Piuma 產品介紹

Optics11 Life 公司的 Piuma生物納米壓痕儀是一款設計精巧且功能強大的納米壓痕儀，作為該公司產品系列中的入門級平臺，憑借其的技術優勢與出色性能，在材料科學尤其是軟物質及生物材料研究領域發揮著關鍵作用，為科研人員提供了深入探究材料微觀機械特性的有力手段。

一、產品用途

Piuma生物納米壓痕儀專為測量生理條件下復雜和不規則材料的機械性能而打造，適用于從微觀到宏觀尺度的軟材料研究。在生物醫學領域，可用于表征大型生物組織（如皮膚、肌肉等）的力學特性，助力理解組織的生理功能與病理變化機制；對生物材料（如生物支架、3D 打印生物材料等）的微納米機械性能進行精準評估，為其設計與優化提供關鍵數據支持，推動組織工程和再生醫學的發展。在材料科學中，能對水凝膠、聚合物等軟物質材料進行全面的力學分析，為新型材料的研發與應用拓展邊界。通過對材料從微觀細胞層面到宏觀整體的機械指紋圖譜繪制，Piuma 為研究力學在生物學和生物材料科學中的作用提供了深刻見解。

二、功能特性

1. 優良的光纖干涉技術：采用 Optics11 自主研發的光纖干涉 MEMS 技術，其核心的光學壓痕探頭利用干涉儀精確監測懸臂梁形變。與傳統原子力顯微鏡（AFM）的反射光路相比，該技術背景噪音更低，抗干擾能力更強。這使得 Piuma 能夠以無損方式測量極其柔軟的材料，同時保證高分辨率，有效解決了 AFM 在力學測試中波動大、操作困難以及制樣嚴苛等問題 。例如，在對水凝膠等極軟材料進行測試時，可精準捕捉其微小的力學變化。

2. 探頭設計：探頭采用小型化的玻璃探針式壓頭，由硼硅酸鹽基底和懸臂的丙烯酸探針支架組成，材質為硼硅酸鹽玻璃或二氧化硅。每個探頭均預先組裝好，包含光纖和連接器，并在 Optics11 總部使用優良計量設備進行校準，實現即插即用 。這種設計不僅提高了探頭對樣品粗糙度的寬容度，而且其平行懸臂梁結構有助于準確判別壓痕深度與壓電陶瓷位移比例關系。科研人員能夠據此方便地選擇合適剛度的探頭，保證彈性形變關系的穩定性，進而獲取重復性更高、準確性更好的數據。不同剛度的探頭（0.025 - 200 N/m）可滿足從極軟到相對較硬材料的測試需求。

3. 高精度移動平臺：

? 壓痕移動平臺：具備粗進與精進兩級移動精度。粗調可快速定位樣品，精調則實現高精度壓痕操作。儀器能夠使探針自動尋找樣品表面，確保精確壓痕，為實驗提供可靠的位移控制。在對不規則樣品進行測試時，可通過精準的位移控制，保證壓痕位置的準確性。

? 手動樣品移動平臺：為各種樣品及容器提供放置空間，方便樣品的安放與調整。無論是培養皿中的水凝膠樣品，還是玻片上的組織樣本，都能輕松放置與固定。

? X - Y 移動臺：可在 12×12 mm 范圍內對樣品進行楊氏模量測試或多點陣測試，滿足不同實驗對樣品測試區域及范圍的多樣化需求。科研人員能夠根據研究目的，靈活選擇測試區域，全面了解樣品不同部位的力學性能。

1. 多樣化測試模式：

? 準靜態測試：支持單點和矩陣壓痕測試。單點壓痕可獲取材料在特定位置的楊氏模量等參數，用于分析材料的局部彈性性能；矩陣壓痕則能對樣品表面進行網格化測試，繪制材料表面的力學性能分布圖，全面了解材料彈性性能的均勻性。

? 蠕變和應力松弛測試：通過該測試模式，能夠研究材料在恒定載荷或位移下，隨時間變化的變形或應力松弛行為 。這對于深入了解材料的粘彈性特性至關重要，例如在研究生物組織的長期力學響應時，可通過此測試模式模擬組織在生理環境下長時間受力的情況。

? 動態力學分析（DMA）：Piuma 開創性地加入了動態力學分析功能，可獲得材料與振動頻率相關的儲存模量（E'）、損失模量（E''）和損耗因子（tanδ）。通過在不同頻率條件下對材料進行動態壓痕測試，獲取材料在交變力作用下的力學響應，用于研究材料的粘彈性、滯后現象和力學損耗等特性。例如在評估水凝膠作為減震材料的性能時，DMA 測試可提供關鍵數據。

1. 液體環境測試優勢：特別適合在液體中測試樣品，可對水合樣品進行測量，模擬生物材料在生理環境下的真實狀態。無論是生物組織浸在緩沖液或培養基中，還是水凝膠等含水材料，Piuma 都能準確測量其力學性能。這一特性為生物醫學領域研究提供了接近生理條件的測試環境，保證了測試結果的生物學相關性。例如在研究血管組織在血液環境下的力學性能時，可直接在模擬血液的液體環境中進行測試。

2. 便捷的操作與數據處理：

? 操作流程簡化：操作簡單易學，研究人員只需將探頭插入儀器，完成簡單定標后，即可馬上開始壓痕實驗 。儀器具備自動尋找表面功能，進一步降低操作難度，節省實驗時間，尤其適合對時間敏感的樣品測試。即使是初次接觸的科研人員，經過簡單培訓也能快速上手操作。

? 數據采集與分析：實時分析計算測量結果，原始數據以文本文件存儲，方便隨時導入 Dataviewer 軟件或其他常用數據分析軟件進行復雜處理。借助功能強大且易于操作的軟件，用戶可自由控制壓痕程序（如載荷、位移等），并通過自動處理曲線流程，快速獲得數據和結果分析。軟件支持多種力學模型，利用 Hertz 接觸模型從加載部分計算彈性模量，相較于常用的 Oliver&Pharr 方法，更適合生物組織和軟物質材料特性 。例如在分析細胞力學數據時，使用 Hertz 模型能更準確地反映細胞的彈性特性。

1. 內置顯微鏡觀察：配備內置式光學顯微鏡，方便操作人員在實驗前尋找樣品感興趣區域。在實驗過程中，可直接觀察壓痕過程，實時監控實驗進展，確保測試位點的準確性。同時，有助于分析實驗結果與樣品微觀結構之間的關系。例如在對細胞進行壓痕測試時，可通過顯微鏡觀察細胞在受力過程中的形態變化，結合力學數據深入理解細胞的力學行為機制。

三、相關參數匯總

1. 力學性能測量范圍：

? 楊氏模量：測量范圍為 5 Pa - 1 GPa，可覆蓋從極其柔軟的水凝膠（如某些細胞外基質模擬水凝膠，模量在 Pa - kPa 級別）到相對較硬的部分生物材料（如軟骨組織，模量可達 MPa - GPa 級別）等廣泛的軟物質材料。在表征低模量材料時，能準確區分不同材料之間的細微差異，為材料研發和性能評估提供高精度數據。

? 力學分辨率：高達 0.1 nN，可精準感知微小的力學變化。在對細胞等對力敏感的樣本進行測試時，能夠捕捉到細胞在受力過程中極其微弱的力響應，為研究材料微觀力學性能提供高靈敏度的數據采集能力。

? 壓痕深度：至大可達 100 µm，能夠深入樣品內部獲取不同深度的力學信息 。對于研究材料的力學性能梯度變化（如一些多層結構的生物材料或涂層材料）具有重要意義，可全面了解材料從表面到內部的力學特性。

1. 壓痕探頭參數：

? 探頭尺寸：半徑范圍為 3 - 250 µm ，可根據不同樣品的特性及實驗需求選擇合適尺寸的探頭。對于微觀細胞測試，可選用小尺寸探頭（如半徑 3 - 10 µm），精準作用于單個細胞；對于宏觀組織或較大尺寸的水凝膠樣品，可選擇大尺寸探頭（如半徑 100 - 250 µm），確保測試結果能代表材料整體力學性能。

? 壓痕動態頻率帶寬：在 DMA 測試模式下，頻率范圍為 0.1 - 10 Hz ，能夠在不同頻率條件下對材料進行動態壓痕測試，獲取材料在交變力作用下的力學響應。通過調整頻率，可模擬材料在不同實際應用場景中的受力頻率，深入研究材料的粘彈性等特性。

1. 樣品移動與定位參數：

? 樣品移動范圍：X - Y 方向為 12×12 mm²，配合 Z 軸 12 mm 的移動行程，可對較大尺寸的樣品進行全面測量。且能適應不同形狀和大小的樣品，無論是規則的方形水凝膠塊，還是不規則的生物組織切片，都能在平臺上穩定放置并進行測試。

? 最小點陣間距：小于 1 µm ，在進行多點陣測試時，可實現高分辨率的力學性能 mapping。能夠精確捕捉樣品表面力學性能的細微變化，對于研究材料表面力學性能的異質性（如腫瘤組織與正常組織邊界處的力學性能差異）具有重要價值。

? 點陣測試速度：高可達 1 點 /s ，保證在高通量測試需求下，仍能高效且準確地完成測量任務。在對大量水凝膠樣品進行質量篩查或對組織樣本進行大面積力學性能分析時，可快速獲取數據，提高研究效率。

1. 其他性能參數：

? 加熱器精度（可選）：小于 0.5 °C ，若實驗需要控制溫度條件，該高精度加熱器可提供穩定的溫度環境 。例如在模擬人體生理溫度（37 °C）對生物組織進行力學測試時，能精準維持溫度穩定，確保測試結果不受溫度波動影響。

? 背光系統（可選）：采用準直光（LED），在實驗過程中為樣品觀察提供良好的照明條件。操作人員可清晰觀察樣品狀態，尤其是在使用內置顯微鏡觀察樣品微觀結構和壓痕過程時，良好的照明有助于更準確地判斷測試位點和觀察樣品變化。

? 內置 / 側向攝像頭（可選）：分辨率大于 10 µm ，可實時記錄實驗過程。一方面輔助實驗操作，確保壓痕位置準確；另一方面，為后續實驗結果分析提供影像資料，方便科研人員回顧實驗細節，將材料的力學性能變化與宏觀形態改變相結合進行深入研究。

憑借以上的功能與精準的參數，Piuma 已成為眾多高校、科研機構在軟物質材料力學研究方面的重要工具，有力推動了相關領域的科研進展。