Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Vertoon 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig.Gebruik die Vorige en Volgende-knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Met die ontwikkeling van nuwe ultrasagte materiale vir mediese toestelle en biomediese toepassings, is die omvattende karakterisering van hul fisiese en meganiese eienskappe beide belangrik en uitdagend.'n Gemodifiseerde atoomkragmikroskopie (AFM) nano-inkepingstegniek is toegepas om die uiters lae oppervlakmodulus van die nuwe lehfilcon A biomimetiese silikoon hidrogel kontaklens wat met 'n laag vertakte polimeer kwas strukture bedek is, te karakteriseer.Hierdie metode laat presiese bepaling van kontakpunte toe sonder die uitwerking van viskeuse ekstrusie wanneer vertakte polimere nader word.Daarbenewens maak dit dit moontlik om die meganiese eienskappe van individuele kwaselemente te bepaal sonder die effek van porelastisiteit.Dit word bereik deur 'n AFM-sonde te kies met 'n ontwerp (puntgrootte, geometrie en veertempo) wat veral geskik is vir die meting van die eienskappe van sagte materiale en biologiese monsters.Hierdie metode verbeter sensitiwiteit en akkuraatheid vir akkurate meting van die baie sagte materiaal lehfilcon A, wat 'n uiters lae elastisiteitsmodulus op die oppervlakarea (tot 2 kPa) en 'n uiters hoë elastisiteit in die interne (byna 100%) waterige omgewing het .Die resultate van die oppervlakstudie het nie net die ultrasagte oppervlak eienskappe van die lehfilcon A lens geopenbaar nie, maar het ook getoon dat die modulus van die vertakte polimeer borsels vergelykbaar was met dié van die silikon-waterstof substraat.Hierdie oppervlakkarakteriseringstegniek kan op ander ultrasagte materiale en mediese toestelle toegepas word.
Die meganiese eienskappe van materiale wat ontwerp is vir direkte kontak met lewende weefsel word dikwels deur die biologiese omgewing bepaal.Die perfekte pasmaat van hierdie materiaal eienskappe help om die verlangde kliniese eienskappe van die materiaal te bereik sonder om nadelige sellulêre reaksies te veroorsaak1,2,3.Vir grootmaat homogene materiale is die karakterisering van meganiese eienskappe relatief maklik as gevolg van die beskikbaarheid van standaardprosedures en toetsmetodes (bv. mikroinkeping4,5,6).Vir ultrasagte materiale soos gels, hidrogels, biopolimere, lewende selle, ens., is hierdie toetsmetodes egter oor die algemeen nie van toepassing nie as gevolg van metingsresolusiebeperkings en die onhomogeniteit van sommige materiale7.Oor die jare is tradisionele inkepingsmetodes aangepas en aangepas om 'n wye reeks sagte materiale te kenmerk, maar baie metodes ly steeds aan ernstige tekortkominge wat hul gebruik beperk8,9,10,11,12,13.Die gebrek aan gespesialiseerde toetsmetodes wat die meganiese eienskappe van supersagte materiale en oppervlaklae akkuraat en betroubaar kan karakteriseer, beperk die gebruik daarvan in verskeie toepassings ernstig.
In ons vorige werk het ons die lehfilcon A (CL) kontaklens bekendgestel, 'n sagte heterogene materiaal met al die ultra-sagte oppervlak eienskappe afgelei van potensieel biomimetiese ontwerpe geïnspireer deur die oppervlak van die kornea van die oog.Hierdie biomateriaal is ontwikkel deur 'n vertakte, kruisgekoppelde polimeerlaag van poli(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholien (MPC)) (PMPC) op 'n silikoon hidrogel (SiHy) 15 te ent wat ontwerp is vir mediese toestelle gebaseer op.Hierdie entproses skep 'n laag op die oppervlak wat bestaan ​​uit 'n baie sagte en hoogs elastiese vertakte polimeriese kwasstruktuur.Ons vorige werk het bevestig dat die biomimetiese struktuur van lehfilcon A CL voortreflike oppervlak-eienskappe bied, soos verbeterde benatting en aangroei voorkoming, verhoogde smeerbaarheid en verminderde sel- en bakteriese adhesie15,16.Daarbenewens dui die gebruik en ontwikkeling van hierdie biomimetiese materiaal ook op verdere uitbreiding na ander biomediese toestelle.Daarom is dit van kritieke belang om die oppervlak-eienskappe van hierdie ultrasagte materiaal te karakteriseer en die meganiese interaksie daarvan met die oog te verstaan ​​om 'n omvattende kennisbasis te skep om toekomstige ontwikkelings en toepassings te ondersteun.Die meeste kommersieel beskikbare SiHy-kontaklense is saamgestel uit 'n homogene mengsel van hidrofiele en hidrofobiese polimere wat 'n eenvormige materiaalstruktuur vorm17.Verskeie studies is uitgevoer om hul meganiese eienskappe te ondersoek met behulp van tradisionele kompressie-, trek- en mikroinkepingstoetsmetodes18,19,20,21.Die nuwe biomimetiese ontwerp van lehfilcon A CL maak dit egter 'n unieke heterogene materiaal waarin die meganiese eienskappe van die vertakte polimeer kwas strukture aansienlik verskil van dié van die SiHy basis substraat.Daarom is dit baie moeilik om hierdie eienskappe akkuraat te kwantifiseer deur gebruik te maak van konvensionele en inkepingsmetodes.'n Belowende metode gebruik die nano-inkepingstoetsmetode wat in atoomkragmikroskopie (AFM) geïmplementeer is, 'n metode wat gebruik is om die meganiese eienskappe van sagte viskoelastiese materiale soos biologiese selle en weefsels, asook sagte polimere22,23,24,25 te bepaal. .,26,27,28,29,30.In AGS-nano-inspringing word die grondbeginsels van nano-inkepingstoetsing gekombineer met die nuutste vooruitgang in AGS-tegnologie om verhoogde metingsensitiwiteit en toetsing van 'n wye reeks inherent supersagte materiale31,32,33,34,35,36 te verskaf.Daarbenewens bied die tegnologie ander belangrike voordele deur die gebruik van verskillende geometrieë.inspringer en sonde en die moontlikheid om in verskeie vloeibare media te toets.
AFM-nano-inkeping kan voorwaardelik in drie hoofkomponente verdeel word: (1) toerusting (sensors, detektors, sondes, ens.);(2) metingsparameters (soos krag, verplasing, spoed, opritgrootte, ens.);(3) Dataverwerking (basislynkorreksie, raakpuntberaming, datapassing, modellering, ens.).'n Beduidende probleem met hierdie metode is dat verskeie studies in die literatuur wat AFM nano-inkeping gebruik, baie verskillende kwantitatiewe resultate rapporteer vir dieselfde monster/sel/materiaal tipe37,38,39,40,41.Byvoorbeeld, Lekka et al.Die invloed van AFM sonde meetkunde op die gemete Young se modulus van monsters van meganies homogene hidrogel en heterogene selle is bestudeer en vergelyk.Hulle rapporteer dat moduluswaardes hoogs afhanklik is van cantilever-seleksie en puntvorm, met die hoogste waarde vir 'n piramidevormige sonde en die laagste waarde van 42 vir 'n sferiese sonde.Net so het Selhuber-Unkel et al.Daar is getoon hoe die inkepingspoed, inkepingsgrootte en dikte van poliakrielamied (PAAM) monsters die Young se modulus beïnvloed, gemeet deur ACM43 nanoindentasie.Nog 'n kompliserende faktor is die gebrek aan standaard uiters lae modulus toetsmateriaal en gratis toetsprosedures.Dit maak dit baie moeilik om akkurate resultate met selfvertroue te kry.Die metode is egter baie nuttig vir relatiewe metings en vergelykende evaluasies tussen soortgelyke monstertipes, byvoorbeeld die gebruik van AFM nanoindentation om normale selle van kankerselle te onderskei 44, 45.
Wanneer sagte materiale met AFM nanoindentasie getoets word, is 'n algemene reël om 'n sonde te gebruik met 'n lae veerkonstante (k) wat nou ooreenstem met die monstermodulus en 'n halfronde/ronde punt sodat die eerste sonde nie die monsteroppervlaktes op eerste kontak met sagte materiale.Dit is ook belangrik dat die defleksiesein wat deur die sonde gegenereer word, sterk genoeg is om deur die laserdetektorstelsel opgespoor te word24,34,46,47.In die geval van ultra-sagte heterogene selle, weefsels en gels, is nog 'n uitdaging om die kleefkrag tussen die sonde en die monsteroppervlak te oorkom om reproduceerbare en betroubare metings te verseker48,49,50.Tot onlangs het die meeste werk oor AFM-nanoindentasie gefokus op die studie van die meganiese gedrag van biologiese selle, weefsels, gels, hidrogels en biomolekules met behulp van relatief groot sferiese probes, wat algemeen na verwys word as kolloïdale probes (CP's)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Hierdie punte het 'n radius van 1 tot 50 µm en word gewoonlik gemaak van boorsilikaatglas, polimetielmetakrilaat (PMMA), polistireen (PS), silikondioksied (SiO2) en diamant- soos koolstof (DLC).Alhoewel CP-AFM nanoindentasie dikwels die eerste keuse vir sagte monster karakterisering is, het dit sy eie probleme en beperkings.Die gebruik van groot, mikron-grootte sferiese punte verhoog die totale kontakarea van die punt met die monster en lei tot 'n aansienlike verlies aan ruimtelike resolusie.Vir sagte, inhomogene monsters, waar die meganiese eienskappe van plaaslike elemente aansienlik kan verskil van die gemiddelde oor 'n wyer area, kan CP-inkeping enige inhomogeniteit in eienskappe op 'n plaaslike skaal verberg52.Kolloïdale probes word tipies gemaak deur mikrongrootte kolloïdale sfere aan puntlose vrykragte te heg met behulp van epoksiekleefmiddels.Die vervaardigingsproses self is belaai met baie probleme en kan lei tot inkonsekwenthede in die sondekalibrasieproses.Daarbenewens beïnvloed die grootte en massa van kolloïdale deeltjies direk die hoofkalibrasieparameters van die vrykrag, soos resonansiefrekwensie, veerstyfheid en defleksie-sensitiwiteit56,57,58.Dus, algemeen gebruikte metodes vir konvensionele AFM sondes, soos temperatuur kalibrasie, sal moontlik nie 'n akkurate kalibrasie vir CP verskaf nie, en ander metodes mag dalk nodig wees om hierdie regstellings uit te voer57, 59, 60, 61. Tipiese CP inkeping eksperimente gebruik groot afwykings vrykrag om bestudeer die eienskappe van sagte monsters, wat 'n ander probleem skep wanneer die nie-lineêre gedrag van die cantilever by relatief groot afwykings gekalibreer word62,63,64.Moderne kolloïdale sonde inkepingsmetodes neem gewoonlik die geometrie van die vrykrag wat gebruik word om die sonde te kalibreer in ag, maar ignoreer die invloed van kolloïdale deeltjies, wat addisionele onsekerheid in die akkuraatheid van die metode skep38,61.Net so is elastiese moduli bereken deur kontakmodelpassing direk afhanklik van die geometrie van die inkepingsonde, en wanverhouding tussen punt- en monsteroppervlakkenmerke kan lei tot onakkuraathede27, 65, 66, 67, 68. Sommige onlangse werk deur Spencer et al.Die faktore wat in ag geneem moet word wanneer sagte polimeerborsels gekarakteriseer word deur die CP-AFM nano-inkeping metode te gebruik, word uitgelig.Hulle het gerapporteer dat die behoud van 'n viskose vloeistof in polimeerborsels as 'n funksie van spoed 'n toename in koplading tot gevolg het en dus verskillende metings van spoedafhanklike eienskappe30,69,70,71.
In hierdie studie het ons die oppervlakmodulus van die ultrasagte hoogs elastiese materiaal lehfilcon A CL gekarakteriseer deur gebruik te maak van 'n gemodifiseerde AFM nano-inkeping metode.Gegewe die eienskappe en nuwe struktuur van hierdie materiaal, is die sensitiwiteitsreeks van die tradisionele inkepingsmetode duidelik onvoldoende om die modulus van hierdie uiters sagte materiaal te karakteriseer, daarom is dit nodig om 'n AFM-nano-inkepingsmetode met hoër sensitiwiteit en laer sensitiwiteit te gebruik.vlak.Nadat ons die tekortkominge en probleme van bestaande kolloïdale AFM-sonde-nano-inkepingstegnieke hersien het, wys ons hoekom ons 'n kleiner, pasgemaakte AFM-sonde gekies het om sensitiwiteit, agtergrondgeraas, presiese kontakpunt uit te skakel, snelheidsmodulus van sagte heterogene materiale soos vloeistofretensie uit te skakel. afhanklikheid.en akkurate kwantifisering.Daarbenewens kon ons die vorm en afmetings van die inkepingspunt akkuraat meet, wat ons in staat stel om die keël-sfeerpasmodel te gebruik om die elastisiteitsmodulus te bepaal sonder om die kontakarea van die punt met die materiaal te bepaal.Die twee implisiete aannames wat in hierdie werk gekwantifiseer word, is die ten volle elastiese materiaal eienskappe en die inkeping diepte-onafhanklike modulus.Met hierdie metode het ons eers ultrasagte standaarde met 'n bekende modulus getoets om die metode te kwantifiseer, en toe hierdie metode gebruik om die oppervlaktes van twee verskillende kontaklensmateriale te karakteriseer.Daar word verwag dat hierdie metode om AGS-nano-inkepingsoppervlaktes met verhoogde sensitiwiteit te karakteriseer, van toepassing sal wees op 'n wye reeks biomimetiese heterogene ultrasagte materiale met potensiële gebruik in mediese toestelle en biomediese toepassings.
Lehfilcon A kontaklense (Alcon, Fort Worth, Texas, VSA) en hul silikoon hidrogel substrate is gekies vir nano-inkeping eksperimente.'n Spesiaal ontwerpte lensmontering is in die eksperiment gebruik.Om die lens vir toetsing te installeer, is dit versigtig op die koepelvormige staander geplaas, om seker te maak dat geen lugborrels binnekom nie, en dan met die rande vasgemaak.'n Gat in die bevestiging aan die bokant van die lenshouer bied toegang tot die optiese middelpunt van die lens vir nano-inkeping-eksperimente terwyl die vloeistof in plek gehou word.Dit hou die lense ten volle gehidreer.500 μl kontaklensverpakkingsoplossing is as 'n toetsoplossing gebruik.Om die kwantitatiewe resultate te verifieer, is kommersieel beskikbare nie-geaktiveerde poliakrielamied (PAAM) hidrogels berei uit 'n poliakrielamied-ko-metileen-bisakrielamied samestelling (100 mm Petrisoft Petri-skottels, Matrigen, Irvine, CA, VSA), 'n bekende elastiese modulus van 1 kPa.Gebruik 4-5 druppels (ongeveer 125 µl) fosfaatgebufferde soutoplossing (PBS van Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, VSA) en 1 druppel OPTI-FREE Puremoist kontaklensoplossing (Alcon, Vaud, TX, VSA).) by die AFM hidrogel-sonde-koppelvlak.
Monsters van Lehfilcon A CL en SiHy substrate is gevisualiseer deur gebruik te maak van 'n FEI Quanta 250 Veld Emissie Skandeer Elektron Mikroskoop (FEG SEM) stelsel toegerus met 'n Skandeer Transmissie Elektron Mikroskoop (STEM) detektor.Om die monsters voor te berei, is die lense eers met water gewas en in pasteivormige wiggies gesny.Om 'n differensiële kontras tussen die hidrofiele en hidrofobiese komponente van die monsters te verkry, is 'n 0.10% gestabiliseerde oplossing van RuO4 as 'n kleurstof gebruik, waarin die monsters vir 30 min gedompel is.Die lehfilcon A CL RuO4-kleuring is nie net belangrik om verbeterde differensiële kontras te verkry nie, maar help ook om die struktuur van die vertakte polimeerborsels in hul oorspronklike vorm te bewaar, wat dan op STEM-beelde sigbaar is.Hulle is dan gewas en gedehidreer in 'n reeks etanol/water-mengsels met toenemende etanolkonsentrasie.Die monsters is dan gegiet met EMBed 812/Araldite epoksie, wat oornag by 70°C uitgehard het.Monsterblokke verkry deur harspolimerisasie is met 'n ultramikrotoom gesny, en die resulterende dun snitte is gevisualiseer met 'n STEM-detektor in 'n lae vakuummodus teen 'n versnellende spanning van 30 kV.Dieselfde SEM-stelsel is gebruik vir gedetailleerde karakterisering van die PFQNM-LC-A-CAL AFM-sonde (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, VSA).SEM beelde van die AFM sonde is verkry in 'n tipiese hoë vakuum modus met 'n versnelling spanning van 30 kV.Verkry beelde teen verskillende hoeke en vergrotings om al die besonderhede van die vorm en grootte van die AFM-sondepunt aan te teken.Alle puntafmetings van belang in die beelde is digitaal gemeet.
’n Dimension FastScan Bio Icon atoomkragmikroskoop (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, VSA) met “PeakForce QNM in Fluid”-modus is gebruik om lehfilcon A CL, SiHy substraat en PAAm hidrogelmonsters te visualiseer en nano-indentate.Vir beeldeksperimente is 'n PEAKFORCE-HIRS-FA-sonde (Bruker) met 'n nominale puntradius van 1 nm gebruik om hoë resolusiebeelde van die monster teen 'n skanderingstempo van 0.50 Hz vas te lê.Alle beelde is in waterige oplossing geneem.
AFM nano-inkeping eksperimente is uitgevoer met behulp van 'n PFQNM-LC-A-CAL sonde (Bruker).Die AFM-sonde het 'n silikonpunt op 'n nitried vrykrag 345 nm dik, 54 µm lank en 4.5 µm breed met 'n resonante frekwensie van 45 kHz.Dit is spesifiek ontwerp om kwantitatiewe nanomeganiese metings op sagte biologiese monsters te karakteriseer en uit te voer.Die sensors word individueel by die fabriek gekalibreer met vooraf gekalibreerde veerinstellings.Die veerkonstantes van die sondes wat in hierdie studie gebruik is, was in die reeks van 0.05–0.1 N/m.Om die vorm en grootte van die punt akkuraat te bepaal, is die sonde met behulp van SEM in detail gekarakteriseer.Op fig.Figuur 1a toon 'n hoë resolusie, lae vergroting skandeerelektronmikrograaf van die PFQNM-LC-A-CAL sonde, wat 'n holistiese aansig van die sondeontwerp verskaf.Op fig.1b toon 'n vergrote aansig van die bokant van die sondepunt, wat inligting verskaf oor die vorm en grootte van die punt.Aan die uiterste punt is die naald 'n halfrond van ongeveer 140 nm in deursnee (Fig. 1c).Hieronder tap die punt in 'n koniese vorm en bereik 'n gemete lengte van ongeveer 500 nm.Buite die tapse gebied is die punt silindries en eindig in 'n totale puntlengte van 1.18 µm.Dit is die belangrikste funksionele deel van die sondepunt.Daarbenewens is 'n groot sferiese polistireen (PS) sonde (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, VSA) met 'n punt deursnee van 45 µm en 'n veerkonstante van 2 N/m ook gebruik vir toetsing as 'n kolloïdale sonde.met PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sonde vir vergelyking.
Daar is gerapporteer dat vloeistof tussen die AFM-sonde en die polimeerkwasstruktuur tydens nano-inkeping vasgevang kan word, wat 'n opwaartse krag op die AFM-sonde sal uitoefen voordat dit werklik aan die oppervlak raak69.Hierdie viskose ekstrusie-effek as gevolg van vloeistofretensie kan die oënskynlike kontakpunt verander en sodoende oppervlakmodulusmetings beïnvloed.Om die effek van sondegeometrie en inkepingspoed op vloeistofretensie te bestudeer, is inkepingskragkurwes vir lehfilcon A CL monsters geplot deur 'n 140 nm deursnee sonde teen konstante verplasingstempo's van 1 µm/s en 2 µm/s.sonde deursnee 45 µm, vaste krag instelling 6 nN bereik by 1 µm/s.Eksperimente met 'n sonde van 140 nm in deursnee is uitgevoer teen 'n inkepingspoed van 1 µm/s en 'n vasgestelde krag van 300 pN, gekies om 'n kontakdruk binne die fisiologiese omvang (1-8 kPa) van die boonste ooglid te skep.druk 72. Sagte klaargemaakte monsters van PAA hidrogel met 'n druk van 1 kPa is getoets vir 'n inkepingskrag van 50 pN teen 'n spoed van 1 μm/s met behulp van 'n sonde met 'n deursnee van 140 nm.
Aangesien die lengte van die koniese deel van die punt van die PFQNM-LC-A-CAL sonde ongeveer 500 nm is, kan daar vir enige inkeping diepte < 500 nm veilig aanvaar word dat die meetkunde van die sonde tydens inkeping getrou sal bly aan sy keëlvorm.Daarbenewens word aanvaar dat die oppervlak van die materiaal wat getoets word 'n omkeerbare elastiese respons sal vertoon, wat ook in die volgende afdelings bevestig sal word.Daarom, afhangende van die vorm en grootte van die punt, het ons die keël-sfeer-pasmodel gekies wat deur Briscoe, Sebastian en Adams ontwikkel is, wat beskikbaar is in die verskaffer se sagteware, om ons AFM-nanoindentasie-eksperimente (NanoScope) te verwerk.Skeidingsdata-analise sagteware, Bruker) 73. Die model beskryf die krag-verplasing verhouding F(δ) vir 'n keël met 'n sferiese toppunt defek.Op fig.Figuur 2 toon die kontakgeometrie tydens die interaksie van 'n starre keël met 'n sferiese punt, waar R die radius van die sferiese punt is, a die kontakradius is, b die kontakradius aan die einde van die sferiese punt is, δ die kontak radius.inkeping diepte, θ is die halwe hoek van die keël.Die SEM-beeld van hierdie sonde wys duidelik dat die sferiese punt van 140 nm deursnee tangensiaal in 'n keël saamsmelt, dus hier word b slegs deur R gedefinieer, dws b = R cos θ.Die sagteware wat deur die verskaffer verskaf word, bied 'n keël-sfeer-verwantskap om Young se modulus (E) waardes te bereken vanaf kragskeidingsdata met die veronderstelling van 'n > b.Verhouding:
waar F die inkepingskrag is, E Young se modulus is, ν Poisson se verhouding is.Die kontakradius a kan geskat word deur:
Skema van die kontakgeometrie van 'n stewige keël met 'n sferiese punt wat in die materiaal van 'n Lefilcon-kontaklens gedruk is met 'n oppervlaklaag van vertakte polimeerborsels.
As a ≤ b, verminder die verband na die vergelyking vir 'n konvensionele sferiese inspringer;
Ons glo dat die interaksie van die inkepingsonde met die vertakte struktuur van die PMPC-polimeerkwas sal veroorsaak dat die kontakradius a groter is as die sferiese kontakradius b.Daarom, vir alle kwantitatiewe metings van die elastiese modulus wat in hierdie studie uitgevoer is, het ons die afhanklikheid gebruik wat verkry is vir die geval a > b.
Die ultrasagte biomimetiese materiale wat in hierdie studie bestudeer is, is omvattend afgebeeld deur gebruik te maak van skandering transmissie elektronmikroskopie (STEM) van die monster deursnit en atoomkragmikroskopie (AFM) van die oppervlak.Hierdie gedetailleerde oppervlakkarakterisering is uitgevoer as 'n uitbreiding van ons voorheen gepubliseerde werk, waarin ons vasgestel het dat die dinamies vertakte polimeriese kwasstruktuur van die PMPC-gemodifiseerde lehfilcon A CL-oppervlak soortgelyke meganiese eienskappe as inheemse korneale weefsel vertoon het 14 .Om hierdie rede verwys ons na kontaklensoppervlaktes as biomimetiese materiale14.Op fig.3a,b toon dwarssnitte van vertakte PMPC polimeer kwas strukture op die oppervlak van 'n lehfilcon A CL substraat en 'n onbehandelde SiHy substraat, onderskeidelik.Die oppervlaktes van beide monsters is verder ontleed deur gebruik te maak van hoë-resolusie AFM beelde, wat die resultate van die STEM analise verder bevestig het (Fig. 3c, d).Saamgevat gee hierdie beelde 'n benaderde lengte van die PMPC-vertakte polimeerkwasstruktuur by 300–400 nm, wat krities is vir die interpretasie van AFM-nano-inkepingsmetings.Nog 'n sleutelwaarneming wat van die beelde afgelei is, is dat die algehele oppervlakstruktuur van die CL-biomimetiese materiaal morfologies verskil van dié van die SiHy-substraatmateriaal.Hierdie verskil in hul oppervlakmorfologie kan duidelik word tydens hul meganiese interaksie met die inspringende AFM-sonde en daarna in die gemete moduluswaardes.
Dwarssnit STEM beelde van (a) lehfilcon A CL en (b) SiHy substraat.Skaalstaaf, 500 nm.AFM beelde van die oppervlak van die lehfilcon A CL substraat (c) en die basis SiHy substraat (d) (3 µm × 3 µm).
Biogeïnspireerde polimere en polimeerkwasstrukture is inherent sag en is wyd bestudeer en gebruik in verskeie biomediese toepassings74,75,76,77.Daarom is dit belangrik om die AGS-nanoindentasie-metode te gebruik, wat hul meganiese eienskappe akkuraat en betroubaar kan meet.Maar terselfdertyd maak die unieke eienskappe van hierdie ultrasagte materiale, soos uiters lae elastiese modulus, hoë vloeistofinhoud en hoë elastisiteit, dit dikwels moeilik om die regte materiaal, vorm en vorm van die inkepingsonde te kies.grootte.Dit is belangrik sodat die inspringer nie die sagte oppervlak van die monster deurboor nie, wat sou lei tot foute in die bepaling van die kontakpunt met die oppervlak en die kontakarea.
Hiervoor is 'n omvattende begrip van die morfologie van ultrasagte biomimetiese materiale (lehfilcon A CL) noodsaaklik.Inligting oor die grootte en struktuur van die vertakte polimeerborsels wat met die beeldmetode verkry is, verskaf die basis vir die meganiese karakterisering van die oppervlak deur gebruik te maak van AFM-nano-inkepingstegnieke.In plaas van mikron-grootte sferiese kolloïdale probes, het ons die PFQNM-LC-A-CAL silikonnitride sonde (Bruker) met 'n punt deursnee van 140 nm gekies, spesiaal ontwerp vir kwantitatiewe kartering van die meganiese eienskappe van biologiese monsters 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Die rasionaal vir die gebruik van relatief skerp probes in vergelyking met konvensionele kolloïdale probes kan verklaar word deur die strukturele kenmerke van die materiaal.Deur die sondepuntgrootte (~140 nm) te vergelyk met die vertakte polimeerborsels op die oppervlak van CL lehfilcon A, getoon in Fig. 3a, kan die gevolgtrekking gemaak word dat die punt groot genoeg is om in direkte kontak met hierdie kwasstrukture te kom, wat verminder die kans dat die punt deur hulle steek.Om hierdie punt te illustreer, is in Fig. 4 'n STEM-beeld van die lehfilcon A CL en die inspringpunt van die AFM-sonde (volgens skaal geteken).
Skematiese toon STEM beeld van lehfilcon A CL en 'n ACM inkeping sonde (volgens skaal geteken).
Boonop is die puntgrootte van 140 nm klein genoeg om die risiko van enige van die taai ekstrusie-effekte wat voorheen gerapporteer is vir polimeerborsels wat deur die CP-AFM-nanoindentasie-metode vervaardig is, te vermy69,71.Ons neem aan dat as gevolg van die spesiale keël-sferiese vorm en relatief klein grootte van hierdie AFM-punt (Fig. 1), die aard van die kragkurwe wat deur lehfilcon A CL nano-inkeping gegenereer word, nie sal afhang van die inkepingspoed of die laai/aflaaispoed .Daarom word dit nie deur porelastiese effekte beïnvloed nie.Om hierdie hipotese te toets, is lehfilcon A CL monsters ingekeep teen 'n vaste maksimum krag met behulp van 'n PFQNM-LC-A-CAL sonde, maar teen twee verskillende snelhede, en die gevolglike trek- en terugtrekkragkrommes is gebruik om die krag (nN) te plot. in skeiding (µm) word in Figuur 5a getoon.Dit is duidelik dat die kragkrommes tydens laai en aflaai heeltemal oorvleuel, en daar is geen duidelike bewys dat die kragskuif by nul inkepingsdiepte toeneem met inkepingspoed in die figuur, wat daarop dui dat die individuele kwaselemente sonder 'n porelastiese effek gekenmerk is nie.In teenstelling hiermee is vloeistofretensie-effekte (viskose ekstrusie- en porelastisiteit-effekte) sigbaar vir die 45 µm deursnee AFM-sonde teen dieselfde inkepingspoed en word uitgelig deur die histerese tussen die rek- en terugtrekkurwes, soos getoon in Figuur 5b.Hierdie resultate ondersteun die hipotese en stel voor dat 140 nm deursnee probes 'n goeie keuse is om sulke sagte oppervlaktes te karakteriseer.
lehfilcon A CL inkepingskragkurwes wat ACM gebruik;(a) die gebruik van 'n sonde met 'n deursnee van 140 nm teen twee laaitempo's, wat die afwesigheid van 'n porelastiese effek tydens oppervlakinspringing demonstreer;(b) met behulp van probes met 'n deursnee van 45 µm en 140 nm.s toon die effekte van viskeuse ekstrusie en porelastisiteit vir groot probes in vergelyking met kleiner probes.
Om ultrasagte oppervlaktes te karakteriseer, moet AFM-nanoindentasiemetodes die beste sonde hê om die eienskappe van die materiaal wat bestudeer word, te bestudeer.Benewens die puntvorm en -grootte, speel die sensitiwiteit van die AFM-detektorstelsel, sensitiwiteit vir puntafbuiging in die toetsomgewing, en vrykragstyfheid 'n belangrike rol in die bepaling van die akkuraatheid en betroubaarheid van nano-inkeping.metings.Vir ons AFM-stelsel is die Posisiesensitiewe Detektor (PSD) limiet van opsporing ongeveer 0,5 mV en is gebaseer op die vooraf gekalibreerde veertempo en die berekende vloeistofafbuigingsensitiwiteit van die PFQNM-LC-A-CAL-sonde, wat ooreenstem met die teoretiese lasgevoeligheid.is minder as 0,1 pN.Daarom laat hierdie metode die meting van 'n minimum inkepingskrag ≤ 0.1 pN toe sonder enige perifere geraaskomponent.Dit is egter byna onmoontlik vir 'n AFM-stelsel om perifere geraas tot hierdie vlak te verminder as gevolg van faktore soos meganiese vibrasie en vloeistofdinamika.Hierdie faktore beperk die algehele sensitiwiteit van die AFM nanoindentasie metode en lei ook tot 'n agtergrondgeraas sein van ongeveer ≤ 10 pN.Vir oppervlakkarakterisering is lehfilcon A CL en SiHy substraatmonsters onder volledig gehidreerde toestande ingekeep met 'n 140 nm sonde vir SEM karakterisering, en die gevolglike kragkurwes is tussen krag (pN) en druk gesuperponeer.Die skeidingsdiagram (µm) word in Figuur 6a getoon.In vergelyking met die SiHy basis substraat, toon die lehfilcon A CL kragkurwe duidelik 'n oorgangsfase wat begin by die punt van kontak met die gevurkte polimeer borsel en eindig met 'n skerp verandering in helling merk kontak van die punt met die onderliggende materiaal.Hierdie oorgangsdeel van die kragkurwe beklemtoon die werklik elastiese gedrag van die vertakte polimeerkwas op die oppervlak, soos blyk uit die kompressiekromme wat die spanningskurwe nou volg en die kontras in meganiese eienskappe tussen die kwasstruktuur en lywige SiHy-materiaal.Wanneer lefilcon vergelyk word.Skeiding van die gemiddelde lengte van 'n vertakte polimeerborsel in die STEM-beeld van die PCS (Fig. 3a) en sy kragkurwe langs die abskis in Fig. 3a.6a toon dat die metode in staat is om die punt en die vertakte polimeer wat die heel bokant van die oppervlak bereik, op te spoor.Kontak tussen kwas strukture.Boonop dui noue oorvleueling van die kragkurwes geen vloeistofretensie-effek aan nie.In hierdie geval is daar absoluut geen adhesie tussen die naald en die oppervlak van die monster nie.Die boonste gedeeltes van die kragkurwes vir die twee monsters oorvleuel, wat die ooreenkoms van die meganiese eienskappe van die substraatmateriale weerspieël.
(a) AFM-nano-inkepingskragkurwes vir lehfilcon A CL-substrate en SiHy-substrate, (b) kragkurwes wat kontakpuntskatting toon deur die agtergrondgeraasdrempelmetode te gebruik.
Ten einde die fyner besonderhede van die kragkromme te bestudeer, word die spanningskromme van die lehfilcon A CL monster in Fig. 6b met 'n maksimum krag van 50 pN langs die y-as weer geplot.Hierdie grafiek verskaf belangrike inligting oor die oorspronklike agtergrondgeraas.Die geraas is in die reeks van ±10 pN, wat gebruik word om die kontakpunt akkuraat te bepaal en die inspringdiepte te bereken.Soos in die literatuur gerapporteer, is die identifikasie van kontakpunte krities om materiaaleienskappe soos modulus85 akkuraat te assesseer.'n Benadering wat outomatiese verwerking van kragkurwedata behels, het 'n verbeterde passing getoon tussen datapassing en kwantitatiewe metings vir sagte materiale86.In hierdie werk is ons keuse van raakpunte relatief eenvoudig en objektief, maar dit het sy beperkings.Ons konserwatiewe benadering tot die bepaling van die kontakpunt kan lei tot effens oorskat moduluswaardes vir kleiner inkepingsdieptes (< 100 nm).Die gebruik van algoritme-gebaseerde raakpuntbespeuring en outomatiese dataverwerking kan 'n voortsetting van hierdie werk in die toekoms wees om ons metode verder te verbeter.Dus, vir intrinsieke agtergrondgeraas in die orde van ±10 pN, definieer ons die kontakpunt as die eerste datapunt op die x-as in Figuur 6b met 'n waarde van ≥10 pN.Dan, in ooreenstemming met die geraasdrempel van 10 pN, dui 'n vertikale lyn op die vlak van ~0.27 µm die kontakpunt met die oppervlak aan, waarna die strekkurwe voortduur totdat die substraat die inkepingsdiepte van ~270 nm bereik.Interessant genoeg, gebaseer op die grootte van die vertakte polimeer kwas kenmerke (300–400 nm) gemeet met behulp van die beeldmetode, is die inkeping diepte van die CL lehfilcon 'n Monster wat met die agtergrond geraas drempel metode waargeneem is ongeveer 270 nm, wat baie naby aan die maatgrootte met STEM.Hierdie resultate bevestig verder die verenigbaarheid en toepaslikheid van die vorm en grootte van die AFM-sondepunt vir inkeping van hierdie baie sagte en hoogs elastiese vertakte polimeerkwasstruktuur.Hierdie data verskaf ook sterk bewyse om ons metode te ondersteun om agtergrondgeraas as 'n drempel te gebruik om kontakpunte te bepaal.Dus, enige kwantitatiewe resultate verkry uit wiskundige modellering en kragkrommepassing behoort relatief akkuraat te wees.
Kwantitatiewe metings deur AGS nanoindentasie metodes is heeltemal afhanklik van die wiskundige modelle wat gebruik word vir dataseleksie en daaropvolgende analise.Daarom is dit belangrik om alle faktore wat verband hou met die keuse van inspringer, materiaal eienskappe en die meganika van hul interaksie in ag te neem voordat 'n spesifieke model gekies word.In hierdie geval is die puntgeometrie noukeurig gekarakteriseer deur gebruik te maak van SEM mikrograwe (Fig. 1), en gebaseer op die resultate, is die 140 nm deursnee AFM nano-inkepingsonde met 'n harde keël en sferiese punt geometrie 'n goeie keuse vir die karakterisering van lehfilcon A CL79 monsters .Nog 'n belangrike faktor wat noukeurig geëvalueer moet word, is die elastisiteit van die polimeermateriaal wat getoets word.Alhoewel die aanvanklike data van nanoindentasie (Fig. 5a en 6a) die kenmerke van die oorvleueling van die spanning- en kompressiekrommes duidelik uiteensit, dit wil sê die volledige elastiese herstel van die materiaal, is dit uiters belangrik om die suiwer elastiese aard van die kontakte te bevestig .Vir hierdie doel is twee opeenvolgende inkepings op dieselfde plek op die oppervlak van die lehfilcon A CL monster uitgevoer teen 'n inkepingtempo van 1 µm/s onder volle hidrasie toestande.Die resulterende kragkrommedata word in fig.7 en, soos verwag, is die uitsetting- en kompressiekrommes van die twee afdrukke amper identies, wat die hoë elastisiteit van die vertakte polimeerkwasstruktuur beklemtoon.
Twee inkepingskragkurwes op dieselfde plek op die oppervlak van lehfilcon A CL dui die ideale elastisiteit van die lensoppervlak aan.
Gebaseer op inligting verkry vanaf SEM- en STEM-beelde van onderskeidelik die sondepunt en lehfilcon A CL-oppervlak, is die keël-sfeermodel 'n redelike wiskundige voorstelling van die interaksie tussen die AFM-sondepunt en die sagte polimeermateriaal wat getoets word.Daarbenewens geld die fundamentele aannames oor die elastiese eienskappe van die gedrukte materiaal vir hierdie nuwe biomimetiese materiaal vir hierdie nuwe biomimetiese materiaal en word dit gebruik om die elastiese modulus te kwantifiseer.
Na 'n omvattende evaluering van die AGS-nano-inkepingsmetode en sy komponente, insluitend inkepingsonde-eienskappe (vorm, grootte en veerstyfheid), sensitiwiteit (agtergrondgeraas en kontakpuntskatting), en datapassingsmodelle (kwantitatiewe modulusmetings), is die metode gebruik word.kommersieel beskikbare ultrasagte monsters te karakteriseer om kwantitatiewe resultate te verifieer.'n Kommersiële poliakrielamied (PAAM) hidrogel met 'n elastiese modulus van 1 kPa is getoets onder gehidreerde toestande met behulp van 'n 140 nm sonde.Besonderhede van moduletoetsing en berekeninge word in die Aanvullende Inligting verskaf.Die resultate het getoon dat die gemiddelde modulus gemeet 0.92 kPa was, en die %RSD en persentasie (%) afwyking van die bekende modulus was minder as 10%.Hierdie resultate bevestig die akkuraatheid en reproduseerbaarheid van die AFM-nano-inkepingsmetode wat in hierdie werk gebruik word om die moduli van ultrasagte materiale te meet.Die oppervlaktes van die lehfilcon A CL monsters en die SiHy basis substraat is verder gekarakteriseer deur gebruik te maak van dieselfde AFM nanoindentasie metode om die oënskynlike kontak modulus van die ultrasagte oppervlak te bestudeer as 'n funksie van inkeping diepte.Inkepingskrag-skeidingskrommes is gegenereer vir drie monsters van elke tipe (n = 3; een inkeping per monster) teen 'n krag van 300 pN, 'n spoed van 1 µm/s, en volle hidrasie.Die inkepingskragdelingskromme is benader deur 'n keëlsfeermodel te gebruik.Om modulus afhanklik van inkepingsdiepte te verkry, is 'n 40 nm wye gedeelte van die kragkurwe gestel by elke inkrement van 20 nm vanaf die kontakpunt, en gemeet waardes van die modulus by elke stap van die kragkurwe.Spin Cy et al.'n Soortgelyke benadering is gebruik om die modulusgradiënt van poli(laurielmetakrilaat) (P12MA) polimeerborsels te karakteriseer deur kolloïdale AFM-sonde nano-inkeping te gebruik, en dit stem ooreen met data wat die Hertz-kontakmodel gebruik.Hierdie benadering verskaf 'n plot van oënskynlike kontakmodulus (kPa) teenoor inkepingsdiepte (nm), soos getoon in Figuur 8, wat die oënskynlike kontakmodulus/dieptegradiënt illustreer.Die berekende elastiese modulus van die CL lehfilcon A monster is in die reeks van 2–3 kPa binne die boonste 100 nm van die monster, waarbuite dit begin toeneem met diepte.Aan die ander kant, wanneer die SiHy-basissubstraat sonder 'n kwasagtige film op die oppervlak getoets word, is die maksimum inkepingsdiepte wat bereik word by 'n krag van 300 pN minder as 50 nm, en die moduluswaarde verkry uit die data is ongeveer 400 kPa , wat vergelykbaar is met die waardes van Young se modulus vir grootmaatmateriaal.
Skynbare kontakmodulus (kPa) vs. inkepingsdiepte (nm) vir lehfilcon A CL en SiHy substrate deur gebruik te maak van AFM nanoindentasie metode met keëlsfeer geometrie om modulus te meet.
Die boonste oppervlak van die nuwe biomimetiese vertakte polimeerkwasstruktuur vertoon 'n uiters lae elastisiteitsmodulus (2-3 kPa).Dit sal ooreenstem met die vryhangende punt van die gevurkte polimeerborsel soos in die STEM-beeld getoon.Alhoewel daar bewyse is van 'n modulusgradiënt by die buitenste rand van die CL, is die hoof hoë modulus substraat meer invloedryk.Die boonste 100 nm van die oppervlak is egter binne 20% van die totale lengte van die vertakte polimeerborsel, so dit is redelik om te aanvaar dat die gemete waardes van die modulus in hierdie inkepingsdieptereeks relatief akkuraat is en nie sterk is nie. hang af van die effek van die onderste voorwerp.
As gevolg van die unieke biomimetiese ontwerp van lehfilcon A kontaklense, bestaande uit vertakte PMPC polimeer kwas strukture geënt op die oppervlak van SiHy substrate, is dit baie moeilik om die meganiese eienskappe van hul oppervlak strukture betroubaar te karakteriseer deur gebruik te maak van tradisionele meetmetodes.Hier bied ons 'n gevorderde AFM-nano-inkepingsmetode aan om ultrasagte materiale soos lefilcon A met 'n hoë waterinhoud en uiters hoë elastisiteit akkuraat te karakteriseer.Hierdie metode is gebaseer op die gebruik van 'n AFM-sonde waarvan die puntgrootte en geometrie noukeurig gekies is om by die strukturele afmetings van die ultrasagte oppervlakkenmerke wat ingeprent moet word, te pas.Hierdie kombinasie van afmetings tussen sonde en struktuur verskaf verhoogde sensitiwiteit, wat ons in staat stel om die lae modulus en inherente elastiese eienskappe van vertakte polimeer kwas elemente te meet, ongeag die poroelastiese effekte.Die resultate het getoon dat die unieke vertakte PMPC polimeer borsels kenmerkend van die lensoppervlak 'n uiters lae elastiese modulus (tot 2 kPa) en baie hoë elastisiteit (byna 100%) gehad het wanneer dit in 'n waterige omgewing getoets is.Die resultate van AFM nanoindentasie het ons ook toegelaat om die oënskynlike kontakmodulus/dieptegradiënt (30 kPa/200 nm) van die biomimetiese lensoppervlak te karakteriseer.Hierdie gradiënt kan wees as gevolg van die modulus verskil tussen die vertakte polimeer borsels en die SiHy substraat, of die vertakte struktuur/digtheid van die polimeer borsels, of 'n kombinasie daarvan.Verdere in-diepte studies is egter nodig om die verband tussen struktuur en eienskappe, veral die effek van kwasvertakking op meganiese eienskappe, ten volle te verstaan.Soortgelyke metings kan help om die meganiese eienskappe van die oppervlak van ander ultrasagte materiale en mediese toestelle te karakteriseer.
Datastelle wat tydens die huidige studie gegenereer en/of ontleed is, is op redelike versoek by die onderskeie outeurs beskikbaar.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. en Haugen, HJ Biologiese reaksies op fisiese en chemiese eienskappe van oppervlaktes van biomateriale.Chemies.samelewing.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM en Liu, X. Verbetering van mens-afgeleide biomateriale vir weefselingenieurswese.Programmering.polimeer.die wetenskap.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Ontwerp, kliniese implementering en immuunrespons van biomateriale in regeneratiewe medisyne.Nasionale Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK en Farr GM 'n Verbeterde metode vir die bepaling van hardheid en elastiese modulus deur gebruik te maak van inkepingseksperimente met las- en verplasingsmetings.J. Alma mater.opgaartenk.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Historiese oorsprong van inkepingshardheidstoetsing.alma mater.die wetenskap.tegnologieë.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Inkeping Hardheid Metings op die Makro-, Mikro- en Nanoskaal: 'n Kritiese Oorsig.stam.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD en Clapperich, SM Oppervlakteopsporingsfoute lei tot modulusoorskatting in nano-inkeping van sagte materiale.J. Mecha.Gedrag.Biomediese Wetenskap.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR en Yahya M.Yu.Evaluering van die nano-inkepingsmetode vir die bepaling van die meganiese eienskappe van heterogene nanosamestellings deur eksperimentele en berekeningsmetodes te gebruik.die wetenskap.Huis 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, en Owart, TS Meganiese karakterisering van sagte viskoelastiese gels deur inkeping en optimalisering-gebaseerde inverse eindige element analise.J. Mecha.Gedrag.Biomediese Wetenskap.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J en Chaneler D. Optimalisering van viskoelastisiteitsbepaling met behulp van versoenbare meetstelsels.Sagte Materie 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. en Pellillo, E. Nanoindentation van polimeriese oppervlaktes.J. Fisika.D. Doen aansoek vir fisika.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. en Van Vliet KJ Karakterisering van viskoelastiese meganiese eienskappe van hoogs elastiese polimere en biologiese weefsels met behulp van skok-inkeping.Tydskrif vir Biomateriale.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluering van die elastiese modulus en adhesie werk van sagte materiale met behulp van die uitgebreide Borodich-Galanov (BG) metode en diep inkeping.pels.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Nanoskaal morfologie en meganiese eienskappe van biomimetiese polimeriese oppervlaktes van silikoon hidrogel kontaklense.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).