Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Показва въртележка от три слайда наведнъж.Използвайте бутоните Предишен и Следващ, за да преминете през три слайда наведнъж, или използвайте бутоните на плъзгача в края, за да преминете през три слайда наведнъж.
С разработването на нови ултрамеки материали за медицински устройства и биомедицински приложения, цялостното характеризиране на техните физични и механични свойства е едновременно важно и предизвикателно.Приложена е модифицирана техника за наноиндентиране на атомно-силова микроскопия (AFM), за да се характеризира изключително ниският повърхностен модул на новата lehfilcon A биомиметична контактна леща от силиконов хидрогел, покрита със слой от разклонени полимерни четки.Този метод позволява прецизно определяне на контактните точки без ефектите на вискозно екструдиране при приближаване до разклонени полимери.В допълнение, той дава възможност да се определят механичните характеристики на отделните елементи на четката без ефекта на пороеластичността.Това се постига чрез избор на AFM сонда с дизайн (размер на върха, геометрия и скорост на пружина), който е особено подходящ за измерване на свойствата на меки материали и биологични проби.Този метод подобрява чувствителността и точността за точно измерване на много мекия материал lehfilcon A, който има изключително нисък модул на еластичност на повърхността (до 2 kPa) и изключително висока еластичност във вътрешната (почти 100%) водна среда. .Резултатите от изследването на повърхността не само разкриха свойствата на ултра-меката повърхност на лещата lehfilcon A, но също така показаха, че модулът на разклонените полимерни четки е сравним с този на силициево-водородния субстрат.Тази техника за характеризиране на повърхността може да се приложи към други ултра меки материали и медицински устройства.
Механичните свойства на материалите, предназначени за директен контакт с жива тъкан, често се определят от биологичната среда.Перфектното съвпадение на тези свойства на материала помага за постигане на желаните клинични характеристики на материала, без да причинява неблагоприятни клетъчни реакции1,2,3.За насипни хомогенни материали характеризирането на механичните свойства е относително лесно поради наличието на стандартни процедури и методи за изпитване (напр. микровдлъбнатини4,5,6).Въпреки това, за свръхмеки материали като гелове, хидрогелове, биополимери, живи клетки и т.н., тези методи за изпитване обикновено не са приложими поради ограниченията на разделителната способност на измерване и нехомогенността на някои материали7.През годините традиционните методи за вдлъбнатини бяха модифицирани и адаптирани, за да характеризират широка гама от меки материали, но много методи все още страдат от сериозни недостатъци, които ограничават тяхното използване8,9,10,11,12,13.Липсата на специализирани методи за изпитване, които могат точно и надеждно да характеризират механичните свойства на супермеки материали и повърхностни слоеве, силно ограничава тяхното използване в различни приложения.
В предишната ни работа представихме контактната леща lehfilcon A (CL), мек хетерогенен материал с всички ултрамеки повърхностни свойства, получени от потенциално биомиметични дизайни, вдъхновени от повърхността на роговицата на окото.Този биоматериал е разработен чрез присаждане на разклонен, омрежен полимерен слой от поли(2-метакрилоилоксиетилфосфорилхолин (MPC)) (PMPC) върху силиконов хидрогел (SiHy) 15, предназначен за базирани на медицински устройства.Този процес на присаждане създава слой върху повърхността, състоящ се от много мека и силно еластична разклонена полимерна четка.Нашата предишна работа потвърди, че биомиметичната структура на lehfilcon A CL осигурява превъзходни свойства на повърхността, като подобрено предотвратяване на намокряне и замърсяване, повишена смазваща способност и намалена клетъчна и бактериална адхезия15,16.В допълнение, използването и развитието на този биомиметичен материал също предполага по-нататъшно разширяване към други биомедицински устройства.Следователно е изключително важно да се характеризират повърхностните свойства на този ултрамек материал и да се разбере неговото механично взаимодействие с окото, за да се създаде цялостна база от знания в подкрепа на бъдещи разработки и приложения.Повечето налични в търговската мрежа контактни лещи SiHy са съставени от хомогенна смес от хидрофилни и хидрофобни полимери, които образуват еднаква структура на материала17.Проведени са няколко проучвания за изследване на техните механични свойства, като се използват традиционни методи за изпитване на компресия, опън и микровдлъбнатини18,19,20,21.Въпреки това, новият биомиметичен дизайн на lehfilcon A CL го прави уникален хетерогенен материал, в който механичните свойства на разклонените полимерни структури на четката се различават значително от тези на SiHy основния субстрат.Поради това е много трудно точното количествено определяне на тези свойства с помощта на конвенционални методи и методи на отстъп.Обещаващ метод използва метода за изпитване на наноиндентация, внедрен в атомно-силовата микроскопия (AFM), метод, който е използван за определяне на механичните свойства на меки вискоеластични материали като биологични клетки и тъкани, както и меки полимери 22, 23, 24, 25 .,26,27,28,29,30.В AFM наноиндентацията, основите на тестването на наноиндентация се комбинират с най-новите постижения в AFM технологията, за да осигурят повишена чувствителност на измерване и тестване на широка гама от присъщи свръхмеки материали31,32,33,34,35,36.Освен това технологията предлага други важни предимства чрез използването на различни геометрии.индентор и сонда и възможност за тестване в различни течни среди.
АСМ наноиндентацията може условно да се раздели на три основни компонента: (1) оборудване (сензори, детектори, сонди и др.);(2) измервателни параметри (като сила, изместване, скорост, размер на рампата и т.н.);(3) Обработка на данни (корекция на базовата линия, оценка на точката на докосване, напасване на данни, моделиране и др.).Съществен проблем с този метод е, че няколко проучвания в литературата, използващи AFM наноиндентация, отчитат много различни количествени резултати за един и същ тип проба/клетка/материал37,38,39,40,41.Например Lekka et al.Влиянието на геометрията на AFM сондата върху измерения модул на Young на проби от механично хомогенен хидрогел и хетерогенни клетки беше изследвано и сравнено.Те съобщават, че стойностите на модула са силно зависими от избора на конзола и формата на върха, с най-висока стойност за сонда с форма на пирамида и най-ниска стойност от 42 за сферична сонда.По подобен начин Selhuber-Unkel et al.Показано е как скоростта на индентора, размерът на индентора и дебелината на пробите от полиакриламид (PAAM) влияят на модула на Young, измерен чрез ACM43 наноиндентация.Друг усложняващ фактор е липсата на стандартни материали за изпитване с изключително нисък модул и безплатни процедури за изпитване.Това прави много трудно получаването на точни резултати с увереност.Въпреки това, методът е много полезен за относителни измервания и сравнителни оценки между подобни типове проби, например използване на AFM наноиндентация за разграничаване на нормалните клетки от раковите клетки 44, 45.
Когато тествате меки материали с AFM наноиндентация, общо правило е да използвате сонда с ниска константа на пружината (k), която съответства точно на модула на пробата и полусферичен/кръгъл връх, така че първата сонда да не пробие повърхностите на пробата върху първи контакт с меки материали.Също така е важно сигналът за отклонение, генериран от сондата, да бъде достатъчно силен, за да бъде открит от лазерната детекторна система24,34,46,47.В случай на ултра-меки хетерогенни клетки, тъкани и гелове, друго предизвикателство е да се преодолее адхезионната сила между сондата и повърхността на пробата, за да се осигурят възпроизводими и надеждни измервания48,49,50.Доскоро по-голямата част от работата по AFM наноиндентацията се фокусира върху изследването на механичното поведение на биологични клетки, тъкани, гелове, хидрогелове и биомолекули, използвайки сравнително големи сферични сонди, обикновено наричани колоидни сонди (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Тези накрайници имат радиус от 1 до 50 µm и обикновено се изработват от боросиликатно стъкло, полиметилметакрилат (PMMA), полистирен (PS), силициев диоксид (SiO2) и диамантено- като въглерод (DLC) .Въпреки че CP-AFM наноиндентацията често е първият избор за характеризиране на меки проби, тя има свои собствени проблеми и ограничения.Използването на големи сферични накрайници с микронни размери увеличава общата контактна площ на върха с пробата и води до значителна загуба на пространствена разделителна способност.За меки, нехомогенни образци, където механичните свойства на локалните елементи могат да се различават значително от средните за по-широка област, CP вдлъбнатината може да скрие всяка нехомогенност в свойствата в локален мащаб52.Колоидните сонди обикновено се правят чрез прикрепване на колоидни сфери с микронни размери към конзоли без връх с помощта на епоксидни лепила.Самият производствен процес е изпълнен с много проблеми и може да доведе до несъответствия в процеса на калибриране на сондата.В допълнение, размерът и масата на колоидните частици влияят пряко на основните параметри на калибриране на конзолата, като резонансна честота, твърдост на пружината и чувствителност на отклонение56,57,58.По този начин често използваните методи за конвенционални AFM сонди, като калибриране на температурата, може да не осигурят точно калибриране за CP и може да са необходими други методи за извършване на тези корекции57, 59, 60, 61. Типичните експерименти с вдлъбнатини на CP използват големи отклонения на конзолата за изследване на свойствата на меки проби, което създава друг проблем при калибриране на нелинейното поведение на конзолата при относително големи отклонения62,63,64.Съвременните методи за вдлъбнатина на колоидна сонда обикновено вземат предвид геометрията на конзолата, използвана за калибриране на сондата, но пренебрегват влиянието на колоидните частици, което създава допълнителна несигурност в точността на метода38,61.По подобен начин модулите на еластичност, изчислени чрез напасване на контактния модел, са пряко зависими от геометрията на сондата за вдлъбнатина и несъответствието между характеристиките на върха и повърхността на пробата може да доведе до неточности 27, 65, 66, 67, 68. Някои скорошни разработки на Spencer et al.Факторите, които трябва да се вземат предвид при характеризиране на меки полимерни четки с помощта на метода на наноиндентация CP-AFM, са подчертани.Те съобщават, че задържането на вискозна течност в полимерни четки като функция на скоростта води до увеличаване на натоварването на главата и следователно до различни измервания на свойства, зависими от скоростта30,69,70,71.
В това изследване ние характеризирахме модула на повърхността на ултрамекия високоеластичен материал lehfilcon A CL, използвайки модифициран метод на наноиндентиране AFM.Като се имат предвид свойствата и новата структура на този материал, обхватът на чувствителност на традиционния метод на вдлъбнатина е очевидно недостатъчен, за да характеризира модула на този изключително мек материал, така че е необходимо да се използва метод на наноиндентиране AFM с по-висока чувствителност и по-ниска чувствителност.ниво.След преглед на недостатъците и проблемите на съществуващите техники за наноиндентиране на колоидна AFM сонда, ние показваме защо избрахме по-малка, специално проектирана AFM сонда, за да елиминираме чувствителността, фоновия шум, точната точка на контакт, да измерваме модула на скоростта на меки хетерогенни материали като задържане на течности зависимост.и точно количествено определяне.Освен това успяхме да измерим точно формата и размерите на върха на вдлъбнатината, което ни позволи да използваме модела за прилягане на конус-сфера, за да определим модула на еластичност, без да оценяваме контактната площ на върха с материала.Двете имплицитни предположения, които са количествено определени в тази работа, са напълно еластичните свойства на материала и независимият от дълбочината на вдлъбнатината модул.Използвайки този метод, ние първо тествахме ултрамеки стандарти с известен модул, за да определим количествено метода и след това използвахме този метод, за да характеризираме повърхностите на два различни материала за контактни лещи.Този метод за характеризиране на AFM наноиндентационни повърхности с повишена чувствителност се очаква да бъде приложим за широка гама от биомиметични хетерогенни ултрамеки материали с потенциална употреба в медицински устройства и биомедицински приложения.
Контактни лещи Lehfilcon A (Alcon, Форт Уърт, Тексас, САЩ) и техните силиконови хидрогелни субстрати бяха избрани за експерименти с наноиндентация.В експеримента е използван специално проектиран байонет за обектив.За да инсталирате обектива за тестване, той беше внимателно поставен върху куполообразната стойка, като се уверихте, че няма да попаднат въздушни мехурчета вътре, и след това фиксиран с ръбовете.Дупка в приспособлението в горната част на държача на лещата осигурява достъп до оптичния център на лещата за експерименти с нановдлъбнатини, докато държи течността на място.Това поддържа лещите напълно хидратирани.500 μl разтвор за опаковане на контактни лещи се използва като тестов разтвор.За да се проверят количествените резултати, наличните в търговската мрежа неактивирани полиакриламидни (PAAM) хидрогелове бяха приготвени от състав на полиакриламид-ко-метилен-бисакриламид (100 mm Petrisoft петриеви панички, Matrigen, Irvine, CA, САЩ), известен модул на еластичност от 1 kPa.Използвайте 4-5 капки (приблизително 125 µl) фосфатно буфериран физиологичен разтвор (PBS от Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) и 1 капка разтвор за контактни лещи OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA).) на интерфейса AFM хидрогел-сонда.
Проби от Lehfilcon A CL и SiHy субстрати се визуализират с помощта на система FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM), оборудвана с детектор за сканиращ трансмисионен електронен микроскоп (STEM).За да се подготвят пробите, лещите първо се измиват с вода и се нарязват на клинове във формата на пай.За да се постигне диференциален контраст между хидрофилните и хидрофобните компоненти на пробите, като багрило се използва 0, 10% стабилизиран разтвор на RuO4, в който пробите се потапят за 30 минути.Оцветяването с lehfilcon A CL RuO4 е важно не само за постигане на подобрен диференциален контраст, но също така помага да се запази структурата на разклонените полимерни четки в оригиналната им форма, които след това се виждат на STEM изображения.След това те се промиват и дехидратират в серия от смеси етанол/вода с нарастваща концентрация на етанол.След това пробите бяха отлети с EMBed 812/Araldite епоксид, който се втвърди една нощ при 70°C.Пробни блокове, получени чрез полимеризация на смола, се нарязват с ултрамикротом и получените тънки срезове се визуализират със STEM детектор в режим на нисък вакуум при ускоряващо напрежение от 30 kV.Същата SEM система беше използвана за подробно характеризиране на сондата PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорния, САЩ).SEM изображения на AFM сондата са получени в типичен режим на висок вакуум с ускоряващо напрежение от 30 kV.Получете изображения под различни ъгли и увеличения, за да запишете всички подробности за формата и размера на върха на AFM сондата.Всички размери на върха, представляващи интерес в изображенията, бяха измерени цифрово.
Микроскоп за атомна сила Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорния, САЩ) с режим „PeakForce QNM in Fluid“ беше използван за визуализиране и наноиндентиране на проби от lehfilcon A CL, SiHy субстрат и PAAm хидрогел.За експерименти с изображения беше използвана сонда PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) с номинален радиус на върха от 1 nm за заснемане на изображения с висока разделителна способност на пробата при скорост на сканиране от 0,50 Hz.Всички изображения са направени във воден разтвор.
Експериментите за наноиндентиране на AFM бяха проведени с помощта на сонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).AFM сондата има силициев връх върху нитридна конзола с дебелина 345 nm, дължина 54 µm и ширина 4,5 µm с резонансна честота 45 kHz.Той е специално проектиран да характеризира и извършва количествени наномеханични измервания върху меки биологични проби.Сензорите са фабрично калибрирани индивидуално с предварително калибрирани пружинни настройки.Пружинните константи на сондите, използвани в това изследване, са в диапазона от 0,05–0,1 N/m.За точно определяне на формата и размера на върха, сондата беше характеризирана подробно с помощта на SEM.На фиг.Фигура 1а показва сканираща електронна микроснимка с висока разделителна способност и ниско увеличение на сондата PFQNM-LC-A-CAL, предоставяща холистичен изглед на дизайна на сондата.На фиг.1b показва увеличен изглед на върха на върха на сондата, предоставящ информация за формата и размера на върха.В най-крайния край иглата е полукълбо с диаметър около 140 nm (фиг. 1в).Под това върхът се стеснява в конична форма, достигайки измерена дължина от приблизително 500 nm.Извън заострената област върхът е цилиндричен и завършва с обща дължина на върха от 1,18 µm.Това е основната функционална част на върха на сондата.В допълнение, голяма сферична полистиролова (PS) сонда (Novascan Technologies, Inc., Boone, Айова, САЩ) с диаметър на върха от 45 µm и константа на пружината от 2 N/m също беше използвана за тестване като колоидна сонда.с PFQNM-LC-A-CAL 140 nm сонда за сравнение.
Съобщава се, че течността може да бъде уловена между сондата AFM и структурата на полимерната четка по време на наноиндентация, което ще упражни сила нагоре върху сондата AFM, преди тя действително да докосне повърхността69.Този ефект на вискозно екструдиране поради задържане на течност може да промени видимата точка на контакт, като по този начин повлияе на измерванията на повърхностния модул.За изследване на ефекта от геометрията на сондата и скоростта на вдлъбнатина върху задържането на течности, кривите на силата на вдлъбнатина бяха начертани за lehfilcon A CL проби, използвайки сонда с диаметър 140 nm при постоянни скорости на изместване от 1 µm/s и 2 µm/s.диаметър на сондата 45 µm, настройка на фиксирана сила 6 nN, постигната при 1 µm/s.Експериментите със сонда с диаметър 140 nm бяха проведени при скорост на вдлъбнатина от 1 µm/s и зададена сила от 300 pN, избрана да създаде контактно налягане в рамките на физиологичния диапазон (1–8 kPa) на горния клепач.налягане 72. Меки готови проби от PAA хидрогел с налягане от 1 kPa бяха тествани за сила на вдлъбнатина от 50 pN при скорост от 1 μm/s с помощта на сонда с диаметър 140 nm.
Тъй като дължината на коничната част на върха на сондата PFQNM-LC-A-CAL е приблизително 500 nm, за всяка дълбочина на вдлъбнатина < 500 nm може безопасно да се приеме, че геометрията на сондата по време на вдлъбнатината ще остане вярна на своята форма на конус.Освен това се предполага, че повърхността на изпитвания материал ще покаже обратима еластична реакция, която също ще бъде потвърдена в следващите раздели.Следователно, в зависимост от формата и размера на върха, ние избрахме модела за напасване на конична сфера, разработен от Briscoe, Sebastian и Adams, който е наличен в софтуера на доставчика, за да обработим нашите AFM експерименти за наноиндентация (NanoScope).Софтуер за анализ на данни за разделяне, Bruker) 73. Моделът описва връзката сила-преместване F(δ) за конус със сферичен дефект на върха.На фиг.Фигура 2 показва контактната геометрия по време на взаимодействието на твърд конус със сферичен връх, където R е радиусът на сферичния връх, a е контактният радиус, b е контактният радиус в края на сферичния връх, δ е контактен радиус.дълбочина на вдлъбнатината, θ е полуъгълът на конуса.SEM изображението на тази сонда ясно показва, че сферичният връх с диаметър 140 nm се слива тангенциално в конус, така че тук b се дефинира само чрез R, т.е. b = R cos θ.Доставеният от доставчика софтуер осигурява връзка конус-сфера за изчисляване на стойностите на модула на Йънг (E) от данните за силата на разделяне, като се приеме, че a > b.Връзка:
където F е силата на вдлъбнатина, E е модулът на Young, ν е коефициентът на Poisson.Контактният радиус a може да бъде оценен с помощта на:
Схема на контактната геометрия на твърд конус със сферичен връх, пресован в материала на контактна леща Lefilcon с повърхностен слой от разклонени полимерни четки.
Ако a ≤ b, връзката се свежда до уравнението за конвенционален сферичен индентор;
Ние вярваме, че взаимодействието на сондата за вдлъбнатина с разклонената структура на PMPC полимерната четка ще доведе до контактния радиус a да бъде по-голям от сферичния контактен радиус b.Следователно, за всички количествени измервания на модула на еластичност, извършени в това изследване, използвахме зависимостта, получена за случая a > b.
Ултрамеките биомиметични материали, изследвани в това проучване, бяха изчерпателно изобразени с помощта на сканираща трансмисионна електронна микроскопия (STEM) на напречното сечение на пробата и атомно-силова микроскопия (AFM) на повърхността.Тази подробна характеристика на повърхността беше извършена като разширение на нашата предишна публикувана работа, в която установихме, че динамично разклонената полимерна структура на четката на PMPC-модифицираната lehfilcon A CL повърхност показва подобни механични свойства на естествената тъкан на роговицата 14.Поради тази причина ние наричаме повърхностите на контактните лещи биомиметични материали14.На фиг.3a, b показват напречни сечения на разклонени PMPC полимерни структури на четки върху повърхността на lehfilcon A CL субстрат и съответно необработен SiHy субстрат.Повърхностите на двете проби бяха допълнително анализирани с помощта на AFM изображения с висока разделителна способност, което допълнително потвърди резултатите от STEM анализа (фиг. 3c, d).Взети заедно, тези изображения дават приблизителна дължина на структурата на PMPC разклонена полимерна четка при 300–400 nm, което е критично за интерпретиране на измерванията на AFM наноиндентация.Друго ключово наблюдение, получено от изображенията, е, че цялостната повърхностна структура на CL биомиметичния материал е морфологично различна от тази на SiHy субстратния материал.Тази разлика в тяхната повърхностна морфология може да стане очевидна по време на механичното им взаимодействие с вдлъбнатината AFM сонда и впоследствие в измерените стойности на модула.
STEM изображения на напречно сечение на (a) lehfilcon A CL и (b) SiHy субстрат.Скала, 500 nm.AFM изображения на повърхността на lehfilcon A CL субстрат (c) и основния SiHy субстрат (d) (3 µm × 3 µm).
Биоинспирираните полимери и структурите на полимерни четки са по своята същност меки и са широко изследвани и използвани в различни биомедицински приложения74,75,76,77.Ето защо е важно да се използва методът на наноиндентация AFM, който може точно и надеждно да измерва техните механични свойства.Но в същото време уникалните свойства на тези ултрамеки материали, като изключително нисък модул на еластичност, високо съдържание на течност и висока еластичност, често затрудняват избора на правилния материал, форма и форма на сондата за вдлъбнатина.размер.Това е важно, така че инденторът да не пробие меката повърхност на пробата, което би довело до грешки при определяне на точката на контакт с повърхността и зоната на контакт.
За това е от съществено значение цялостното разбиране на морфологията на ултрамеките биомиметични материали (lehfilcon A CL).Информацията за размера и структурата на разклонените полимерни четки, получени с помощта на метода за изобразяване, осигурява основата за механично характеризиране на повърхността с помощта на техники за наноиндентиране AFM.Вместо сферични колоидни сонди с микронни размери, ние избрахме сондата от силициев нитрид PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) с диаметър на върха 140 nm, специално проектирана за количествено картографиране на механичните свойства на биологични проби 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Обосновката за използване на относително остри сонди в сравнение с конвенционалните колоидни сонди може да се обясни със структурните характеристики на материала.Сравнявайки размера на върха на сондата (~140 nm) с разклонените полимерни четки на повърхността на CL lehfilcon A, показан на фиг. 3a, може да се заключи, че върхът е достатъчно голям, за да влезе в пряк контакт с тези структури на четката, което намалява шанса върхът да пробие през тях.За да илюстрира тази точка, на Фиг. 4 е STEM изображение на lehfilcon A CL и вдлъбнатия връх на AFM сондата (начертан в мащаб).
Схема, показваща STEM изображение на lehfilcon A CL и сонда за вдлъбнатина ACM (начертана в мащаб).
В допълнение, размерът на върха от 140 nm е достатъчно малък, за да се избегне рискът от някой от ефектите на лепкава екструзия, докладвани по-рано за полимерни четки, произведени чрез метода на наноиндентиране CP-AFM69,71.Предполагаме, че поради специалната конусовидна сферична форма и сравнително малкия размер на този AFM връх (фиг. 1), естеството на кривата на силата, генерирана от lehfilcon A CL nanoindentation, няма да зависи от скоростта на вдлъбнатина или скоростта на товарене/разтоварване .Поради това не се влияе от пороеластични ефекти.За да се тества тази хипотеза, пробите lehfilcon A CL бяха вдлъбнати при фиксирана максимална сила с помощта на сонда PFQNM-LC-A-CAL, но при две различни скорости, и получените криви на опън и сила на прибиране бяха използвани за начертаване на силата (nN) при разделяне (µm) е показано на фигура 5а.Ясно е, че кривите на силата по време на натоварване и разтоварване напълно се припокриват и няма ясни доказателства, че силата на срязване при нулева дълбочина на вдлъбнатината се увеличава със скоростта на вдлъбнатина на фигурата, което предполага, че отделните елементи на четката са характеризирани без поро-еластичен ефект.Обратно, ефектите на задържане на течности (ефекти на вискозно екструдиране и пороеластичност) са очевидни за сондата AFM с диаметър 45 µm при същата скорост на вдлъбнатина и са подчертани от хистерезиса между кривите на разтягане и прибиране, както е показано на Фигура 5b.Тези резултати подкрепят хипотезата и предполагат, че сондите с диаметър 140 nm са добър избор за характеризиране на такива меки повърхности.
lehfilcon A CL криви на силата на вдлъбнатина с помощта на ACM;а) използване на сонда с диаметър 140 nm при две скорости на натоварване, демонстрираща липсата на поро-еластичен ефект по време на вдлъбнатина на повърхността;(b) използване на сонди с диаметър 45 µm и 140 nm.s показват ефектите от вискозната екструзия и пороеластичността за големи сонди в сравнение с по-малки сонди.
За да характеризират ултрамеките повърхности, методите за наноиндентиране на AFM трябва да имат най-добрата сонда за изследване на свойствата на изследвания материал.В допълнение към формата и размера на върха, чувствителността на AFM детекторната система, чувствителността към отклонение на върха в тестовата среда и твърдостта на конзолата играят важна роля при определяне на точността и надеждността на наноиндентацията.измервания.За нашата AFM система границата на откриване на позиционно чувствителния детектор (PSD) е приблизително 0,5 mV и се основава на предварително калибрираната скорост на пружината и изчислената чувствителност на отклонение на течността на сондата PFQNM-LC-A-CAL, което съответства на теоретична чувствителност към натоварване.е по-малко от 0,1 pN.Следователно, този метод позволява измерване на минимална сила на вдлъбнатина ≤ 0,1 pN без никакъв компонент на периферен шум.Въпреки това е почти невъзможно една AFM система да намали периферния шум до това ниво поради фактори като механични вибрации и динамика на флуидите.Тези фактори ограничават общата чувствителност на метода за наноиндентиране AFM и също водят до фонов шумов сигнал от приблизително ≤ 10 pN.За повърхностно охарактеризиране, lehfilcon A CL и SiHy субстратни проби бяха вдлъбнати при напълно хидратирани условия, като се използва 140 nm сонда за SEM охарактеризиране и получените криви на сила бяха насложени между сила (pN) и налягане.Графиката на разделяне (µm) е показана на фигура 6а.В сравнение с основния субстрат SiHy, силовата крива на lehfilcon A CL ясно показва преходна фаза, започваща от точката на контакт с раздвоената полимерна четка и завършваща с рязка промяна в наклона, маркиращ контакта на върха с основния материал.Тази преходна част от кривата на силата подчертава наистина еластичното поведение на разклонената полимерна четка върху повърхността, както се вижда от кривата на компресия, следваща плътно кривата на опън, и контраста в механичните свойства между структурата на четката и обемистия SiHy материал.Когато сравнявате lefilcon.Разделяне на средната дължина на разклонена полимерна четка в STEM изображението на PCS (фиг. 3a) и нейната крива на силата по абсцисата на фиг. 3a.6а показва, че методът е в състояние да открие върха и разклонения полимер, достигащ до самия връх на повърхността.Контакт между структурите на четката.В допълнение, тясното припокриване на кривите на силата показва липса на ефект на задържане на течности.В този случай няма абсолютно никаква адхезия между иглата и повърхността на пробата.Най-горните секции на кривите на силата за двете проби се припокриват, отразявайки сходството на механичните свойства на материалите на субстрата.
( а ) Криви на силата на наноиндентиране на AFM за субстрати lehfilcon A CL и субстрати SiHy, ( б ) криви на сила, показващи оценка на точката на контакт, използвайки метода на прага на фоновия шум.
За да се изследват по-фините детайли на кривата на силата, кривата на опън на пробата lehfilcon A CL е начертана отново на Фиг. 6b с максимална сила от 50 pN по оста y.Тази графика предоставя важна информация за оригиналния фонов шум.Шумът е в диапазона ±10 pN, който се използва за точно определяне на контактната точка и изчисляване на дълбочината на вдлъбнатината.Както се съобщава в литературата, идентифицирането на контактните точки е от решаващо значение за точната оценка на свойствата на материала, като например модул85.Подход, включващ автоматична обработка на данни от кривата на силата, показа подобрено съответствие между напасването на данните и количествените измервания за меки материали86.В тази работа нашият избор на точки за контакт е относително прост и обективен, но има своите ограничения.Нашият консервативен подход за определяне на точката на контакт може да доведе до леко надценени стойности на модула за по-малки дълбочини на вдлъбнатината (< 100 nm).Използването на базирано на алгоритъм откриване на допирни точки и автоматизирана обработка на данни може да бъде продължение на тази работа в бъдеще за допълнително подобряване на нашия метод.По този начин, за присъщ фонов шум от порядъка на ±10 pN, ние определяме контактната точка като първата точка от данни на оста x на фигура 6b със стойност ≥10 pN.След това, в съответствие с прага на шума от 10 pN, вертикална линия на ниво от ~ 0, 27 µm маркира точката на контакт с повърхността, след което кривата на разтягане продължава, докато субстратът достигне дълбочината на вдлъбнатината от ~ 270 nm.Интересното е, че въз основа на размера на характеристиките на разклонената полимерна четка (300–400 nm), измерени с помощта на метода за изобразяване, дълбочината на вдлъбнатината на пробата CL lehfilcon A, наблюдавана с помощта на метода на прага на фоновия шум, е около 270 nm, което е много близо до размерът на измерване със STEM.Тези резултати допълнително потвърждават съвместимостта и приложимостта на формата и размера на върха на AFM сондата за вдлъбнатина на тази много мека и силно еластична разклонена полимерна четка.Тези данни също предоставят убедителни доказателства в подкрепа на нашия метод за използване на фоновия шум като праг за определяне на контактни точки.Следователно всички количествени резултати, получени от математическо моделиране и напасване на кривата на силата, трябва да бъдат относително точни.
Количествените измервания чрез методите на наноиндентиране AFM са напълно зависими от математическите модели, използвани за избор на данни и последващ анализ.Ето защо е важно да се вземат предвид всички фактори, свързани с избора на индентор, свойствата на материала и механиката на тяхното взаимодействие, преди да изберете конкретен модел.В този случай геометрията на върха беше внимателно характеризирана с помощта на SEM микрографии (Фиг. 1) и въз основа на резултатите AFM наноиндентиращата сонда с диаметър 140 nm с твърд конус и сферична геометрия на върха е добър избор за характеризиране на проби lehfilcon A CL79 .Друг важен фактор, който трябва да бъде внимателно оценен, е еластичността на полимерния материал, който се тества.Въпреки че първоначалните данни за наноиндентацията (фиг. 5а и 6а) ясно очертават характеристиките на припокриването на кривите на опън и компресия, т.е. пълното еластично възстановяване на материала, изключително важно е да се потвърди чисто еластичният характер на контактите .За тази цел бяха извършени две последователни вдлъбнатини на едно и също място на повърхността на пробата lehfilcon A CL при скорост на вдлъбнатина от 1 µm/s при условия на пълна хидратация.Получените данни за кривата на силата са показани на фиг.7 и, както се очаква, кривите на разширение и компресия на двата отпечатъка са почти идентични, подчертавайки високата еластичност на структурата на разклонената полимерна четка.
Две криви на силата на вдлъбнатина на едно и също място на повърхността на lehfilcon A CL показват идеалната еластичност на повърхността на лещата.
Въз основа на информация, получена от SEM и STEM изображения на върха на сондата и повърхността на lehfilcon A CL, съответно, моделът конус-сфера е разумно математическо представяне на взаимодействието между върха на сондата AFM и тествания мек полимерен материал.В допълнение, за този модел на конична сфера, основните предположения за еластичните свойства на отпечатания материал са валидни за този нов биомиметичен материал и се използват за количествено определяне на модула на еластичност.
След цялостна оценка на метода за наноиндентиране AFM и неговите компоненти, включително свойства на сондата за вдлъбнатина (форма, размер и твърдост на пружината), чувствителност (фонов шум и оценка на контактната точка) и модели за напасване на данни (измервания на количествени модули), методът беше използвани.характеризират наличните в търговската мрежа ултрамеки проби, за да проверят количествените резултати.Търговски полиакриламиден (PAAM) хидрогел с модул на еластичност от 1 kPa беше тестван при хидратирани условия с помощта на 140 nm сонда.Подробности за тестването на модула и изчисленията са предоставени в допълнителната информация.Резултатите показват, че измереният среден модул е ​​0,92 kPa, а %RSD и процентното (%) отклонение от известния модул са по-малко от 10%.Тези резултати потвърждават точността и възпроизводимостта на метода за наноиндентиране AFM, използван в тази работа за измерване на модулите на ултрамеки материали.Повърхностите на пробите lehfilcon A CL и основния субстрат SiHy бяха допълнително характеризирани с помощта на същия метод за наноиндентиране AFM за изследване на привидния контактен модул на ултрамеката повърхност като функция на дълбочината на вдлъбнатината.Бяха генерирани криви на разделяне на силата на вдлъбнатина за три проби от всеки тип (n = 3; една вдлъбнатина на проба) при сила от 300 pN, скорост от 1 µm/s и пълна хидратация.Кривата на споделяне на силата на вдлъбнатина беше апроксимирана с помощта на модел конус-сфера.За да се получи модул в зависимост от дълбочината на вдлъбнатината, част от кривата на силата с ширина 40 nm беше зададена при всяко увеличение от 20 nm, започвайки от точката на контакт, и се измерваха стойностите на модула на всяка стъпка от кривата на силата.Spin Cy и др.Подобен подход е използван за характеризиране на градиента на модула на полимерни четки от поли(лаурилметакрилат) (P12MA), използвайки наноиндентация на колоидна AFM сонда, и те са в съответствие с данните, използващи контактния модел на Hertz.Този подход предоставя графика на привидния контактен модул (kPa) спрямо дълбочината на вдлъбнатината (nm), както е показано на Фигура 8, която илюстрира привидния контактен модул/градиент на дълбочина.Изчисленият модул на еластичност на пробата CL lehfilcon A е в диапазона от 2–3 kPa в рамките на горните 100 nm на пробата, след което започва да нараства с дълбочина.От друга страна, при тестване на SiHy основен субстрат без подобен на четка филм върху повърхността, максималната дълбочина на вдлъбнатина, постигната при сила от 300 pN, е по-малка от 50 nm, а стойността на модула, получена от данните, е около 400 kPa , което е сравнимо със стойностите на модула на Юнг за насипни материали.
Привиден контактен модул (kPa) спрямо дълбочина на вдлъбнатина (nm) за lehfilcon A CL и SiHy субстрати, използвайки AFM метод на наноиндентация с геометрия на конична сфера за измерване на модула.
Най-горната повърхност на новата структура на биомиметична разклонена полимерна четка показва изключително нисък модул на еластичност (2–3 kPa).Това ще съответства на свободно висящия край на раздвоената полимерна четка, както е показано на STEM изображението.Въпреки че има някои доказателства за градиент на модул на външния ръб на CL, основният високомодулен субстрат е по-влиятелен.Горните 100 nm от повърхността обаче са в рамките на 20% от общата дължина на разклонената полимерна четка, така че е разумно да се предположи, че измерените стойности на модула в този диапазон на дълбочина на вдлъбнатината са относително точни и не силно зависят от ефекта на долния обект.
Поради уникалния биомиметичен дизайн на контактните лещи lehfilcon A, състоящ се от разклонени PMPC полимерни четки, присадени върху повърхността на SiHy субстрати, е много трудно да се характеризират надеждно механичните свойства на техните повърхностни структури, като се използват традиционни методи за измерване.Тук представяме усъвършенстван AFM метод за наноиндентиране за точно характеризиране на ултра-меки материали като lefilcon A с високо водно съдържание и изключително висока еластичност.Този метод се основава на използването на AFM сонда, чийто размер и геометрия на върха са внимателно подбрани, за да съответстват на структурните размери на ултрамеките повърхностни характеристики, които ще бъдат отпечатани.Тази комбинация от размери между сондата и структурата осигурява повишена чувствителност, което ни позволява да измерваме ниския модул и присъщите еластични свойства на разклонени полимерни четки, независимо от пороеластични ефекти.Резултатите показват, че уникалните разклонени PMPC полимерни четки, характерни за повърхността на лещата, имат изключително нисък модул на еластичност (до 2 kPa) и много висока еластичност (почти 100%), когато са тествани във водна среда.Резултатите от AFM наноиндентацията също ни позволиха да характеризираме привидния контактен модул/градиент на дълбочина (30 kPa/200 nm) на повърхността на биомиметичната леща.Този градиент може да се дължи на разликата в модула между разклонените полимерни четки и SiHy субстрата, или разклонената структура/плътност на полимерните четки, или комбинация от тях.Необходими са обаче допълнителни задълбочени проучвания, за да се разбере напълно връзката между структурата и свойствата, особено ефекта от разклоняването на четката върху механичните свойства.Подобни измервания могат да помогнат за характеризиране на механичните свойства на повърхността на други ултрамеки материали и медицински устройства.
Наборите от данни, генерирани и/или анализирани по време на настоящото проучване, са достъпни от съответните автори при разумно искане.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. и Haugen, HJ Биологични реакции към физични и химични свойства на повърхности на биоматериали.химически.общество.Изд.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM и Liu, X. Подобряване на биоматериали, получени от човека, за тъканно инженерство.програмиране.полимер.науката.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Дизайн, клинично прилагане и имунен отговор на биоматериали в регенеративната медицина.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK и Farr GM Подобрен метод за определяне на твърдост и модул на еластичност, използвайки експерименти с вдлъбнатини с измервания на натоварване и изместване.J. Алма матер.резервоар за съхранение.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Исторически произход на изпитването за твърдост на вдлъбнатини.Алма матер.науката.технологии.28, 1028–1044 (2012).
Бройтман, Е. Измервания на твърдост на вдлъбнатина в макро-, микро- и наномащаб: Критичен преглед.племе.Райт.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD и Clapperich, SM Грешки при откриване на повърхността водят до надценяване на модула при наноиндентиране на меки материали.J. Mecha.Поведение.Биомедицинска наука.Алма матер.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR и Yahya M.Yu.Оценка на метода на наноиндентиране за определяне на механичните характеристики на хетерогенни нанокомпозити с помощта на експериментални и изчислителни методи.науката.Къща 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR и Owart, TS Механично характеризиране на меки вискоеластични гелове чрез вдлъбнатина и базиран на оптимизация обратен анализ на крайните елементи.J. Mecha.Поведение.Биомедицинска наука.Алма матер.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J и Chaneler D. Оптимизиране на определянето на вискоеластичността с помощта на съвместими системи за измерване.Мека материя 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. и Pellillo, E. Наноиндентация на полимерни повърхности.J. Физика.Г. Кандидатстване за физика.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. и Van Vliet KJ Характеризиране на вискоеластични механични свойства на високоеластични полимери и биологични тъкани с помощта на ударно вдлъбнатина.Вестник за биоматериали.71, 388–397 (2018).
Перепелкин Н.В., Ковалев А.Е., Горб С.Н., Бородич Ф.М. Оценка на модула на еластичност и адхезионната работа на меки материали с помощта на разширения метод на Бородич-Галанов (BG) и дълбоко вдлъбнатина.кожа.Алма матер.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Наномащабна морфология и механични свойства на биомиметични полимерни повърхности на силиконови хидрогелни контактни лещи.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).