carried out at an angle to the previous section.

Существует также вариант, в котором выполнение следующего среза под углом к предыдущему срезу осуществляют после поворота трехмерной структуры и(или) выполнение следующего среза под углом к предыдущему срезу осуществляют после поворота ножа.There is also an option in which the next cut at an angle to the previous cut is carried out after turning the three-dimensional structure and (or) the next cut at an angle to the previous cut is carried out after the knife is rotated.

Существует также вариант, в котором исследование внутренних зон трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами, в качестве которых используют наночастицы золота с биологически активными веществами, например цитостатиками.There is also an option in which the study of the internal zones of the three-dimensional structure is carried out after the introduction of a liquid with nanoparticles into them through a capillary, which are used gold nanoparticles with biologically active substances, such as cytostatics.

Существует также вариант, в котором после среза трехмерной структуры на нее осуществляют стороннее воздействие, в качестве которого используют ультрафиолетовое излучение и(или) рентгеновское излучение, и (или) лазерное излучение, и(или) плазму, и(или) температурное воздействие.There is also an option in which, after cutting a three-dimensional structure, a third-party effect is performed on it, using ultraviolet radiation and (or) X-ray radiation, and (or) laser radiation, and (or) plasma, and (or) temperature effect.

Существует также вариант, в котором в качестве трехмерных структур используют волокнистые структуры.There is also an option in which fibrous structures are used as three-dimensional structures.

Существует также вариант, в котором исследование проводят в криокамере при температуре ниже 0°C.There is also an option in which the study is carried out in a cryochamber at a temperature below 0 ° C.

На фиг.1 изображено устройство для реализации предложенного способа.Figure 1 shows a device for implementing the proposed method.

На фиг.2 представлен вариант исследования внутренних зон чувствительным элементом с боковыми выступами.Figure 2 presents a variant of the study of internal zones by a sensitive element with lateral protrusions.

На фиг.3 представлен вариант исследования внутренних зон линейным чувствительным элементом.Figure 3 presents a variant of the study of internal zones by a linear sensitive element.

На фиг.4 представлен вариант исследования боковых ответвлений внутренних зон.Figure 4 presents a variant of the study of lateral branches of the inner zones.

На фиг.5 изображен вариант криотома.Figure 5 shows a variant of the cryotome.

На фиг.6-7 представлены результаты исследований трехмерной структуры образца клеточного матрикса предложенным способом.Figure 6-7 presents the results of studies of the three-dimensional structure of the cell matrix sample of the proposed method.

Устройство для реализации предложенного способа содержит платформу 1, на которой на первых направляющих 2 установлена первая подвижная каретка 3 (координата X) с пьезосканером 4, содержащим фланец 5, в котором закреплен первый держатель 6 зонда 7, имеющего чувствительный элемент 8. Первая подвижная каретка 3 может быть сопряжена с первым приводом 9. Чувствительный элемент 8 может быть установлен с возможностью взаимодействия с образцом 10, закрепленным во втором держателе 11, размещенным на механизме поворота 12, установленном на второй подвижной каретке 13 (координаты Y или Y, Z). При этом вторая подвижная каретка 13 может быть установлена на вторых направляющих 14, расположенных на платформе 1. Вторая подвижная каретка 13 может быть сопряжена со вторым приводом 15. На платформе 1 на третьих направляющих 16 установлена третья подвижная каретка 17 с ножом 18, сопряженная с третьим приводом 19. Элементы 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 представляют собой сканирующий зондовый микроскоп (см. подробно в [2, 3], который может быть подключен к первому блоку управления 22. Это подключение показано условно. Второй блок управления 23 может быть соединен с механизмом поворота 12, вторым приводом 15 и третьим приводом 19. Элементы с 10 по 23 за исключением блока 22 входят в состав микротома. Блоки 22 и 23 могут быть объединены в один блок (не показано). A device for implementing the proposed method comprises a platform 1 on which a first movable carriage 3 (coordinate X) is mounted on the first guides 2 with a piezoscanner 4 containing a flange 5, in which the first holder 6 of the probe 7 having the sensing element 8 is fixed. The first movable carriage 3 can be interfaced with the first drive 9. The sensing element 8 can be installed with the possibility of interaction with the sample 10, mounted in the second holder 11, placed on the rotation mechanism 12 mounted on the second movable carriage 13 (Y or Y, Z coordinates). In this case, the second movable carriage 13 can be installed on the second guides 14 located on the platform 1. The second movable carriage 13 can be paired with the second drive 15. On the platform 1 on the third guides 16 there is a third movable carriage 17 with a knife 18, paired with the third drive 19. Elements 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 are a scanning probe microscope (see details in [2, 3], which can be connected to the first control unit 22. This connection is shown conditionally. The second control unit 23 may be connected to the fur The turning circle 12, the second drive 15 and the third drive 19. Elements 10 to 23, with the exception of block 22, are part of the microtome. Blocks 22 and 23 can be combined into one block (not shown).

В качестве зонда 7 может использоваться кварцевый резонатор с чувствительным элементом (см. подробно в [4]). В качестве чувствительного элемента 8 могут использоваться удлиненные элементы с боковыми выступами, описанные в [5, 6], а также нитевидные кристаллы, технология получения которых описаны в [7, 8]. В качестве первых 2 и вторых 14 направляющих можно использовать линейные направляющие, описанные в [2], либо две линейные направляющие, установленные одна на другой. Вторые направляющие 14 и второй привод 15 показаны условно и могут быть выполнены аналогично описанным в [1]. Тем не менее следует заметить, что в серийно выпускаемых микротомах и криотомах часто элементы 14, 15 и 16 представляют собой шарнирную конструкцию. Механизм поворота 12 может иметь шарнирное исполнение (см., например [9], либо быть выполненным на сферической опоре, как на фиг.1 и закрепляться вручную, например, с использованием накидного элемента (не показан). As probe 7, a quartz resonator with a sensitive element can be used (see in detail in [4]). As the sensitive element 8, elongated elements with lateral protrusions described in [5, 6], as well as whiskers, the production technology of which are described in [7, 8], can be used. As the first 2 and second 14 guides, you can use linear guides described in [2], or two linear guides mounted on top of each other. The second guides 14 and the second drive 15 are shown conditionally and can be performed similarly to those described in [1]. Nevertheless, it should be noted that in commercially available microtomes and cryotomes, elements 14, 15, and 16 often represent a hinged structure. The rotation mechanism 12 may have a hinged design (see, for example, [9], or be performed on a spherical support, as in FIG. 1, and fixed manually, for example, using a cap element (not shown).

Третья подвижная каретка 17 может осуществлять перемещения по координатам X, Y, а также вращение вокруг оси 24. Это может быть двухкоординатный стол на основе двух линейных направляющих с поворотным механизмом. Двухкоординатное перемещение может быть механизированным, а вращение осуществляться вручную и закрепляться накидным элементом (не показаны). Координатные столы, осуществляющие все описанные перемещения, подробно описаны в [10, 11, 12]. Микротом и криотом, обеспечивающие срез образца 10 и формирование гладкой поверхности 25, описаны также в [13, 14].The third movable carriage 17 can move along the X, Y coordinates, as well as rotate around axis 24. It can be a two-coordinate table based on two linear guides with a rotary mechanism. Two-coordinate movement can be mechanized, and rotation is carried out manually and secured with a cap element (not shown). Coordinate tables performing all the described movements are described in detail in [10, 11, 12]. A microtome and a cryote, which ensure a slice of sample 10 and the formation of a smooth surface 25, are also described in [13, 14].

В качестве образца 10 может использоваться образец пористой трехмерной структуры с характерным размером пор от 1 нм до нескольких сотен мкм, выполненной на основе биоматериалов или полимеров.As sample 10, a sample of a porous three-dimensional structure with a characteristic pore size of 1 nm to several hundred microns, made on the basis of biomaterials or polymers, can be used.

На варианте по фиг.2 внутренние зоны 30 и 31 исследуют расширяющимся чувствительным элементом 35 с боковыми выступами 34. Количество боковых выступов 34 может достигать пяти. При этом можно в первую очередь исследовать боковые поверхности 32, 33 и ответвление 36, но не дно 39.In the embodiment of FIG. 2, the inner zones 30 and 31 are examined by an expanding sensing element 35 with lateral protrusions 34. The number of lateral protrusions 34 can reach five. In this case, you can first examine the side surfaces 32, 33 and branch 36, but not the bottom 39.

На варианте по фиг.3 внутренние зоны 30 и 31 исследуют линейным чувствительным элементом 38. При этом можно в первую очередь исследовать поверхность (дно) 37.In the embodiment of FIG. 3, the inner zones 30 and 31 are examined with a linear sensing element 38. In this case, the surface (bottom) 37 can be examined first.

На варианте по фиг.4 исследуют ответвление 36 линейным чувствительным элементом 38 (не показано) или расширяющимся чувствительным элементом 35 с боковыми выступами 34.In the embodiment of FIG. 4, branch 36 is examined with a linear sensor 38 (not shown) or an expanding sensor 35 with side protrusions 34.

В варианте криотома (фиг.5) платформа 1 с первыми средствами перемещения 40 зонда 7, вторыми средствами перемещения 41 образца 10 и третьими средствами перемещения 42 ножа 18 расположена внутри камеры 45, соединенной с источником хладагента 46.In the cryotome variant (FIG. 5), the platform 1 with the first means of moving 40 of the probe 7, the second means of moving 41 of the sample 10 and the third means of moving 42 of the knife 18 is located inside the chamber 45 connected to the source of refrigerant 46.

Существует вариант, в котором устройство сопряжено с источником 47 лазерного, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, или источником нейтронов (см., например, [15, 16, 17, 18]).There is an option in which the device is coupled to a source 47 of laser, ultraviolet or X-ray radiation, or a source of neutrons (see, for example, [15, 16, 17, 18]).

Существует вариант, в котором камера 45 является герметичной с возможностью откачки воздуха по крайней мере до уровня 1 мбар и сопряжена с электродами 48, обеспечивающими возникновения в ней плазмы [19]. В данном варианте возможно также использование источника 47 лазерного, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, или источника нейтронов.There is an option in which the chamber 45 is hermetic with the possibility of evacuating air at least to the level of 1 mbar and is coupled to electrodes 48, which ensure the appearance of plasma in it [19]. In this embodiment, it is also possible to use a source 47 of laser, ultraviolet or X-ray radiation, or a source of neutrons.

Существует вариант, в котором устройство сопряжено с нагревателем 49 (см., например, [20]).There is an option in which the device is paired with a heater 49 (see, for example, [20]).

Реализация способа осуществляется следующим образом. Закрепляют зонд 7 (фиг.1) в первом держателе 6. Закрепляют образец 10 во втором держателе 11. Используя подвижку образца 10 относительно ножа 18, осуществляют срез образца 10 и формирование гладкой поверхности 25 образца 10. Используя первый привод 9, подводят чувствительный элемент 8 к поверхности 25 образца 10. Используя пьезосканер 4, осуществляют сканирование поверхности 25 и измерение ее характеристик. Подробно работу СЗМ см. в [2, 3, 13, 14]. Обычно расширяющимся чувствительным элементом 35 (фиг.2) сначала исследуют боковые поверхности 32 и 33 внутренних зон 30 и 31. При этом элементом 35 можно исследовать также дно 37 и 39. Более точное исследования дна 37 и 39 можно проводить линейным чувствительным элементом 38 (фиг.3). В том случае, если элементом 35 не удается исследовать все дно 39, можно делать следующее. Производят отвод чувствительного элемента 35 от поверхности 25. В том случае, если необходимо проводить срез на определенную величину А (фиг.2) в соответствии с измеренной глубиной В, нож 18 перемещают на величину А по координате X и выполняют срез. После этого образец 10 (фиг.4) разворачивают против часовой стрелки на угол C и исследуют ответвление 36 и в частности дно 39 выступом 34 элемента 35.The implementation of the method is as follows. The probe 7 is fixed (Fig. 1) in the first holder 6. The sample 10 is fixed in the second holder 11. Using the movement of the sample 10 relative to the knife 18, the sample 10 is cut and the smooth surface 25 of the sample 10 is formed. Using the first drive 9, the sensing element 8 to the surface 25 of sample 10. Using a piezoscanner 4, scan the surface 25 and measure its characteristics. The SPM operation is described in detail in [2, 3, 13, 14]. Typically, the expanding sensing element 35 (FIG. 2) first examines the lateral surfaces 32 and 33 of the inner zones 30 and 31. With this element 35, the bottom 37 and 39 can also be examined. A more accurate examination of the bottom 37 and 39 can be done with the linear sensing element 38 (FIG. .3). In the event that the element 35 fails to examine the entire bottom 39, the following can be done. The sensor element 35 is retracted from the surface 25. In the event that it is necessary to cut a certain amount A (FIG. 2) in accordance with the measured depth B, the knife 18 is moved by a value A along the X coordinate and a cut is performed. After that, the sample 10 (Fig. 4) is turned counterclockwise at an angle C and the branch 36 and, in particular, the bottom 39 are examined by the protrusion 34 of the element 35.

В одном из вариантов исследование внутренних зон 30 и 31 (фиг.2) трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами. Для этого может использоваться микропипетка (не показана). В качестве наночастиц можно использовать наночастицы с размерами 2-100 нм. В качестве наночастиц можно также использовать наночастицы золота с биологически активными веществами. В качестве биологически активных веществ могут использоваться связывающиеся с рецепторами на поверхности клеток-мишеней молекулы, например интерлейкин-2 или инсулин, которые могут быть закреплены на наночастицах золота. В частном случае в качестве биологически активных веществ используют цитостатики, например доксорубицин, которые могут быть закреплены на наночастицах золота [21]. Через этот же капилляр может вводиться химически активная жидкость.In one embodiment, the study of the internal zones 30 and 31 (figure 2) of a three-dimensional structure is carried out after introducing into them through a capillary liquid with nanoparticles. A micropipette (not shown) can be used for this. As nanoparticles, nanoparticles with sizes of 2-100 nm can be used. Gold nanoparticles with biologically active substances can also be used as nanoparticles. As biologically active substances, molecules binding to receptors on the surface of target cells, for example, interleukin-2 or insulin, which can be attached to gold nanoparticles, can be used. In a particular case, cytostatics, for example, doxorubicin, which can be fixed on gold nanoparticles, are used as biologically active substances [21]. A chemically active liquid may be introduced through the same capillary.

Существует вариант (фиг.5), при котором после осуществления среза образца 10 ножом 18 поверхность 25 подвергается воздействию пучка ультрафиолетового, рентгеновского или лазерного излучения заданной интенсивности и длительности, для чего используется, соответственно, источник лазерного, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, или источник нейтронов 47. Минимальные размеры зоны воздействия лазерного, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, или нейтронов на поверхность 25 определяются возможностями фокусировки пучков соответствующих источников. Для рентгеновских источников эти возможности описаны в [22].There is an option (Fig. 5), in which, after cutting a sample 10 with a knife 18, the surface 25 is exposed to a beam of ultraviolet, X-ray, or laser radiation of a given intensity and duration, for which, respectively, a laser, ultraviolet, or X-ray source, or a neutron source is used 47. The minimum dimensions of the zone of exposure to laser, ultraviolet or X-ray radiation, or neutrons on the surface 25 are determined by the focusing capabilities of the beams respectively relevant sources. For x-ray sources, these possibilities are described in [22].

В результате воздействия ультрафиолетового или лазерного излучения на трехмерные структуры может происходить изменение морфологии биологических структур на поверхности 25, например изменение белковой структуры белка коллагена [16], механических свойств и структурной организации коллагеновых фибрилл [23] в результате кросс-линкинга белковых молекул.As a result of the action of ultraviolet or laser radiation on three-dimensional structures, a change in the morphology of biological structures on surface 25 can occur, for example, a change in the protein structure of collagen protein [16], mechanical properties and structural organization of collagen fibrils [23] as a result of cross-linking of protein molecules.

В результате воздействия лазерного излучения на трехмерные структуры так же может происходить изменение морфологии белковых микроструктур [15] на поверхности 25 в результате кросс-линкинга белковых молекул, а так же полимеризация структур на поверхности 25 [24, 25].As a result of the action of laser radiation on three-dimensional structures, a change in the morphology of protein microstructures [15] on surface 25 as a result of cross-linking of protein molecules, as well as polymerization of structures on surface 25 can also occur [24, 25].

В результате воздействия рентгеновского излучения на трехмерные структуры так же может происходить изменение наноструктуры [26] поверхности 25.As a result of the action of X-ray radiation on three-dimensional structures, a change in the nanostructure [26] of surface 25 can also occur.

Существует вариант, при котором после осуществления среза образца 10 ножом 18 на поверхность 25 оказывают дополнительное воздействие с использованием плазмы. Это воздействие осуществляется следующим образом. После осуществления среза из герметичной камеры 45 откачивают воздух до заданного значения давления в диапазоне от 1 до 10 мбар. Затем на электроды 48 подают напряжение в диапазоне до 3 кВ. С помощью образующейся в камере 45 плазмы осуществляют плазменное травление поверхности 25 с выявлением чужеродных включений. Технология плазменного травления описана подробно в [27].There is an option in which, after cutting a sample 10 with a knife 18, an additional effect using plasma is exerted on the surface 25. This effect is as follows. After the cut is carried out, air is evacuated from the sealed chamber 45 to a predetermined pressure value in the range from 1 to 10 mbar. Then a voltage in the range of up to 3 kV is applied to the electrodes 48. Using the plasma formed in the chamber 45, plasma etching of the surface 25 is carried out with the detection of foreign inclusions. The technology of plasma etching is described in detail in [27].

Существует вариант, при котором после осуществления среза образца 10 ножом 18 на поверхность 25 оказывают дополнительное температурное воздействие с использованием нагревателя 49. Это воздействие осуществляется следующим образом. После осуществления среза производят нагрев поверхности 25 образца 10 до заданной температуры в диапазоне от 20°C до 300°C. Нагрев может осуществляться образом, описанным в [28]. В результате нагрева на поверхности 25 может происходить, например, дегидратация, полимеризация материала поверхности или денатурация белковых структур, в зависимости от материала образца 10.There is an option in which after cutting the sample 10 with a knife 18, an additional temperature effect is applied to the surface 25 using a heater 49. This effect is as follows. After the cut is carried out, the surface 25 of sample 10 is heated to a predetermined temperature in the range from 20 ° C to 300 ° C. Heating can be carried out in the manner described in [28]. As a result of heating on the surface 25, for example, dehydration, polymerization of the surface material or denaturation of protein structures can occur, depending on the material of sample 10.

В качестве трехмерных структур помимо описанных вариантов можно использовать волокнистые структуры, например, описанные в [29]. В одном из вариантов исследование проводят в криокамере при температуре ниже 0°C. Такие варианты описаны в [30].In addition to the described options, fibrous structures can be used as three-dimensional structures, for example, those described in [29]. In one embodiment, the study is carried out in a cryochamber at a temperature below 0 ° C. Such options are described in [30].

В качестве примера реализации способа представлено исследование трехмерной структуры микро- и нанопористого клеточного матрикса на основе фиброина (регенерированного шелка), предназначенного для использования в регенеративной медицине. Подобные матриксы описаны в [31]. Исследуемый матрикс закреплялся с помощью эпоксидной смолы в держателе образца микротома, после чего выполнялся срез трехмерной структуры матрикса ножом микротома и формирование поверхности 25. Затем выполнялось измерение участка поверхности 25 матрикса размером 50×50 мкм с помощью чувствительного элемента зондового микроскопа и локализация и определение размеров внутренних зон 30 микропор матрикса на исследуемом участке (фиг.6). В качестве чувствительного элемента сканирующего зондового микроскопа использовался зонд, чувствительный элемент которого выполнен в виде линейной вольфрамовой иглы, закрепленной на кварцевом резонаторе. Подобные зонды описаны в [32]. После этого чувствительный элемент вводился в выбранную внутреннюю зону микропоры 30 и выполнялось исследование ее структуры. В результате исследования были получены изображения поверхности дна внутренней зоны 37, определены морфология, средний диаметр и среднее количество наноразмерных пор (2,4 мкм-2) на единицу площади на данной поверхности. Пример полученного изображения поверхности дна внутренней зоны 37 показан на фиг.7.As an example of the implementation of the method, a study is presented of the three-dimensional structure of a micro- and nanoporous cell matrix based on fibroin (regenerated silk), intended for use in regenerative medicine. Similar matrices are described in [31]. The studied matrix was fixed with an epoxy resin in the microtome sample holder, after which a three-dimensional matrix structure was cut with a microtome knife and surface formation 25 was performed. Then, a 50 × 50 μm piece of matrix surface 25 was measured using a probe microscope sensing element and localization and determination of internal dimensions zones 30 micropores of the matrix in the study area (Fig.6). As a sensitive element of a scanning probe microscope, a probe was used, the sensitive element of which is made in the form of a linear tungsten needle mounted on a quartz resonator. Similar probes are described in [32]. After that, the sensitive element was introduced into the selected inner zone of the micropore 30 and the study of its structure was carried out. As a result of the study, images of the bottom surface of the inner zone 37 were obtained, the morphology, average diameter, and average number of nanoscale pores (2.4 μm -2 ) per unit area on this surface were determined. An example of the obtained image of the bottom surface of the inner zone 37 is shown in Fig.7.

Данные параметры трехмерной структуры матрикса имеют ключевое значения для предсказания его биологических свойств.These parameters of the three-dimensional structure of the matrix are of key importance for predicting its biological properties.

В случае если глубина исследуемой микропоры превышала предельный диапазон измерения используемого сканирующего зондового микроскопа по оси X (10 мкм), выполнялся дополнительный срез трехмерной структуры матрикса ножом микротома, толщина которого соответствовала данной величине. Затем проводилось дополнительное исследование поверхности и внутренних зон трехмерной структуры чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа.If the depth of the micropore under study exceeded the maximum measuring range of the used scanning probe microscope along the X axis (10 μm), an additional section of the three-dimensional structure of the matrix was performed with a microtome knife, the thickness of which corresponded to this value. Then, an additional study of the surface and internal zones of the three-dimensional structure was carried out by the sensitive element of the scanning probe microscope.

То, что после среза трехмерной структуры исследуют ее внутренние зоны, расширяет функциональные возможности способа.The fact that after cutting a three-dimensional structure investigate its internal zones, expands the functionality of the method.

То, что внутренние зоны трехмерной структуры исследуют линейным чувствительным элементом зонда сканирующего зондового микроскопа и (или) боковые стенки внутренних зон трехмерной структуры исследуют расширяющимся чувствительным элементом с боковыми выступами, расширяет функциональные возможности способа за счет возможности получения максимальной информации о структуре внутренних зон.The fact that the internal zones of the three-dimensional structure are examined by a linear sensitive element of the probe of a scanning probe microscope and (or) the side walls of the internal zones of the three-dimensional structure are examined by an expanding sensitive element with lateral protrusions expands the functionality of the method due to the possibility of obtaining maximum information about the structure of the internal zones.

То, что после исследования внутренних зон трехмерной структуры осуществляют дополнительный срез трехмерной структуры ножом в соответствии с результатами этого исследования, после чего проводят дополнительное исследование поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон чувствительным элементом зонда сканирующего зондового микроскопа, позволяет учитывать результаты предыдущих исследований и получать новые более информативные результаты.The fact that after studying the internal zones of the three-dimensional structure, an additional cut of the three-dimensional structure is carried out with a knife in accordance with the results of this study, after which an additional study of the surface of the three-dimensional structure and its internal zones is carried out by the sensitive element of the probe probe microscope probe, it allows taking into account the results of previous studies and obtaining new informative results.

То, что после исследования внутренних зон трехмерной структуры осуществляют следующий срез под углом к предыдущему срезу. Аналогичным образом можно получать новые, более информативные результаты.The fact that after studying the internal zones of the three-dimensional structure, the next slice is carried out at an angle to the previous slice. Similarly, you can get new, more informative results.

То, что исследование внутренних зон трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами, в качестве которых используют наночастицы золота с биологически активными веществами, например цитостатиками, повышает информативность способа и соответственно его функциональные возможности.The fact that the study of the internal zones of the three-dimensional structure is carried out after the introduction of a liquid with nanoparticles into them through a capillary, which are used as gold nanoparticles with biologically active substances, for example cytostatics, increases the information content of the method and, accordingly, its functionality.

То, что после среза трехмерной структуры на нее осуществляют стороннее воздействие, в качестве которого используют ультрафиолетовое излучение и(или) рентгеновское излучение, и(или) лазерное излучение, и(или) плазму, и(или) температурное воздействие, также повышает информативность способа и соответственно его функциональные возможности.The fact that after cutting a three-dimensional structure a third-party effect is performed on it, which is used as ultraviolet radiation and (or) X-ray radiation, and (or) laser radiation, and (or) plasma, and (or) temperature effect, also increases the information content of the method and accordingly its functionality.

То, что в качестве трехмерных структур используют волокнистые структуры, расширяет функциональные возможности способа.The fact that fibrous structures are used as three-dimensional structures extends the functionality of the method.

То, что исследование проводят в криокамере при температуре ниже 0°C, позволяет изучать более широкий круг материалов, на которых срез может быть осуществлен только в замороженном состоянии.The fact that the study is carried out in a cryochamber at a temperature below 0 ° C allows us to study a wider range of materials on which the slice can be carried out only in a frozen state.

ЛитератураLiterature

1. Патент RU 2389032, 2010.1. Patent RU 2389032, 2010.

2. Патент RU 2152103, 2000.2. Patent RU 2152103, 2000.

3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. - М.: Техносфера, 2009. - 144 с.3. Mironov V.L. The basics of scanning probe microscopy. - M .: Technosphere, 2009 .-- 144 p.

4. Патент RU 2208763, 2003.4. Patent RU 2208763, 2003.

5. Патент US 5345816, 1994.5. Patent US 5345816, 1994.

6. Патент US 5382795, 1995.6. Patent US 5382795, 1995.

7. Патент RU 2220429, 2003.7. Patent RU 2220429, 2003.

8. Публикация Microsc. Microanal. Microstruct., 3 (1992), с.313-331.8. Publication Microsc. Microanal. Microstruct., 3 (1992), pp. 313-331.

9. Патент US 4950909, 1990.9. Patent US 4950909, 1990.

10. Патент RU 2377620, 2009.10. Patent RU 2377620, 2009.

11. Патент RU 2242054, 2004.11. Patent RU 2242054, 2004.

12. Патент RU 2306621, 2001.12. Patent RU 2306621, 2001.

13. Патент RU 2427846, 2011.13. Patent RU 2427846, 2011.

14. Патент RU 2389032, 2010.14. Patent RU 2389032, 2010.

15. S Turunen, E Käpylä, К Terzaki, J Viitanen, С Fotakis, M Kellomäki and M Farsari, Pico- and femtosecond laser-induced crosslinking of protein microstructures: evaluation of processability and bioactivity, Biofabrication, 3, 045002 (2011).15. S Turunen, E Käpylä, K Terzaki, J Viitanen, C Fotakis, M Kellomäki and M Farsari, Pico- and femtosecond laser-induced crosslinking of protein microstructures: evaluation of processability and bioactivity, Biofabrication, 3, 045002 (2011).

16. A.J. Majewski, M. Sanzari, H.-L. Cui, P. Torzilli, Effects of ultraviolet radiation on the type-I collagen protein triple helical structure: A method for measuring structural changes through optical activity, Phys. Rev. E 65, 031920 (2002).16. A.J. Majewski, M. Sanzari, H.-L. Cui, P. Torzilli, Effects of ultraviolet radiation on the type-I collagen protein triple helical structure: A method for measuring structural changes through optical activity, Phys. Rev. E 65, 031920 (2002).

17. Gerhart Lowenthal, Peter Airey, Practical Applications of Radioactivity and Nuclear Radiations, Cambridge University Press, 2001.17. Gerhart Lowenthal, Peter Airey, Practical Applications of Radioactivity and Nuclear Radiations, Cambridge University Press, 2001.

18. Тюфяков Н.Д., Штань А.С. Основы нейтронной радиографии. 1975. - 256 с.18. Tyufyakov N.D., Shtan A.S. Fundamentals of neutron radiography. 1975 .-- 256 p.

19. Патент RU 2206882, 2003.19. Patent RU 2206882, 2003.

20. Патент RU 2244948, 2005.20. Patent RU 2244948, 2005.

21. Singh, A., Hede, S. and Sastry, M., Spider Silk as an Active Scaffold in the Assembly of Gold Nanoparticles and Application of the Gold-Silk Bioconjugate in Vapor Sensing. Small, 2007, 3, p.466-473.21. Singh, A., Hede, S. and Sastry, M., Spider Silk as an Active Scaffold in the Assembly of Gold Nanoparticles and Application of the Gold-Silk Bioconjugate in Vapor Sensing. Small, 2007, 3, p. 466-473.

22. Егоров Е.В., Егоров В.К. Практическая реализация повышения светосилы плоских рентгеновских волноводов-резонаторов // Поверхность. 2009. №1, с.1-9.22. Egorov E.V., Egorov V.K. The practical implementation of increasing the aperture ratio of plane x-ray waveguides-resonators // Surface. 2009. No. 1, p.1-9.

23. Weadock, К.S., Miller, E.J., Bellincampi, L.D., Zawadsky, J.P. and Dunn, M.G. (1995), Physical crosslinking of collagen fibers: Comparison of ultraviolet irradiation and dehydrothermal treatment. J. Biomed. Mater. Res., 29: 1373-1379.23. Weadock, K.S., Miller, E.J., Bellincampi, L.D., Zawadsky, J.P. and Dunn, M.G. (1995), Physical crosslinking of collagen fibers: Comparison of ultraviolet irradiation and dehydrothermal treatment. J. Biomed. Mater. Res., 29: 1373-1379.

24. С. Decker, Laser-Induced Polymerization, Materials for Microlithography. Chapter 9, p.207-223, ACS Symposium Series, Vol.266 (1984).24. C. Decker, Laser-Induced Polymerization, Materials for Microlithography. Chapter 9, p.207-223, ACS Symposium Series, Vol. 266 (1984).

25. М.Т. Raimondi, S.M. Eaton, M.M. Nava, M. Lagana, G. Cerullo, R. Osellame, Two-photon laser polymerization: from fundamentals to biomedical application in tissue engineering and regenerative medicine, J Appl Biomater Function Mater 2012; 10(1): 56-66.25. M.T. Raimondi, S.M. Eaton, M.M. Nava, M. Lagana, G. Cerullo, R. Osellame, Two-photon laser polymerization: from fundamentals to biomedical application in tissue engineering and regenerative medicine, J Appl Biomater Function Mater 2012; 10 (1): 56-66.

26. M. Ishino, A. Faenov, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, S. Tamotsu, T. Pikuz, N. Inogamov, V. Zhakhovsky, I. Skobelev, V. Fortov, V. Khohlov, V. Shepelev, T. Ohba, T. Kaihori, Y. Ochi, T. Imazono, T. Kawachi, Interaction of soft x-ray laser pulse radiation with aluminum surface: Nano-meter size surface modification, AIP Conf. Proc. 1465, p.236-240;26. M. Ishino, A. Faenov, M. Tanaka, N. Hasegawa, M. Nishikino, S. Tamotsu, T. Pikuz, N. Inogamov, V. Zhakhovsky, I. Skobelev, V. Fortov, V. Khohlov, V. Shepelev, T. Ohba, T. Kaihori, Y. Ochi, T. Imazono, T. Kawachi, Interaction of soft x-ray laser pulse radiation with aluminum surface: Nano-meter size surface modification, AIP Conf. Proc. 1465, p. 236-240;

27. Моряков О.С. Элионная обработка. - M.: Элионная разработка. 1990. - 128 с.27. Moryakov O.S. Elion processing. - M .: Elion development. 1990 .-- 128 p.

28. Блинов И.Г., Кожитов Л.В. Оборудование полупроводникового микроскопа. - M.: Машиностроение. 1986. - 264 с.28. Blinov I.G., Kozhitov L.V. Semiconductor microscope equipment. - M .: Engineering. 1986.- 264 p.

29. V.G. Bogush, О.S. Sokolova, L.I. Davydova, D.V. Klinov, К.V. Sidoruk, N.G. Esipova, T.V. Neretina, I.A. Orchanskyi, V. Yu Makeev, V.G. Tumanyan, K.V. Shaitan, V.G. Debabov, M.P. Kirpichnikov, A Novel Model System for Design of Biomaterials Based on Recombinant Analogs of Spider Silk Proteins, Journal of Neuroimmune Pharmacology, March 2009, Volume 4, Issue 1, p.17-27.29. V.G. Bogush, O.S. Sokolova, L.I. Davydova, D.V. Klinov, K.V. Sidoruk, N.G. Esipova, T.V. Neretina, I.A. Orchanskyi, V. Yu Makeev, V.G. Tumanyan, K.V. Shaitan, V.G. Debabov, M.P. Kirpichnikov, A Novel Model System for Design of Biomaterials Based on Recombinant Analogs of Spider Silk Proteins, Journal of Neuroimmune Pharmacology, March 2009, Volume 4, Issue 1, p.17-27.

30. A.E. Efimov, H. Gnaegi, R. Schaller, W. Grogger, F. Hofer and N.B. Matsko, Analysis of native structure of soft materials by cryo scanning probe tomography, Soft Matter, 2012, 8, p.9756-9760.30. A.E. Efimov, H. Gnaegi, R. Schaller, W. Grogger, F. Hofer and N.B. Matsko, Analysis of native structure of soft materials by cryo scanning probe tomography, Soft Matter, 2012, 8, p. 9756-9760.

31. Агапов И.И., Мойсенович M.M., Васильева Т.В., Пустовалова О.Л., Коньков А.С., Архипова А.Ю., Соколова О.С., Богуш В.Г, Севастьянов В.И., Дебабов В.Г., Кирпичников М.П., Биодеградируемые матриксы из регенерированного шелка Bombix Mori, Доклады Академии наук, 2010, Т.433, №5, с.699-702.31. Agapov II, Moisenovich MM, Vasilieva TV, Pustovalova OL, Konkov AS, Arkhipova A.Yu., Sokolova OS, Bogush V.G., Sevastyanov V.I. ., Debabov VG, Kirpichnikov MP, Biodegradable matrices from regenerated silk Bombix Mori, Reports of the Academy of Sciences, 2010, Vol. 433, No. 5, pp. 699-702.

32. N.В. Matsko, J. Wagner, A. Efimov, I. Haynl, S. Mitsche, W. Czapek, B. Matsko, W. Grogger, F. Hofer, Self-Sensing and - Actuating Probes for Tapping Mode AFM Measurements of Soft Polymers at a Wide Range of Temperatures, Journal of Modem Physics, 2011, 2, p.72-78.32. N.V. Matsko, J. Wagner, A. Efimov, I. Haynl, S. Mitsche, W. Czapek, B. Matsko, W. Grogger, F. Hofer, Self-Sensing and - Actuating Probes for Tapping Mode AFM Measurements of Soft Polymers at a Wide Range of Temperatures, Journal of Modem Physics, 2011, 2, p. 72-78.

Claims (6)

1. Способ исследования трехмерных структур, включающий осуществление среза трехмерной структуры ножом и исследование срезанной поверхности образца трехмерной структуры зондом с чувствительным элементом сканирующего зондового микроскопа, отличающийся тем, что после среза трехмерной структуры исследуют ее внутренние зоны, после исследования внутренних зон трехмерной структуры осуществляют дополнительный срез трехмерной структуры ножом в соответствии с результатами этого исследования, после чего проводят дополнительное исследование поверхности трехмерной структуры и ее внутренних зон чувствительным элементом зонда сканирующего зондового микроскопа.1. A method for studying three-dimensional structures, including cutting a three-dimensional structure with a knife and examining a cut surface of a three-dimensional structure sample with a probe with a sensitive element of a scanning probe microscope, characterized in that after cutting a three-dimensional structure, its internal zones are examined, after studying the internal zones of a three-dimensional structure, an additional cut is performed a three-dimensional structure with a knife in accordance with the results of this study, after which an additional investigation is carried out e dimensional surface structure and its internal zones sensor probe of a scanning probe microscope. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после исследования внутренних зон трехмерной структуры осуществляют следующий срез под углом к предыдущему срезу.2. The method according to p. 1, characterized in that after examining the internal zones of the three-dimensional structure, the next slice is carried out at an angle to the previous slice. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исследование внутренних зон трехмерной структуры осуществляют после введения в них через капилляр жидкости с наночастицами.3. The method according to p. 1, characterized in that the study of the internal zones of the three-dimensional structure is carried out after introducing into them through a capillary liquid with nanoparticles. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве наночастиц используют наночастицы золота.4. The method according to p. 3, characterized in that as the nanoparticles use gold nanoparticles. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве наночастиц используют наночастицы золота с биологически активными веществами.5. The method according to p. 3, characterized in that as the nanoparticles use gold nanoparticles with biologically active substances. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве биологически активных веществ используют цитостатики. 6. The method according to p. 5, characterized in that cytostatics are used as biologically active substances.
RU2014104317/28A 2014-02-07 2014-02-07 Method of research of three-dimensional structures RU2545471C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014104317/28A RU2545471C1 (en) 2014-02-07 2014-02-07 Method of research of three-dimensional structures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014104317/28A RU2545471C1 (en) 2014-02-07 2014-02-07 Method of research of three-dimensional structures

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2545471C1 true RU2545471C1 (en) 2015-03-27

Family

ID=53383331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014104317/28A RU2545471C1 (en) 2014-02-07 2014-02-07 Method of research of three-dimensional structures

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2545471C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680726C1 (en) * 2017-11-08 2019-02-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова" Минздрава России) Method of studying three-dimensional structures by means of scanning optical probe nanotomography

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2233490C1 (en) * 2003-06-05 2004-07-27 Зао "Нт-Мдт" Scanning probe type microscope combined with apparatus for mechanically modifying surface of object
RU2389032C2 (en) * 2008-07-24 2010-05-10 Антон Евгеньевич Ефимов Scanning probe microscope combined with device for modifying surface of object
RU2427846C1 (en) * 2010-06-21 2011-08-27 Закрытое акционерное общество "Институт прикладной нанотехнологии" Scanning probe microscope having nanotome

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2233490C1 (en) * 2003-06-05 2004-07-27 Зао "Нт-Мдт" Scanning probe type microscope combined with apparatus for mechanically modifying surface of object
RU2389032C2 (en) * 2008-07-24 2010-05-10 Антон Евгеньевич Ефимов Scanning probe microscope combined with device for modifying surface of object
RU2427846C1 (en) * 2010-06-21 2011-08-27 Закрытое акционерное общество "Институт прикладной нанотехнологии" Scanning probe microscope having nanotome

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680726C1 (en) * 2017-11-08 2019-02-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ ТИО им. ак. В.И. Шумакова" Минздрава России) Method of studying three-dimensional structures by means of scanning optical probe nanotomography

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106222085B (en) A high-precision biocomposite 3D printing device and printing method
Martinez-Garcia et al. A beginner’s guide to the characterization of hydrogel microarchitecture for cellular applications
Liu et al. The development of silk fibroin scaffolds using an indirect rapid prototyping approach: morphological analysis and cell growth monitoring by spectral-domain optical coherence tomography
Müller et al. Direct observation of microfibril arrangement in a single native cellulose fiber by microbeam small-angle X-ray scattering
Wan et al. 3D conducting polymer platforms for electrical control of protein conformation and cellular functions
US9466460B2 (en) Charged particle-beam device and specimen observation method
Korolovych et al. Impact of high-frequency ultrasound on nanocomposite microcapsules: in silico and in situ visualization
KR20170130500A (en) Apparatus and method for fabricating nanofibers and their construction
Dems et al. Native collagen: electrospinning of pure, cross-linker-free, self-supported membrane
Ning et al. Noninvasive three-dimensional in situ and in vivo characterization of bioprinted hydrogel scaffolds using the X-ray propagation-based imaging technique
Mohee et al. Investigation of the intrinsic permeability of ice-templated collagen scaffolds as a function of their structural and mechanical properties
Rad et al. Parametric optimization of two-photon direct laser writing process for manufacturing polymeric microneedles
RU2545471C1 (en) Method of research of three-dimensional structures
Moradi et al. Archimedes revisited: computer assisted micro-volumetric modification of the liquid displacement method for porosity measurement of highly porous light materials
Trachtenberg et al. Polymer scaffold fabrication
Camman et al. Anisotropic dense collagen hydrogels with two ranges of porosity to mimic the skeletal muscle extracellular matrix
Moon et al. Natural/synthetic polymer materials for bioink development
Savelyev et al. Effects of pulsed and continuous-wave laser radiation on the fabrication of tissue-engineered composite structures
Bai et al. Sequential multimodal microscopic imaging and biaxial mechanical testing of living multicomponent tissue constructs
RU2466401C1 (en) Method for blood cell elasticity test
CN116165161A (en) Dose detection system and radiation method for biological samples irradiated by terahertz waves
Somo et al. Characterization of macroporous materials
CN205364548U (en) Optimal control system of three -dimensional bioprinting aquogel support
RU2680726C1 (en) Method of studying three-dimensional structures by means of scanning optical probe nanotomography
Petronyuk et al. Developing techniques of acoustic microscopy for monitoring processes of osteogenesis in regenerative medicine