生物技術涵蓋了從食品生產中微生物的利用，到人造器官發展等廣泛的學科。事實上，生物技術應用的早幾個領域之一就是生產葡萄酒的過程。一般來說，生物技術可以被定義為基于生物學的技術。利用細胞和生物分子的工藝開發技術和產品，改善我們的生活質量和地球環境。
[表面處理 & 涂層/ 生物材料和醫療器械]
隨著醫學研究的發展，用植入體替代或支持缺失的生物結構已經成為慣例。
生物材料的表面經常被設計和調整，以調節其物理和化學性質，改善每種應用中生物材料的功能。根據所需的用途和功能，可以由包括鈦、不同的塑料，硅酮或磷灰石等多種不同材料制造。
所有材料的共同之處在于它們必須是生物相容的，這通常通過不同的表面處理或添加涂層來實現。我們提供多種儀器幫助您設計、制造、表征和評價生物材料的表面特性和性能。
生物相容涂層的設計和制造
醫療器械通常由直接放置在體內的各種金屬制成。 近年來，經常使用不同的涂層來改善醫療裝置的生物相容性。 除了基本的生物相容性，其它所需的性質如對各種刺激的響應性、藥物傳輸能力和抗菌品質等，也可以在這些生物材料涂層中進行調整。
聚合物是一類對生物醫學和生物學應用的表面涂層都非常有吸引力的材料。 聚合物不僅表現出良好的生物相容性，它們還使藥物傳輸成為可能。聚合物可以容易地進行表面修飾，并且在不再需要時，它們可以隨時間降解。 在可用聚合物的范圍內，聚電解質多層膜提供了許多可能性來創建具有期望性質的表面涂層，因而被大量應用于生物材料中。 這些涂層也可以被修飾用于釋放藥物或活性肽。對溫度、pH和離子強度的變化具有響應的聚合物刷也很受歡迎。
聚電解質多層膜是通過聚陽離子和聚陰離子的層層組裝生成的。 使用浸漬機的層層組裝技術不僅被證明是聚電解質沉積的優秀方法，而且還可以將無機顆粒或活性生物分子沉積在生物材料表面，具有涂覆復雜表面的優勢。
采用層層組裝沉積將羥基磷灰石和TiO 2納米顆粒固定在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA上，建立了一種簡單而快速的非熱涂層方法（ACS Appl.Mater.and Interfaces 2016,8,35565-35577）。 在另一項研究中，使用層層組裝沉積在玻璃基底上沉積厚度為25-70nm的多孔纖維素納米晶體和聚（乙烯醇）CNC / PVA納米復合材料膜（ACS Appl. Mater. and Interfaces 2014,6，12674-12683）。
QCM-D技術通常用于監測和表征聚合物刷以及聚電解質多層膜的構建和響應。可以根據吸附速率、膜厚度和剛性等實時表征聚電解質多層膜的逐層構建, 也可以對隨后在膜上的相互作用包括交聯、溶脹、鈣化、藥物傳輸和細胞粘附等進行表征。
生物相容性的表征和評價
由于生物材料與生物環境相結合以替代或改善器官或其他身體功能，生物材料或醫療裝置的性能和生物相容性強烈依賴于生物材料表面與其生理環境之間的相互作用。
可以通過接觸角測量來研究生物材料的生物相容性以表征細胞在生物材料上的粘附。 小的水接觸角和高表面自由能表明材料具有良好的粘附性能。表面粗糙度也會影響生物材料-細胞之間的相互作用。
生物相容性和潤濕性也對隱形眼鏡的發展起著重要作用，其中舒適鏡片需要良好的潤濕性。
QSense QCM-D能夠根據表面與生理環境之間相互作用的特性評價生物相容性，回答有關蛋白質吸附量、細胞附著于不同材料的程度、表面誘導免疫響應以及如何修改材料的表面以優化其功能等問題。 因此它是探索、表征和優化生物材料特性的有效工具。
多孔鈦表面的生物相容性
當在粗糙的生物材料表面上測量接觸角時，應考慮表面粗糙度。 鈦是骨植入應用中常用的金屬。 一定程度的孔隙度對于骨整合是有利的，因此，測量表面粗糙度是生物材料開發中的常規工作。粗糙度校正接觸角的測量可以將粗糙度對接觸角值的影響分離開。
樣品 | Sdr | 測得接觸角 (°) | 校正接觸角 (°) |
|---|---|---|---|
Ti 1 | 22 | 96 | 95 |
Ti 2 | 41 | 107 | 102 |
Ti 3 | 65 | 103 | 98 |
Ti 4 | 78 | 110 | 101 |
應用文摘 – 形貌和潤濕性對生物相容性的影響
[表面粗糙度和潤濕性下載]
隱形眼鏡的潤濕特性
隱形眼鏡的潤濕性是透鏡在其表面上支持連續和抗破裂淚膜的能力的量度。 具有有限潤濕性的透鏡不舒服，且視覺性能下降。利用不同類型的涂層來改善鏡片的質量。
通過靜態和動態接觸角測量評價隱形眼鏡的潤濕性能。 通常使用氣泡捕捉法測量，因為它可以模仿眼睛的狀況，保持鏡片表面上水合的狀態。 后退角模擬的是當眼瞼打開并且淚膜開始在鏡片上破裂時的情況。 另一方面，前進角模擬的是當眼瞼閉合并且鏡片上的淚膜開始恢復時的情況。
應用文摘下載：“氣泡捕捉法研究隱形眼鏡"
實時表征蛋白質吸附
當生物材料或醫療器械放置在體內時，蛋白質幾乎立即開始吸附到表面。在某些情況下，如整形外科植入體，由于蛋白質可以促進細胞的附著使得植入體有機結合，這種吸附是有益的。 在其他情況下，例如支架，因為某些蛋白質特別是纖維蛋白原的吸附可能引起血小板結合和隨后的血栓形成或免疫反應，蛋白質吸附通常是不利的。 蛋白質的構象也可能決定一個表面的活性及其可能伴隨的生物學反應。根據具體應用，可以對材料表面進行修飾來促成期望的效果。
QCM-D技術能夠實時分析蛋白質在各種表面上的吸附情況。 具體而言，可以分析結合的蛋白質的量以及吸附速率。 也可以從耗散響應中推斷出構象信息，特別是當蛋白質具有伸展的形狀時。 這有助于篩選新的醫療器械材料和表面修飾，并有助于了解蛋白質的吸附機制。
實時表征細胞粘附和鋪展
細胞與生物材料表面的粘附可能是調節其生物相容性和整合的主要因素。 例如，成骨細胞和成纖維細胞的粘附可以促進組織修復和傷口愈合。細胞粘附依賴于表面性質，例如表面能、粗糙度和吸附在表面上的蛋白質。
QCM-D技術提供了一種特別的方式來監測細胞，無論是在初始細胞粘附過程中，還是在細胞鋪展過程和實時形態學過程中。 QSense窗口模塊可同時進行QCM-D和光學顯微鏡研究，可將細胞的形態變化和粘彈性特性關聯起來。
生物礦化的表征
生物材料在骨結構內的整合或固定是實現成功植入的關鍵步驟。 植入失敗的主要原因之一是生物材料對骨的固定不良。為了增強植入體的固定，磷酸鈣（CaP）生物陶瓷涂層被用作植入體和周圍組織之間的生物活性界面。 這些涂層可以在聚電解質多層膜上制備，表面經修飾后可誘導CaP的晶體成核和受控生長。該方法具有可應用于復雜形狀和多孔材料的優點。
QCM-D可用于實時監測生物礦化的速度和程度，以了解生物礦化機制并調整聚電解質多層膜的功能。
相關博客文章
[表面粗糙度和潤濕性如何影響生物相容性]
[建立對羥基磷灰石芯片的需求]
[用于生物材料醫療器械研究的五大QSense芯片]
[Joy教授對生物材料研究的訪談 第二部分]
[Joy教授對生物材料研究的訪談]
[蛋白質在生物材料上的吸附]
[表面處理 & 涂層/制藥]
在藥物的研究和開發中，存在大量的表面，需要考慮和量身定制其行為和性能，以便在與周圍環境的相互作用中獲取好的性能。
這種典型的表面是產品的涂層如藥物片劑，其性質顯著影響藥物化合物的遞送和釋放。 其他一些非常重要的表面是藥物在配制、儲存和給藥階段接觸的那些表面，以及每個表面相互作用可能影響藥物穩定性的情況。
藥物開發
QSense的納克級別質量靈敏度為藥物發現和開發提供了無限潛力。通過QSense進行的研究活動包括：
各種實驗條件下，實時精確監測小分子藥物與蛋白質、細胞膜和RNA的相互作用。[1]
蛋白質-蛋白質相互作用[2]
小分子與RNA相互作用時，RNA的結構變化[3]
藥物遞送
QSense已被證明是一種成本效益高、時間效率高的技術，特別適用于表征脂質納米顆粒（LNP）及其藥物遞送特性方面。大量文獻證明QSense可以用于：
分析血清蛋白與脂質納米顆粒（LNP）的結合親和力[4]
生物分子（如siRNA和mRNA）在LNP上的結合與釋放[5]
將LNP遞送到目標器官[6]
在無細胞環境中篩選血清蛋白與LNPs的結合親和力[7]
分析LNPs的表面修飾[8]
脂質與生物活性分子（包括藥物、DNA和siRNA）的相互作用[9]
ApoE結合后對脂質成分分布和整體LNP結構的影響[24]
用于存儲功能化LNP的納米孔陣列[25]
提高LNPs核酸載荷遞送效率的LNP配方[26]
使用cDNA將微泡固定到支持的脂質雙層上[27]
穩定化立方體的嵌段共聚物與生物模擬脂質膜的相互作用[28]
制劑配方開發與優化、生物制藥生產、貯存和給藥過程中的蛋白質穩定性分析
利用QSense耗散型石英晶體微天平分析評估生物制藥配方的穩定性和材料相容性
在生物制藥的動態生命周期中，從初始研發創意到患者使用，穩定性和材料兼容性至關重要。在生產、儲存和給藥過程中生物藥品與各種表面的復雜相互作用可能導致意外吸附、濃度降低或蛋白質顆粒形成等挑戰。
主動篩查以降低風險
及早發現潛在問題對于避免時間表的干擾和財務損失至關重要。在開發過程中，主動篩查由表面誘導的不穩定性有助于降低后期失敗的風險。QSense® QCM-D可以提供對生物制藥相互作用的全面分析，提供納米尺度的分子吸附、脫附和結構變化的深入見解，以快速檢測不相容性。
QSense QCM-D作為生物制藥成功的早期評估工具的關鍵能力
分析生物制藥與相關表面材料的相互作用
快速評估在生物藥品開發早期的生產、儲存和給藥各個環節中使用的材料對完整配方的影響。
通過主動檢測不兼容性來最小化風險
快速測量候選配方在相關表面上的吸附量，并確定減輕不相容性的方法。
實時監測抗體和輔料的吸附情況
了解表面活性劑的作用機制及其作為穩定劑的潛力。
QSense進行配方開發評估
確定不同表面材料上的抗體吸附水平
深入了解材料表面的分子排列
識別哪些表面可能會引起不兼容性問題？
評估輔料對抗體吸附的影響
探索濃度、pH 值、溫度、表面材料或表面活性劑類型的變化如何影響吸附水平。
閱讀案例
下載白皮，了解有關如何使用QSense耗散型石英晶體微天平技術來降低晚期發現不兼容性的風險等更多信息。
下載白皮利用QSense耗散型石英晶體微天平分析評估生物制藥制劑的穩定性和材料相容性書
典型案例包括：
藥物與聚合物、玻璃、金屬和金屬氧化物、硅油等表面的相互作用[10]，[11]，[12]，[13]，[14]，[15]，[16]
輔料在減少藥物-蛋白質吸附到表面上的效果[17]
配方條件（濃度、pH值、溫度等）的影響； [18]
界面和界面應力在生物制品開發中的影響[19]
藥物-表面相互作用研究用QCM-D芯片列表 | ||
塑料包裝 | 聚丙烯 (PP) 聚氯乙烯 (PVC) 聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) | 聚乙烯 (PE) 低密度聚乙烯 (LDPE) 高密度聚乙烯 (HDPE) 線性低密度聚乙烯 (LLDPE) |
玻璃容器 | 硼硅酸鹽玻璃 | 蘇打石灰玻璃 |
包裝袋 | 環烯烴聚合物 (COP) | 環烯烴共聚物 (COC) |
過濾材料 | 聚偏二氟乙烯 (PVDF) 聚四氟乙烯 (PTFE) 聚碳酸酯 (PC) | 聚醚砜 (PES) 聚對苯二甲酸乙二醇酯甘油改性 (PET-G) |
預充填注射器 | 注射器 PDMS（硅油） | |
其他相關材料 | 聚苯乙烯 纖維素 不銹鋼L605 SS2343（類似于美國標準316） 乙烯-醋酸乙烯共聚物 (EVA) | 尼龍 聚氨酯 醋酸纖維素 聚丙烯腈 (PAN) * |
*注：多達 200 種芯片，可根據用戶要求定制芯片表面
生物材料與人體組織的相互作用
植入體和生物材料在人體內的生物相容性是它們成功發揮作用的關鍵。QSense提供了在分子層面對植入體表面或生物材料與人體血液和組織相互作用的體外分析。
各種眼部護理配方與黏蛋白/細胞膜表面的相互作用[20]。
生物傳感器開發
QSense也被廣泛用于蛋白質生物傳感器和即時檢測傳感器等類型傳感器的開發中。
蛋白質生物傳感器[21]，[22]
即時檢測傳感器(Point-of-care sensors)[23]
QSense QCM-D是一種表面敏感技術，可在納米尺度上檢測分子-表面的相互作用。它可用于分析吸附、解吸附和表面附著層結構變化等現象。
吸附 | 解吸附 | 構象變化 |
|
|
|
QSense基于 QCM-D 技術
耗散型石英晶體微天平（QCM-D）是一種實時、表面敏感的技術，可以用于分析表面相互作用現象、薄膜形成和薄膜特性。
探索 QCM-D
QSense Omni 耗散型石英晶體微天平
QSense Omni 是由QCM-D技術的先驅者瑞典百歐林科技有限公司推動研發的最新一代耗散性石英晶體微天平型號，是QCM-D新技術的集大成者。Omni比市面上任何一款QCM的靈敏度都要高，這使它能夠量化和監測更小的分子、更快的過程，是研究生物過程非常理想的工具。QSense有超過 200多種芯片表面材料和涂層可供選擇，支持模擬真實生物環境和過程，以表征蛋白質吸附速率、薄膜形成、吸附層剛性、鈣化、細胞附著等。
QSense Omni 耗散型石英晶體微天平
能夠檢測芯片表面微小至24 ng/cm2的變化
更快的流體交換（5倍于上代產品），提供更快和更清晰的樣品輸送
全系列自動化功能，最小化用戶依賴性
更簡化的工作流程和全新直觀的軟件界面，使更廣泛的用戶可以更加容易地使用QCM-D。
QSense優勢
直觀、自動化的實驗臺儀器
易于在實驗室中實施
蛋白質相互作用的實時數據
充分了解交互過程和機制
所需樣品量低至 90μl
從少量樣本中獲得有價值的結果
幾小時內即可獲得結果
快速顯示最終結果
可預編程的標準腳本
易于設置和重現測量
多種芯片可選
用于生物制藥的QSense芯片
QSense芯片使您能夠測量多種用于抗體和其他生物藥物的生產、儲存和給藥相關的相關表面材料的相互作用——從金屬、玻璃材料到聚合物，例如不銹鋼、硼硅酸鹽玻璃和生物級聚合物。
QSense PDMS 芯片
PDMS是潤滑注射器和類似實驗室器具的好選擇，在這些器具中，保持存儲液體和生物樣品的完整性至關重要。此外，其熱絕緣和電絕緣特性可保護敏感樣品和部件。
發現滿足您需求的芯片
芯片是 QCM-D 實驗的核心。瀏覽市場上種類齊全的芯片，找出哪種芯片材料和涂層適合您的研究需求。
用于包衣片制造的潤濕性表征
藥片上的涂層有多種用途。 涂層用于掩蓋口味或氣味、保護藥物免受胃酸環境的侵蝕或保護胃內膜免受侵襲性藥物的侵害。也可以設計涂層以控制藥物的釋放特征。 無論出于何種原因，涂層被應用于片劑核心，并且成功的前提之一是涂層與片劑的良好粘附性。
為確保良好的粘附性，涂層制劑應鋪展在片劑表面上。 如果有一些滲透到片劑的孔隙中，粘合力會增強。 可以通過接觸角和表面自由能測量來評估涂層制劑在片劑表面上的鋪展。 由于表面孔隙度也起作用，結合表面粗糙度測量和確定粗糙度校正的接觸角可以給這個問題提供更多的了解。
在某些情況下，由于會改變潤濕性質，所以無法將藥物壓縮成片劑形式。 Washburn法因此經常用于確定藥物化合物的接觸角。 Washburn法也被用于研究干法聚合物涂層等工藝中的潤濕性，其中聚合物粉末與不同添加劑的接觸角是令人感興趣的。
藥物化合物的接觸角測量
制藥工業通常使用不同的粉末作為藥物化合物，因此了解粉末的潤濕行為對制藥工業非常重要。
粉末的潤濕性可以采用Sigma 700/701用Washburn方法來測量。 在Washburn法中，根據粉末與液體接觸時重量隨時間的增加計算得到接觸角。
參考文獻
[1] Small-molecule-mediated control of the anti-tumour activity and off-tumour toxicity of a supramolecular bispecific T cell engager Nat. Biomed. Eng 2024, 8 (5), 513–528. https://doi.org/10.1038/s41551-023-01147-6.
[2] Genentech– Viscoelastic characterization of high concentration antibody formulations using quartz crystal microbalance with dissipation monitoring Journal of Pharmaceutical Sciences 2009, 98 (9), 3108–3116.
https://doi.org/10.1002/jps.21610.
[3] Roche– Reconstitution and Functional Analysis of a Full-Length Hepatitis C Virus NS5B Polymerase on a Supported Lipid Bilayer ACS Cent. Sci. 2016, 2 (7), 456–466. https://doi.org/10.1021/acscentsci.6b00112.
[4] A Fast and Reliable Method Based on QCM-D Instrumentation for the Screening of Nanoparticle/Blood Interactions Biosensors 2023, 13 (6), 607. https://doi.org/10.3390/bios13060607.
[5] A QCM-D and SAXS Study of the Interaction of Functionalised Lyotropic Liquid Crystalline Lipid Nanoparticles with siRNA ChemBioChem 2017, 18 (10), 921–930. https://doi.org/10.1002/cbic.201600613.
[6] Helper lipid structure influences protein adsorption and delivery of lipid nanoparticles to spleen and liver Biomater. Sci. 2021, 9 (4), 1449–1463.
https://doi.org/10.1039/D0BM01609H.
[7] AstraZeneca – Screening of the binding affinity of serum proteins to lipid nanoparticles in a cell free environment Journal of Colloid and Interface Science 2022, 610, 766–774. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.117.
[8] Insights into the mechanisms of interaction between inhalable lipid-polymer hybrid nanoparticles and pulmonary surfactant Journal of Colloid and Interface Science 2023, 633, 511–525.
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.11.059.
[9] On the interactions between RNA and titratable lipid layers: implications for RNA delivery with lipid nanoparticles Nanoscale 2024, 16 (2), 777–794.
https://doi.org/10.1039/D3NR03308B.
[10] Genentech – Adsorption and Aggregation of Monoclonal Antibodies at Silicone Oil–Water Interfaces Mol. Pharmaceutics 2021, 18 (4), 1656–1665. https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.0c01113.
[11] Bristol-Myers Squibb – Mechanistic Understanding of Protein-Silicone Oil Interactions Pharm Res 2012, 29 (6), 1689–1697.
https://doi.org/10.1007/s11095-012-0696-6.
[12] Bristol-Myers Squibb – Adsorption of polypropylene oxide-polyethylene oxide type surfactants at surfaces of pharmaceutical relevant materials: effect of surface energetics and surfactant structures Pharmaceutical Development and Technology 2019, 24 (1), 70–79. https://doi.org/10.1080/10837450.2018.1425431.
[13] Bristol-Myers Squibb – Particle Characterization for a Protein Drug Product Stored in Pre-Filled Syringes Using Micro-Flow Imaging, Archimedes, and Quartz Crystal Microbalance with Dissipation AAPS J 2017, 19 (1), 110–116.
https://doi.org/10.1208/s12248-016-9983-1.
[14] Pfizer – Engineering a ceramic piston pump to minimize particle formation for a therapeutic immunoglobulin: A combined factorial and modeling approach. J Adv Manuf & Process 2023, 5 (1), e10142.
https://doi.org/10.1002/amp2.10142.
[15] Antibody adsorption and orientation on hydrophobic surfaces Langmuir 2012, 28 (3), 1765–1774.
https://doi.org/10.1021/la203095p.
[16] AstraZeneca– The Impact of the Metal Interface on the Stability and Quality of a Therapeutic Fusion Protein Mol. Pharmaceutics 2020, 17 (2), 569–578. https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.9b01000.
[17] Janssen Pharmaceuticals (Johnson and Johnson) – Quartz Crystal Microbalance as a Predictive Tool for Drug-Material of Construction Interactions in Intravenous Protein Drug Administration Journal of Pharmaceutical Sciences 2023, 112 (12), 3154–3163. https://doi.org/10.1016/j.xphs.2023.07.019.
[18] Eli Lilly – Surface Interactions of Monoclonal Antibodies Characterized by Quartz Crystal Microbalance with Dissipation: Impact of Hydrophobicity and Protein Self-Interactions Journal of Pharmaceutical Sciences 2012, 101 (2), 519–529.
https://doi.org/10.1002/jps.22771.
[19] Bristol-Myers Squibb – Overview of the Impact of Protein Interfacial Instability on the Development of Biologic Products In Protein Instability at Interfaces During Drug Product Development; Li, J., Krause, M. E., Tu, R., Eds.; AAPS Advances in the Pharmaceutical Sciences Series; 2021; Vol. 43, pp 1–8.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-57177-1_1.
[20] Novartis Pharma – Understanding the adsorption and potential tear film stability properties of recombinant human lubricin and bovine submaxillary mucins in an in vitro tear film model Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2020, 195, 111257. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2020.111257.
[21] Dual-mode and Label-free Detection of Exosomes from Plasma Using an Electrochemical Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring Anal. Chem. 2022, 94 (5), 2465–2475. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04282.
[22] Amplified QCM-D biosensor for protein based on aptamer-functionalized gold nanoparticles Biosensors and Bioelectronics 2010, 26 (2), 575–579. https://doi.org/10.1016/j.bios.2010.07.034.
[23] Bioactivated PDMS microchannel evaluated as sensor for human CD4+ cells – The concept of a point-of-care method for HIV monitoring. Sensors and Actuators B: Chemical 2007, 123 (2), 847–855.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.10.034.
[24] Apolipoprotein E Binding Drives Structural and Compositional Rearrangement of mRNA-Containing Lipid Nanoparticles. ACS Nano 2021, 15 (4), 6709–6722. https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10064.
[25] Development of Nanopackaging for Storage and Transport of Loaded Lipid Nanoparticles. . Nano Lett. 2023, 23 (14), 6760–6767.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01271.
[26] Review of structural design guiding the development of lipid nanoparticles for nucleic acid delivery. Current Opinion in Colloid & Interface Science 2023, 66, 101705. https://doi.org/10.1016/j.cocis.2023.101705.
[27] QCM-D Investigations on Cholesterol–DNA Tethering of Liposomes to Microbubbles for Therapy. J. Phys. Chem. B 2023, 127 (11), 2466–2474.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c07256.
[28] Thermo-responsive lipophilic NIPAM-based block copolymers as stabilizers for lipid-based cubic nanoparticles. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 2022, 220, 112884. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2022.112884.
[生物界面 / 生物膜]
你在探索基于脂質結構的世界嗎?
基于脂質結構的生物膜和脂質體等被廣泛應用于多個領域的研究。例如，在新的生物傳感器系統的設計和開發、生物材料涂層和藥物輸送系統中，這些結構作為惰性表面、生物相容性的表面、細胞膜模仿或運輸載體等應用。
在生物膜的研究中，有兩種方法可以被利用。可以在空氣-水界面上形成一個漂浮的生物膜模型結構，使您能夠模擬細胞環境的特性和條件。
另一種方法是在固體基底上形成支撐的生物膜或脂基結構。支持的脂質雙層是脂質層沉積在表面上，并由預先確定的脂質比率組成，可能被標記為不同的分子或嵌入膜蛋白。這些薄膜可以幫助了解生物過程，并作為生物材料制備的關鍵因素。它們還可以參與更復雜的結構，如生物傳感器設計以及與各種生物或合成分子如配體、DNA、納米粒子、聚合物或其他脂質結構的相互作用。
在納米藥物的設計和開發中，以脂質為基礎的納米結構可以作為藥物運輸的血管和靶向性載體。將感興趣的藥物嵌入囊泡或膠束結構中，適合特定的環境條件，在穩定和減少毒性、延長循環時間、控制釋放率和改善組織靶向等方面加強藥物保護。
漂浮生物膜模型
大多數生物化學反應發生在細胞膜周圍或細胞內的磷脂雙層膜。細胞膜會影響蛋白質的折疊，并產生特定的會發生反應的微環境。要了解和模擬實際的生物系統，必須在模擬自然條件的環境中研究這些相互作用。膜磷脂的朗格繆爾單分子膜已被證實是很好的生物膜模型系統。
朗格繆爾單層磷脂膜類似于半生物膜，可用作模型細胞膜，并已被文獻證實是生物系統的優秀模型。在自由漂浮的單分子層中，分子的擴散和動力學接近于它們在實際系統中的作用。在自然界中，大多數生物化學反應發生在生物膜界面，自由漂浮的模型膜允許分子的自然擴散和遷移。為了研究細胞生物膜，Langmuir膜分析儀可以與除了Langmuir膜天平之外的各種傳感器和儀器相結合。其他的研究技術包括PM-IRRAS、BAM、SPOT、熒光顯微鏡和傳統的顯微鏡，這使得在單分子層中研究分子的相互作用、分子定位、堆積和微區形成成為可能。
模擬肺表面活性劑的行為
肺表面活性劑覆蓋肺的肺泡，在使呼吸變得更容易的過程中起著至關重要的作用。在吸入過程中，表面活性劑使組織的表面張力降低了約15倍，使肺泡膨脹更容易。在呼氣時，肺泡的表面積減少使表面活性劑更集中于表面。在呼氣結束時產生接近零的表面張力，這可以防止肺泡塌縮。
二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)是一種存在于肺泡表面的磷脂。DPPC的高度有序固相在呼氣時維持在肺泡的近零表面張力。為了模擬肺泡中實際的表面活性劑行為，需要在近零表面張力下進行測量。研究表明，KSV NIMA Langmuir緞帶滑障膜分析儀可以用來測量DPPC的近零表面張力。
應用文摘:使用緞帶滑障膜分析儀達到高的單分子層表面壓：近零表面張力時的肺表面活性劑
支撐脂質結構的構建
Langmuir- blodgett (LB)和Langmuir- Schaefer (LS)浸漬是兩種不同脂質組成的磷脂雙層磷脂的制備方法。結合LB和LS方法，也可以創建一個脂質組成不對稱磷脂雙分子層。例如，可以制備一些生物化學傳感器用于表面等離子體共振光譜、石英晶體微平衡測量和x射線光電子能譜。第三種方法是在QCM-D設置中，通過囊泡破裂和融合，直接在表面上制備支撐的磷脂雙層。
支撐生物膜-制備和表征
不管我們是在處理支撐的生物膜、脂質體還是其他基于脂質的結構，都能夠使用QSense QCM-D在表面上對相關吸收和釋放過程進行表征和驗證，這對理解、調整和優化基于脂質的系統非常重要。例如，可以在表面監測支撐脂膜的形成動力學，并評估形成的雙層膜的質量。也可以監測隨后與脂質膜的相互作用，如對膜結合分子的攝取或結合，或對其缺陷部分的驗證。在納米醫學的背景下，可以表征以脂質為基礎的納米結構的吸收、傳遞和釋放過程，并且可以作為靶向藥物傳遞的血管。
[生物界面 / 生物分子相互作用]
生物分子相互作用的分析是許多學科領域的焦點，從生物化學和生物技術到醫藥科學。是基礎科學和應用研究和開發的焦點，生物分子相互作用研究的目標是從純粹地獲得知識和理解生物系統和功能，到使用獲得的知識應用于設計藥物、仿生傳感器以及提高我們的生活質量的技術。
對生物分子相互作用的基本理解
例如，在基礎和應用研究中，對脂類蛋白和蛋白-配體相互作用機制的基本認識是一個目標，在這些研究中，這些系統被研究和表征得到生物分子相互作用過程。
QSense QCM-D是一種實時檢測和監測生物分子相互作用的方法，如結合和相互作用動力學以及分子層的結構變化。該方法已被用于提高對目標相互作用機制和配體結構變化的理解。它也被用于探索分子的行為和疾病的起因，如蛋白質折疊紊亂，多肽聚集成長而細的纖維、淀粉樣結構等。
由于自然界中大多數的生物化學反應發生在由磷脂雙層膜或細胞內的細胞膜上，膜會影響蛋白質的折疊，并創造出反應發生的特定微環境。要了解和模擬實際的生物系統，必須在模擬自然條件的環境中研究這些相互作用。膜磷脂的朗繆爾單分子膜已被證實為生物膜的優良模型系統。在藥物探索發現中，藥物通過細胞壁滲透到細胞以及藥物與細胞膜的反應是藥物傳遞的重要因素。這些可以通過研究藥物與漂浮生物膜模型的相互作用來評估。在食品工業中，過敏性蛋白的去除是非常重要的，通過分子水平的研究可以獲得更深入的理解。
應用文摘:生物分子在細胞膜模型中的相互作用。
應用研究與開發中的生物分子相互作用分析
一旦建立了生物分子相互作用行為領域的知識，就有可能使用這些新信息。在應用科學中，例如在藥物探索、納米毒理學或生物傳感器的設計中，生物分子的相互作用是關鍵，而這些知識可以用來確定新化合物的目標，并檢測潛在的新候選藥物。
在此背景下，QSense QCM-D被用于分析蛋白和蛋白與DNA的相互作用以及檢測抗體-抗原的相互作用。QCM-D對于小分子結合蛋白質后的三級結構的構象變化非常靈敏，可用于設計、驗證和優化藥物化合物。例如，研究淀粉樣生長抑制劑的影響，研究核酸受體的構象影響和篩選化合物與細胞的相互作用和蛋白質藥物靶點。
生物分子相互作用的知識也可以用來設計生物傳感器和檢測系統，在那里生物行為被模仿和使用，例如檢測和診斷疾病。
納米顆粒的毒性
納米粒子(NP)現在被應用于許多不同的行業，包括化妝品、油漆和涂料。因此，對納米顆粒的毒性進行了深入研究。由于其巨大的比表面積，吸入的納米顆粒可以誘導呼吸系統的肺部炎癥和不良免疫反應。
Langmuir膜分析儀為研究納米顆粒對脂質膜的影響提供了一種好的工具。研究了1wt %羥基磷灰石納米顆粒對天然肺表面活性劑(Infasurf)的等溫壓縮曲線的影響。在與納米顆粒接觸后，左側的等溫壓縮曲線有明顯的時間依賴性轉移，這表明了表面活性劑的抑制作用。
ACS Nano 2011, 5(8)， 6410-6416。2011美國化學學會版權所有。（經許可）
[功能表面 / 傳感器]
生活在當今社會，信息和可預測性受到高度重視，我們圍繞著大量的傳感器來探測、探測和測量周圍環境的各個方面。每天收集的信息量非常大，溫度、氣壓、光照強度或有毒物質只是其中的一些例子。
有時收集的數據僅僅是給我們提供信息和生活便利性，例如給我們一個信息，以便我們決定外出時是否帶一件額外的毛衣。但它也可以用作決定是否需要調節和控制，例如驗證壓力值是否保持在預設的最大值和最小值內。每種傳感器類型都基于特定的檢測方法，可以監控感興趣的參數。
生物傳感器是傳感器的一個子類。生物傳感器利用自然界設計的生物識別系統來進行檢測，如與受體結合的目標物。然后這些信息被轉換并收集讀數?；趯щ娋酆衔锏膫鞲衅饔捎谄?/span>高的應用潛力而正被深入研究。Langmuir-Blodgett技術能夠生產高度組裝的可控厚度薄膜，因此也已被用于傳感器應用中，。這些傳感器已被用于氣體傳感器以及溶液中痕量抗生素的檢測。不同的檢測手段從光學檢測到電導率測量都在被應用。
QSense QCM-D作為聲學生物傳感器
生物傳感器應用于許多領域，如醫療應用、食品工業和國防。除生物識別元件外，生物傳感器還包含兩個部分：可以檢測生物識別的傳感器以及可解釋的信號讀出。傳感器可以基于不同的原理。一種常見的傳感器原理是聲學傳感如石英晶體微量天平（QCM）?；趬弘娫磉M行檢測的QCM技術是生物傳感中的一種方法，并且在生物傳感器開發和應用中已經使用了幾十年。
正如這篇廣為流傳且詳細的聲學生物傳感器綜述所詳述的，生物傳感器的生物檢測系統可以根據抗體、蛋白質、DNA、細胞、脂質結構、碳水化合物和納米顆粒等進行設計及構建相關模塊。構建模塊和識別組件的范圍從小到大，能夠檢測從重金屬離子和DNA雜交到細胞附著、增殖和生長以及細胞對外部刺激的響應。潛在的檢測系統范圍非常廣泛，并且在不斷探索傳感器界面處理策略來提高其靈敏度和選擇性。
導電聚合物基傳感器
隨著小型化設備越來越受到重視，新開發的納米材料可以進一步發展這一領域。許多這類材料的制備不能用傳統的微制造方法，而是使用一些新興的技術。
導電聚合物如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯及其衍生物已被用作氣體傳感器的活性層以及用于固定化酶生物傳感器的制作。由導電聚合物制成的傳感器具有許多優秀的特性，例如高靈敏度和短響應時間。導電聚合物也容易合成，并且它們具有良好的機械性能。LB膜分析儀可用于制備較大面積的高度可控導電聚合物薄膜。
[功能表面 / 生物功能材料]
在整個人類歷史中，人們都在試圖替換或修復受損或患病的身體部位以修復和恢復其功能。 通常，人們根據可用性來選擇植入材料；近代歷史，隨著生物相容性概念的提出以及相關研究的深入，生物相容性也作為重要的選擇指標之一，而我們可能正處于看到新模式和下一代生物材料的曙光之際。
歷史早的修復和替換身體部位的記錄可以追溯到幾千年前1。那時，生物相容性或滅菌的概念尚未提出。縱觀人類歷史，用作身體部位替代品的材料在在各個時期都有所不同。 從瑪雅時期的海貝殼到第二次世界大戰后英雄時代的聚合物、金屬和陶瓷等現成材料，再到根據生物相容性設計的現代工程材料，例如有機硅、水凝膠和羥基磷灰石等?，F在下一代生物材料也正在開發中。新一代材料不僅擁有良好的生物相容性，同時也具有一定的功能性。這些材料可以調整和用于控制生理環境并具有誘導響應性如組織修復。
超分子和生物活性材料
成功整合肌體的植入物可以通過復制缺失組織的結構來有效地修復缺失的身體部位。但即使植入物材料被人體相容，仍然存在出現長期并發癥和組織功能永遠喪失的可能性?？梢灶A見的是，生物活性涂層通過誘導組織再生和修復反應等相互作用可以恢復身體功能，這方面的工作已經在進行中。這些生物功能材料被設計成刺激響應的超分子納米結構，通常，這些材料是聚合物、合成膜或其他納米級組裝體，通過嵌入生物分子如蛋白質、肽或藥物進行功能化。這些材料的功能具有響應性和可預測性，設計目的是旨在感知和響應周圍的生理環境，可提供一個控制良好的表面。這些超分子體系和材料不僅可用作組織工程和再生醫學中的植入涂層，而且還可用作刺激響應性藥物遞送和免疫學的藥物載體。
超分子生物活性材料的設計和表征
這些超分子納米結構具有應用于材料特性的修飾和調整的潛力，有望確實解決當前的一些生物醫學挑戰，并且可能確立下一代生物材料的地位。
然而，為了以受控的方式設計這些生物活性材料，需要了解納米級組件的組裝過程，并且表征不同環境條件下的材料性質。采用QSense技術，可以實時監測材料的組裝情況，并可表征不同鹽濃度、溫度、pH值和類似的環境參數對材料結構的動態影響。該技術還能夠評估例如細胞粘附和鋪展性質等的功能效應。
參考文獻
生物材料科學，第3版。 醫學材料簡介
編輯：Buddy Ratner . Allan Hoffman. Frederick Schoen. Jack Lemons, 2012
2
