Piuma 产品介绍

Optics11 Life 公司的 Piuma生物纳米压痕仪是一款设计精巧且功能强大的纳米压痕仪，作为该公司产品系列中的入门级平台，凭借其的技术优势与出色性能，在材料科学尤其是软物质及生物材料研究领域发挥着关键作用，为科研人员提供了深入探究材料微观机械特性的有力手段。

一、产品用途

Piuma生物纳米压痕仪专为测量生理条件下复杂和不规则材料的机械性能而打造，适用于从微观到宏观尺度的软材料研究。在生物医学领域，可用于表征大型生物组织（如皮肤、肌肉等）的力学特性，助力理解组织的生理功能与病理变化机制；对生物材料（如生物支架、3D 打印生物材料等）的微纳米机械性能进行精准评估，为其设计与优化提供关键数据支持，推动组织工程和再生医学的发展。在材料科学中，能对水凝胶、聚合物等软物质材料进行全面的力学分析，为新型材料的研发与应用拓展边界。通过对材料从微观细胞层面到宏观整体的机械指纹图谱绘制，Piuma 为研究力学在生物学和生物材料科学中的作用提供了深刻见解。

二、功能特性

1. 优良的光纤干涉技术：采用 Optics11 自主研发的光纤干涉 MEMS 技术，其核心的光学压痕探头利用干涉仪精确监测悬臂梁形变。与传统原子力显微镜（AFM）的反射光路相比，该技术背景噪音更低，抗干扰能力更强。这使得 Piuma 能够以无损方式测量极其柔软的材料，同时保证高分辨率，有效解决了 AFM 在力学测试中波动大、操作困难以及制样严苛等问题 。例如，在对水凝胶等极软材料进行测试时，可精准捕捉其微小的力学变化。

2. 探头设计：探头采用小型化的玻璃探针式压头，由硼硅酸盐基底和悬臂的丙烯酸探针支架组成，材质为硼硅酸盐玻璃或二氧化硅。每个探头均预先组装好，包含光纤和连接器，并在 Optics11 总部使用优良计量设备进行校准，实现即插即用 。这种设计不仅提高了探头对样品粗糙度的宽容度，而且其平行悬臂梁结构有助于准确判别压痕深度与压电陶瓷位移比例关系。科研人员能够据此方便地选择合适刚度的探头，保证弹性形变关系的稳定性，进而获取重复性更高、准确性更好的数据。不同刚度的探头（0.025 - 200 N/m）可满足从极软到相对较硬材料的测试需求。

3. 高精度移动平台：

◦ 压痕移动平台：具备粗进与精进两级移动精度。粗调可快速定位样品，精调则实现高精度压痕操作。仪器能够使探针自动寻找样品表面，确保精确压痕，为实验提供可靠的位移控制。在对不规则样品进行测试时，可通过精准的位移控制，保证压痕位置的准确性。

◦ 手动样品移动平台：为各种样品及容器提供放置空间，方便样品的安放与调整。无论是培养皿中的水凝胶样品，还是玻片上的组织样本，都能轻松放置与固定。

◦ X - Y 移动台：可在 12×12 mm 范围内对样品进行杨氏模量测试或多点阵测试，满足不同实验对样品测试区域及范围的多样化需求。科研人员能够根据研究目的，灵活选择测试区域，全面了解样品不同部位的力学性能。

1. 多样化测试模式：

◦ 准静态测试：支持单点和矩阵压痕测试。单点压痕可获取材料在特定位置的杨氏模量等参数，用于分析材料的局部弹性性能；矩阵压痕则能对样品表面进行网格化测试，绘制材料表面的力学性能分布图，全面了解材料弹性性能的均匀性。

◦ 蠕变和应力松弛测试：通过该测试模式，能够研究材料在恒定载荷或位移下，随时间变化的变形或应力松弛行为 。这对于深入了解材料的粘弹性特性至关重要，例如在研究生物组织的长期力学响应时，可通过此测试模式模拟组织在生理环境下长时间受力的情况。

◦ 动态力学分析（DMA）：Piuma 开创性地加入了动态力学分析功能，可获得材料与振动频率相关的储存模量（E'）、损失模量（E''）和损耗因子（tanδ）。通过在不同频率条件下对材料进行动态压痕测试，获取材料在交变力作用下的力学响应，用于研究材料的粘弹性、滞后现象和力学损耗等特性。例如在评估水凝胶作为减震材料的性能时，DMA 测试可提供关键数据。

1. 液体环境测试优势：特别适合在液体中测试样品，可对水合样品进行测量，模拟生物材料在生理环境下的真实状态。无论是生物组织浸在缓冲液或培养基中，还是水凝胶等含水材料，Piuma 都能准确测量其力学性能。这一特性为生物医学领域研究提供了接近生理条件的测试环境，保证了测试结果的生物学相关性。例如在研究血管组织在血液环境下的力学性能时，可直接在模拟血液的液体环境中进行测试。

2. 便捷的操作与数据处理：

◦ 操作流程简化：操作简单易学，研究人员只需将探头插入仪器，完成简单定标后，即可马上开始压痕实验 。仪器具备自动寻找表面功能，进一步降低操作难度，节省实验时间，尤其适合对时间敏感的样品测试。即使是初次接触的科研人员，经过简单培训也能快速上手操作。

◦ 数据采集与分析：实时分析计算测量结果，原始数据以文本文件存储，方便随时导入 Dataviewer 软件或其他常用数据分析软件进行复杂处理。借助功能强大且易于操作的软件，用户可自由控制压痕程序（如载荷、位移等），并通过自动处理曲线流程，快速获得数据和结果分析。软件支持多种力学模型，利用 Hertz 接触模型从加载部分计算弹性模量，相较于常用的 Oliver&Pharr 方法，更适合生物组织和软物质材料特性 。例如在分析细胞力学数据时，使用 Hertz 模型能更准确地反映细胞的弹性特性。

1. 内置显微镜观察：配备内置式光学显微镜，方便操作人员在实验前寻找样品感兴趣区域。在实验过程中，可直接观察压痕过程，实时监控实验进展，确保测试位点的准确性。同时，有助于分析实验结果与样品微观结构之间的关系。例如在对细胞进行压痕测试时，可通过显微镜观察细胞在受力过程中的形态变化，结合力学数据深入理解细胞的力学行为机制。

三、相关参数汇总

1. 力学性能测量范围：

◦ 杨氏模量：测量范围为 5 Pa - 1 GPa，可覆盖从极其柔软的水凝胶（如某些细胞外基质模拟水凝胶，模量在 Pa - kPa 级别）到相对较硬的部分生物材料（如软骨组织，模量可达 MPa - GPa 级别）等广泛的软物质材料。在表征低模量材料时，能准确区分不同材料之间的细微差异，为材料研发和性能评估提供高精度数据。

◦ 力学分辨率：高达 0.1 nN，可精准感知微小的力学变化。在对细胞等对力敏感的样本进行测试时，能够捕捉到细胞在受力过程中极其微弱的力响应，为研究材料微观力学性能提供高灵敏度的数据采集能力。

◦ 压痕深度：至大可达 100 µm，能够深入样品内部获取不同深度的力学信息 。对于研究材料的力学性能梯度变化（如一些多层结构的生物材料或涂层材料）具有重要意义，可全面了解材料从表面到内部的力学特性。

1. 压痕探头参数：

◦ 探头尺寸：半径范围为 3 - 250 µm ，可根据不同样品的特性及实验需求选择合适尺寸的探头。对于微观细胞测试，可选用小尺寸探头（如半径 3 - 10 µm），精准作用于单个细胞；对于宏观组织或较大尺寸的水凝胶样品，可选择大尺寸探头（如半径 100 - 250 µm），确保测试结果能代表材料整体力学性能。

◦ 压痕动态频率带宽：在 DMA 测试模式下，频率范围为 0.1 - 10 Hz ，能够在不同频率条件下对材料进行动态压痕测试，获取材料在交变力作用下的力学响应。通过调整频率，可模拟材料在不同实际应用场景中的受力频率，深入研究材料的粘弹性等特性。

1. 样品移动与定位参数：

◦ 样品移动范围：X - Y 方向为 12×12 mm²，配合 Z 轴 12 mm 的移动行程，可对较大尺寸的样品进行全面测量。且能适应不同形状和大小的样品，无论是规则的方形水凝胶块，还是不规则的生物组织切片，都能在平台上稳定放置并进行测试。

◦ 最小点阵间距：小于 1 µm ，在进行多点阵测试时，可实现高分辨率的力学性能 mapping。能够精确捕捉样品表面力学性能的细微变化，对于研究材料表面力学性能的异质性（如肿瘤组织与正常组织边界处的力学性能差异）具有重要价值。

◦ 点阵测试速度：高可达 1 点 /s ，保证在高通量测试需求下，仍能高效且准确地完成测量任务。在对大量水凝胶样品进行质量筛查或对组织样本进行大面积力学性能分析时，可快速获取数据，提高研究效率。

1. 其他性能参数：

◦ 加热器精度（可选）：小于 0.5 °C ，若实验需要控制温度条件，该高精度加热器可提供稳定的温度环境 。例如在模拟人体生理温度（37 °C）对生物组织进行力学测试时，能精准维持温度稳定，确保测试结果不受温度波动影响。

◦ 背光系统（可选）：采用准直光（LED），在实验过程中为样品观察提供良好的照明条件。操作人员可清晰观察样品状态，尤其是在使用内置显微镜观察样品微观结构和压痕过程时，良好的照明有助于更准确地判断测试位点和观察样品变化。

◦ 内置 / 侧向摄像头（可选）：分辨率大于 10 µm ，可实时记录实验过程。一方面辅助实验操作，确保压痕位置准确；另一方面，为后续实验结果分析提供影像资料，方便科研人员回顾实验细节，将材料的力学性能变化与宏观形态改变相结合进行深入研究。

凭借以上的功能与精准的参数，Piuma 已成为众多高校、科研机构在软物质材料力学研究方面的重要工具，有力推动了相关领域的科研进展。