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Cù u sviluppu di novi materiali ultra-morbidi per i dispositi medichi è l'applicazioni biomedicali, a carattarizazione cumpleta di e so proprietà fisiche è meccaniche hè à tempu impurtante è sfida.Una tecnica di nanoindentazione di microscopia di forza atomica modificata (AFM) hè stata applicata per caratterizà u modulu di superficia estremamente bassu di u novu Lehfilcon Una lente di contactu di l'idrogel di silicone biomimeticu ricopertu da una strata di strutture di spazzola polimerica ramificata.Stu metudu permette a determinazione precisa di i punti di cuntattu senza l'effetti di l'estrusione viscosa quandu si avvicina à polimeri ramificati.Inoltre, permette di determinà e caratteristiche meccaniche di elementi di spazzole individuali senza l'effettu di poroelasticità.Questu hè ottenutu selezziunendu una sonda AFM cun un disignu (dimensione di punta, geometria è ritmu di primavera) chì hè particularmente adattatu per a misurazione di e proprietà di materiali morbidi è campioni biologichi.Stu metudu migliurà a sensibilità è a precisione per a misurazione precisa di u materiale assai suave lehfilcon A, chì hà un modulu d'elasticità estremamente bassu nantu à a superficia (finu à 2 kPa) è una elasticità estremamente alta in l'ambienti internu (quasi 100%). .I risultati di l'studiu di a superficia ùn anu micca solu revelatu e proprietà di a superficia ultra-soft di a lente lehfilcon A, ma ancu dimustratu chì u modulu di i spazzole di polimeru ramificati era paragunabili à quellu di u sustrato di silicium-idrogenu.Sta tecnica di carattarizazione di a superficia pò esse appiicata à altri materiali ultra-soft è dispusitivi medichi.
E proprietà meccaniche di i materiali pensati per u cuntattu direttu cù u tissutu viventi sò spessu determinate da l'ambiente biologicu.L'accordu perfettu di sti pruprietà di u materiale aiuta à ottene e caratteristiche cliniche desiderate di u materiale senza pruvucà risposti cellulari avversi1,2,3.Per i materiali omogenei in massa, a carattarizazione di e proprietà meccaniche hè relativamente faciule per via di a dispunibilità di prucedure standard è metudi di prova (per esempiu, microindentation4,5,6).Tuttavia, per i materiali ultra-morbidi cum'è gel, hydrogels, biopolimeri, cellule viventi, ecc., questi metudi di prova sò generalmente micca applicabili per via di limitazioni di risoluzione di misurazione è di l'inhomogeneità di certi materiali7.Nantu à l'anni, i metudi tradiziunali di indentazione sò stati mudificati è adattati per caratterizà una larga gamma di materiali morbidi, ma assai metudi anu sempre soffrenu di difetti serii chì limitanu u so usu8,9,10,11,12,13.A mancanza di metudi di prova specializati chì ponu caratterizà in modu precisu è affidabile e proprietà meccaniche di materiali supersoft è strati di superficia limita severamente u so usu in diverse applicazioni.
In u nostru travagliu precedente, avemu introduttu a lente di cuntattu lehfilcon A (CL), un materiale eterogeneu suave cù tutte e proprietà di superficia ultra-morbida derivate da disinni potenzialmente biomimetici ispirati da a superficia di a cornea di l'ochju.Stu biomateriale hè statu sviluppatu innestendu una strata di polimeru ramificata, reticulata di poli (2-metacriloilossietilfosforilcolina (MPC)) (PMPC) nantu à un hydrogel di silicone (SiHy) 15 cuncepitu per i dispositi medichi basati.Stu prucessu di grafting crea una capa nantu à a superficia custituita da una struttura di spazzola polimerica ramificata assai suave è altamente elastica.U nostru travagliu precedente hà cunfirmatu chì a struttura biomimetica di lehfilcon A CL furnisce proprietà di superficia superiore, cum'è a prevenzione di umidificazione è incrustazioni mejorata, a lubricità aumentata è a riduzzione di l'adesione cellulare è bacteriana15,16.Inoltre, l'usu è u sviluppu di stu materiale biomimeticu suggerisce ancu più espansione à altri dispositi biomedici.Dunque, hè criticu per caratterizà e proprietà di a superficia di stu materiale ultra-soft è capisce a so interazzione meccanica cù l'ochju in modu di creà una basa di cunniscenza cumpleta per sustene u futuru sviluppi è applicazioni.La maggior parte delle lenti a contatto SiHy disponibili in commercio sono composte da una miscela omogenea di polimeri idrofili e idrofobici che formano una struttura materiale uniforme17.Diversi studii sò stati fatti per investigà e so proprietà meccaniche utilizendu metudi tradiziunali di compressione, trazione è microindentazione18,19,20,21.Tuttavia, u novu disignu biomimeticu di lehfilcon A CL face un materiale eterogeneu unicu in u quale e proprietà meccaniche di e strutture di spazzole di polimeru ramificatu differiscenu significativamente da quelle di u sustrato di basa SiHy.Per quessa, hè assai difficiuli di quantificà accuratamente queste proprietà cù i metudi convenzionali è di indentazione.Un metudu promettente usa u metudu di teste di nanoindentazione implementatu in a microscopia di forza atomica (AFM), un metudu chì hè statu utilizatu per determinà e proprietà meccaniche di materiali viscoelastici molli cum'è cellule biologiche è tessuti, è ancu polimeri morbidi22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.In a nanoindentazione AFM, i fundamenti di a prova di nanoindentazione sò cumminati cù l'ultimi avanzi in a tecnulugia AFM per furnisce una sensibilità di misurazione aumentata è teste di una larga gamma di materiali intrinsecamente supersoft31,32,33,34,35,36.Inoltre, a tecnulugia offre altri vantaghji impurtanti attraversu l'usu di diverse geometrie.indenter è sonda è a pussibilità di pruvà in diversi media liquidi.
A nanoindentazione AFM pò esse divisa in cundizzioni in trè cumpunenti principali: (1) equipamentu (sensori, detectors, sonde, etc.);(2) paràmetri di misurazione (cum'è forza, spustamentu, vitezza, dimensione di rampa, etc.);(3) Trattamentu di dati (correzione di basa, stima di puntu di toccu, adattazione di dati, mudeli, etc.).Un prublema significativu cù stu metudu hè chì parechji studii in a literatura chì utilizanu nanoindentazione AFM riportanu risultati quantitativi assai diffirenti per u listessu campione / cellula / tipu di materiale37,38,39,40,41.Per esempiu, Lekka et al.L'influenza di a geometria di a sonda AFM nantu à u modulu di Young misuratu di campioni di l'idrogelu meccanicamente omogeneu è di e cellule eterogenee hè stata studiata è paragunata.Riportanu chì i valori di u modulu sò assai dipendenti da a selezzione di cantilever è a forma di punta, cù u valore più altu per una sonda in forma di piramide è u valore più bassu di 42 per una sonda sferica.In listessu modu, Selhuber-Unkel et al.Hè statu dimustratu cumu a velocità di l'indentazione, a dimensione di l'indentazione è u grossu di i campioni di poliacrilamide (PAAM) affettanu u modulu di Young misuratu da nanoindentazione ACM43.Un altru fattore complicatu hè a mancanza di materiali di prova standard estremamente bassu è prucedure di prova gratuiti.Questu rende assai difficiule di ottene risultati precisi cun fiducia.In ogni casu, u metudu hè assai utile per e misurazioni relative è e valutazioni comparative trà tipi di mostra simili, per esempiu utilizendu nanoindentation AFM per distinguish cells nurmali da e cellule cancerose 44, 45 .
Quandu teste materiali morbidi cù nanoindentazione AFM, una regula generale hè di utilizà una sonda cù una constante di molla bassa (k) chì currisponde strettamente à u modulu di mostra è una punta emisferica / tonda in modu chì a prima sonda ùn perfora micca e superfici di mostra nantu primu cuntattu cù materiali molli.Hè ancu impurtante chì u signale di deflessione generatu da a sonda sia abbastanza forte per esse rilevatu da u sistema di detettore laser24,34,46,47.In u casu di cellule, tessuti è geli eterogenei ultra-soft, una altra sfida hè di superà a forza adesiva trà a sonda è a superficia di mostra per assicurà e misurazioni riproducibili è affidabili48,49,50.Finu à pocu tempu, a maiò parte di u travagliu nantu à a nanoindentazione AFM hè stata cuncentrata nantu à u studiu di u cumpurtamentu meccanicu di e cellule biologiche, tessuti, gel, hydrogels, è biomolecule chì utilizanu sonde sferiche relativamente grandi, cumunimenti chjamate sonde colloidali (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Questi punte anu un raghju da 1 à 50 µm è sò cumunimenti fatti di vetru borosilicatu, polimetilmetacrilate (PMMA), polistirene (PS), diossidu di siliciu (SiO2) è diamanti. cum'è carbone (DLC).Ancu s'è a nanoindentazione CP-AFM hè spessu a prima scelta per a carattarizazione di mostra soft, hà i so prublemi è limitazioni.L'usu di punte sferiche grandi di micron aumenta l'area di cuntattu tutale di a punta cù a mostra è si traduce in una perdita significativa di risoluzione spaziale.Per i specimens morbidi è inhomogeneous, induve e proprietà meccaniche di l'elementi lucali ponu differisce significativamente da a media nantu à una zona più larga, l'indentazione CP pò ammuccià ogni inhomogeneità in proprietà in una scala lucale52.E sonde coloidali sò tipicamente fatte attachendu sfere colloidali micron-sized à cantilever tipless cù adesivi epossidici.U prucessu di fabricazione stessu hè pienu di parechji prublemi è pò purtà à inconsistenzi in u prucessu di calibrazione di a sonda.Inoltre, a dimensione è a massa di particeddi coloidali affettanu direttamente i principali paràmetri di calibrazione di u cantilever, cum'è a frequenza di risonanza, a rigidità di a primavera è a sensibilità di deviazione56,57,58.Cusì, i metudi cumunimenti utilizati per sonde AFM cunvinziunali, cum'è a calibrazione di a temperatura, ùn ponu micca furnisce una calibrazione precisa per CP, è altri metudi ponu esse richiesti per eseguisce questi correzioni57, 59, 60, 61. Esperimenti tipici di indentazione CP utilizanu grandi deviazioni cantilever per studià e proprietà di campioni morbidi, chì crea un altru prublema quandu calibra u cumpurtamentu non-lineale di u cantilever à deviazioni relativamente grande62,63,64.I metudi di indentazione di sonda colloidali muderni sò generalmente cunsiderà a geometria di u cantilever utilizatu per calibre a sonda, ma ignora l'influenza di particeddi colloidali, chì crea incertezza supplementu in l'accuratezza di u metudu38,61.In u listessu modu, i moduli elastichi calculati da l'adattamentu di u mudellu di cuntattu sò direttamente dipendenu da a geometria di a sonda di indentazione, è a discrepanza trà e caratteristiche di a punta è di a superficia di mostra pò purtà à imprecisioni27, 65, 66, 67, 68. Certi travagli recenti di Spencer et al.I fatturi chì devenu esse cunsideratu quandu si caratterizzanu i spazzole di polimeru morbidu cù u metudu di nanoindentazione CP-AFM sò evidenziati.Anu infurmatu chì a ritenzione di un fluidu viscosu in i spazzole di polimeru cum'è una funzione di a velocità risulta in un aumentu di a carica di a testa è dunque diverse misurazioni di e proprietà dipendenti di a velocità30,69,70,71.
In questu studiu, avemu carattarizatu u modulu di a superficia di u materiale ultra-morbidu altamente elasticu lehfilcon A CL utilizendu un metudu di nanoindentazione AFM mudificatu.Data e proprietà è a nova struttura di stu materiale, a gamma di sensibilità di u metudu tradiziunale di indentazione hè chjaramente insufficiente per caratterizà u modulu di stu materiale estremamente suave, per quessa, hè necessariu d'utilizà un metudu di nanoindentazione AFM cù una sensibilità più alta è una sensibilità più bassa.livellu.Dopu avè rivisitu i difetti è i prublemi di e tecniche di nanoindentazione di sonda AFM colloidali esistenti, mostramu perchè avemu sceltu una sonda AFM più chjuca, cuncepita per eliminà a sensibilità, u rumore di fondo, u puntu di cuntattu, misura u modulu di velocità di materiali eterogenei dolci cum'è a ritenzione di fluidi. dipendenza.e quantificazione precisa.Inoltre, pudemu misurà accuratamente a forma è e dimensioni di a punta di indentazione, chì ci permette di utilizà u mudellu di cune-sfera per determinà u modulu di elasticità senza valutà l'area di cuntattu di a punta cù u materiale.E duie ipotesi implicite chì sò quantificate in stu travagliu sò e proprietà di materiale cumplettamente elasticu è u modulu indipindente di a prufundità di indentazione.Utilizendu stu metudu, avemu prima pruvatu standard ultra-soft cun un modulu cunnisciutu per quantificà u metudu, è dopu utilizatu stu metudu per caratterizà e superfici di dui materiali di lenti di cuntattu diffirenti.Stu metudu di caratterizà e superfici di nanoindentazione AFM cù una sensibilità aumentata hè prevista per esse applicabile à una larga gamma di materiali ultrasoft biomimetici eterogenei cù u putenziale usu in i dispositi medichi è l'applicazioni biomedicali.
Lenti di cuntattu Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) è i so sustrati d'idrogel di silicone sò stati scelti per esperimenti di nanoindentazione.In l'esperimentu hè stata aduprata una lente di lenti apposta apposta.Per installà a lente per a prova, hè stata posta cù cura nantu à u stand in forma di cupola, assicurendu chì ùn ci hè micca bolle d'aria in l'internu, è poi riparatu cù i bordi.Un pirtusu in l'attrezzatura à a cima di u supportu di lenti furnisce l'accessu à u centru otticu di a lente per esperimenti di nanoindentazione mentre mantene u liquidu in u locu.Questu mantene e lenti completamente idratate.500 μl di suluzione di imballaggio di lenti di cuntattu hè stata utilizata cum'è suluzione di prova.Per verificà i risultati quantitativi, l'idrogeli di poliacrilammide non attivatu (PAAM) dispunibili in cumerciu sò stati preparati da una cumpusizioni di poliacrilammide-co-metilene-bisacrilammide (100 mm Petrisoft Petri dishes, Matrigen, Irvine, CA, USA), un modulu elasticu cunnisciutu di 1. kPa.Utilizzare 4-5 gocce (circa 125 µl) di soluzione salina tamponata con fosfati (PBS da Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) e 1 goccia di soluzione per lenti a contatto OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA).) à l'interfaccia d'idrogel-sonda AFM.
Campioni di sustrati Lehfilcon A CL è SiHy sò stati visualizati utilizendu un sistema di Microscopiu Elettronicu à Scansione di Emissione di Campu FEI Quanta 250 (FEG SEM) equipatu di un detector di Microscopu Elettronicu di Trasmissione à Scansione (STEM).Per preparà e mostre, i lenti sò stati prima lavati cù l'acqua è tagliati in cunei in forma di pie.Per ottene un cuntrastu differenziale trà i cumpunenti idrofili è idrofobi di i campioni, una soluzione stabilizzata 0,10% di RuO4 hè stata aduprata cum'è colorante, in quale i campioni sò stati immersi per 30 min.A tintura di lehfilcon A CL RuO4 hè impurtante micca solu per ottene un cuntrastu differenziale migliuratu, ma aiuta ancu à priservà a struttura di i spazzole di polimeru ramificatu in a so forma originale, chì sò allora visibili nantu à l'imaghjini STEM.Dopu sò stati lavati è disidratati in una seria di miscele di etanolu / acqua cù una concentrazione di etanolu crescente.Les échantillons sont ensuite coulés avec l'époxyde EMBed 812/Araldite, qui durcit toute la nuit à 70°C.I blocchi di campionu ottenuti da a polimerizazione di resina sò stati tagliati cù un ultramicrotome, è e sezioni sottili risultanti sò visualizate cù un detector STEM in modu di vacuum bassu à una tensione accelerante di 30 kV.U stessu sistema SEM hè statu utilizatu per a carattarizazione dettagliata di a sonda PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).L'imaghjini SEM di a sonda AFM sò stati ottenuti in un modu tipicu di vacuum altu cù una tensione accelerante di 30 kV.Acquisite imaghjini in diverse anguli è ingrandimenti per registrà tutti i dettagli di a forma è a dimensione di a punta di a sonda AFM.Tutte e dimensioni di punta di interessu in l'imaghjini sò stati misurati digitale.
Un microscopiu di forza atomica Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) cù u modu "PeakForce QNM in Fluid" hè statu utilizatu per visualizà è nanoindentate lehfilcon A CL, substratu SiHy è campioni di idrogel PAAm.Per l'esperimenti di imaging, una sonda PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) cù un raghju nominale di punta di 1 nm hè stata aduprata per catturà l'imaghjini d'alta risoluzione di a mostra à una freccia di scansione di 0.50 Hz.Tutte l'imaghjini sò stati pigliati in suluzione aqueous.
Esperimenti di nanoindentazione AFM sò stati realizati cù una sonda PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).A sonda AFM hà una punta di silicone nantu à un cantilever di nitruru di 345 nm di spessore, 54 µm di lunghezza è 4,5 µm di larghezza cù una frequenza di risonanza di 45 kHz.Hè specificamente cuncepitu per caratterizà è eseguisce misure nanomeccaniche quantitative nantu à campioni biologichi dolci.I sensori sò calibrati individualmente in fabbrica cù paràmetri di primavera pre-calibrati.I custanti di primavera di i sondi utilizati in stu studiu eranu in a gamma di 0,05-0,1 N / m.Per determinà accuratamente a forma è a dimensione di a punta, a sonda hè stata carattarizata in dettagliu cù SEM.Nantu à fig.A Figura 1a mostra una micrografia elettronica di scansione à bassa ingrandimentu di alta risoluzione di a sonda PFQNM-LC-A-CAL, chì furnisce una vista olistica di u disignu di a sonda.Nantu à fig.1b mostra una vista allargata di a cima di a punta di a sonda, chì furnisce infurmazioni nantu à a forma è a dimensione di a punta.À l'estremità estrema, l'agulla hè un hemisferu di circa 140 nm di diametru (Fig. 1c).Sottu à questu, a punta si stende in una forma cunica, righjunghjendu una lunghezza misurata di circa 500 nm.Fora di a regione di tapering, a punta hè cilindrica è finisce in una lunghezza totale di punta di 1,18 µm.Questa hè a parte funziunale principale di a punta di a sonda.Inoltre, una grande sonda di polistirene sfericu (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) cù un diametru di punta di 45 µm è una constante di primavera di 2 N / m hè stata ancu utilizata per a prova cum'è una sonda colloidale.cù a sonda PFQNM-LC-A-CAL 140 nm per a comparazione.
Hè statu infurmatu chì u liquidu pò esse intrappulatu trà a sonda AFM è a struttura di a spazzola di polimeru durante a nanoindentazione, chì esercitarà una forza ascendente nantu à a sonda AFM prima ch'ella tocchi veramente a superficia69.Stu effettu di estrusione viscosa per via di a ritenzione di fluidu pò cambià u puntu di cuntattu apparente, affettendu cusì e misurazioni di u modulu di a superficia.Per studià l'effettu di a geometria di a sonda è a velocità di indentazione nantu à a ritenzione di fluidu, curve di forza di indentazione sò stati tracciati per i campioni di lehfilcon A CL utilizendu una sonda di diametru di 140 nm à tassi di spostamentu custanti di 1 µm/s è 2 µm/s.Diamètre de la sonde 45 µm, réglage de la force fixe 6 nN atteint à 1 µm/s.L'esperimenti cù una sonda di 140 nm di diametru sò stati realizati à una velocità di indentazione di 1 µm / s è una forza stabilita di 300 pN, scelta per creà una pressione di cuntattu in a gamma fisiologica (1-8 kPa) di a palpebra superiore.pressure 72. Soft ready-made samples di PAA hydrogel cù una pressione di 1 kPa sò stati pruvati per una forza di indentazione di 50 pN à una veloce di 1 μm / s cù una sonda cù un diametru di 140 nm.
Siccomu a lunghezza di a parte cònica di a punta di a sonda PFQNM-LC-A-CAL hè di circa 500 nm, per ogni prufundità di indentazione < 500 nm, pò esse assicuratu chì a geometria di a sonda durante l'indentazione resterà fedele à a so indentazione. forma di cune.Inoltre, si assume chì a superficia di u materiale sottumessu esibirà una risposta elastica reversibile, chì serà ancu cunfirmata in e sezioni seguenti.Per quessa, sicondu a forma è a dimensione di a punta, avemu sceltu u mudellu di fitting cone-sphere sviluppatu da Briscoe, Sebastian è Adams, chì hè dispunibule in u software di u venditore, per processà i nostri esperimenti di nanoindentazione AFM (NanoScope).U software di analisi di dati di separazione, Bruker) 73. U mudellu descrive a relazione forza-slocamentu F (δ) per un conu cù un difettu di l'apex sfericu.Nantu à fig.A figura 2 mostra a geometria di cuntattu durante l'interazzione di un conu rigidu cù una punta sferica, induve R hè u raghju di a punta sferica, a hè u raghju di cuntattu, b hè u raghju di cuntattu à a fine di a punta sferica, δ hè u raghju di u cuntattu. raghju di cuntattu.a prufundità di indentazione, θ hè a mità angulu di u conu.L'immagine SEM di sta sonda mostra chjaramente chì a punta sferica di 140 nm di diametru fusione tangenzialmente in un cône, dunque quì b hè definitu solu per R, ie b = R cos θ.U software furnitu da u venditore furnisce una relazione cune-sfera per calculà i valori di u modulu di Young (E) da e dati di separazione di forza assumendu a > b.Relazione:
induve F hè a forza di indentazione, E hè u modulu di Young, ν hè u rapportu di Poisson.U raghju di cuntattu a pò esse stimatu cù:
Schema di a geometria di cuntattu di un conu rigidu cù una punta sferica pressata in u materiale di una lente di contactu Lefilcon cù una superficia di spazzole di polimeru ramificatu.
Se a ≤ b, a relazione si riduce à l'equazioni per un indentatore sfericu convenzionale;
Cridemu chì l'interazzione di a sonda di indentazione cù a struttura ramificata di a spazzola di polimeru PMPC farà chì u raghju di cuntattu a sia più grande di u raghju di cuntattu sfericu b.Dunque, per tutte e misurazioni quantitative di u modulu elasticu realizatu in stu studiu, avemu usatu a dependenza ottenuta per u casu a > b.
I materiali biomimetici ultrasoft studiati in stu studiu sò stati imaghjini cumpletamente utilizendu a microscopia elettronica di trasmissione di scansione (STEM) di a sezione trasversale di mostra è a microscopia di forza atomica (AFM) di a superficia.Questa carattarizazione di a superficia detallata hè stata realizata cum'è una estensione di u nostru travagliu publicatu prima, in quale avemu determinatu chì a struttura di spazzola polimerica ramificata dinamicamente di a superficia di lehfilcon A CL modificata da PMPC mostrava proprietà meccaniche simili à u tessulu corneal nativu 14 .Per quessa, ci riferimu à e superfici di lenti di cuntattu cum'è materiali biomimetici14.Nantu à fig.3a,b mostranu sezioni trasversali di strutture di spazzole di polimeru PMPC ramificate nantu à a superficia di un sustrato di lehfilcon A CL è di un sustrato SiHy micca trattatu, rispettivamente.I superfici di i dui campioni sò stati analizati in più cù l'imaghjini AFM d'alta risoluzione, chì anu cunfirmatu ancu i risultati di l'analisi STEM (Fig. 3c, d).Inseme, queste immagini dannu una lunghezza approssimativa di a struttura di a spazzola di polimeru ramificata PMPC à 300-400 nm, chì hè critica per l'interpretazione di e misurazioni di nanoindentazione AFM.Un'altra osservazione chjave derivata da l'imaghjini hè chì a struttura di a superficia generale di u materiale biomimeticu CL hè morfologicamente sfarente da quella di u materiale di sustrato SiHy.Sta differenza in a so morfologia di a superficia pò esse apparente durante a so interazzione meccanica cù a sonda AFM di indentazione è dopu in i valori di modulu misurati.
Immagini STEM in sezione trasversale di (a) lehfilcon A CL è (b) sustrato SiHy.Barra di scala, 500 nm.L'imaghjini AFM di a superficia di u substratu di lehfilcon A CL (c) è u substratu SiHy di basa (d) (3 µm × 3 µm).
I polimeri bioinspirati è e strutture di spazzole di polimeru sò intrinsecamente morbidi è sò stati largamente studiati è usati in diverse applicazioni biomediche74,75,76,77.Per quessa, hè impurtante aduprà u metudu di nanoindentation AFM, chì ponu misurà in modu precisu è affidabile e so proprietà meccaniche.Ma à u listessu tempu, e proprietà uniche di sti materiali ultra-soft, cum'è u modulu elasticu estremamente bassu, u cuntenutu di liquidu altu è l'elasticità alta, spessu facenu difficultà di sceglie u materiale, a forma è a forma di a sonda di indentazione.taglia.Questu hè impurtante per chì l'indentatore ùn pierce a superficia suave di a mostra, chì porta à errori in a determinazione di u puntu di cuntattu cù a superficia è l'area di cuntattu.
Per questu, una cunniscenza cumpleta di a morfologia di i materiali biomimetici ultra-soft (lehfilcon A CL) hè essenziale.L'infurmazioni nantu à a dimensione è a struttura di e spazzole di polimeru ramificatu ottenute cù u metudu di imaging furnisce a basa per a carattarizazione meccanica di a superficia utilizendu tecniche di nanoindentazione AFM.Invece di sonde coloidali sferiche micron-sized, avemu sceltu a sonda di nitruru di siliciu PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) cù un diametru di punta di 140 nm, apposta cuncepitu per a cartografia quantitativa di e proprietà meccaniche di campioni biologichi 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 U ragiunamentu per l'usu di sonde relativamente affilate paragunate à e sonde coloidali convenzionali pò esse spiegatu da e caratteristiche strutturali di u materiale.Paragunendu a dimensione di punta di a sonda (~ 140 nm) cù i spazzole di polimeru ramificatu nantu à a superficia di CL lehfilcon A, mostrata in Fig. 3a, pò esse cunclusu chì a punta hè abbastanza grande per entra in cuntattu direttu cù queste strutture di spazzola, chì riduce a probabilità chì a punta piercing through them.Per illustrà stu puntu, in Fig. 4 hè una stampa STEM di u lehfilcon A CL è a punta di indentazione di a sonda AFM (drawn to scale).
Schema chì mostra l'immagine STEM di lehfilcon A CL è una sonda di indentazione ACM (dissegnata à scala).
Inoltre, a dimensione di a punta di 140 nm hè abbastanza chjuca per evità u risicu di qualsiasi effetti di estrusione appiccicosa precedentemente riportati per i spazzole polimeriche prodotte da u metudu di nanoindentazione CP-AFM69,71.Assumimu chì, per via di a forma speciale di cune-sferica è di una dimensione relativamente chjuca di questa punta AFM (Fig. 1), a natura di a curva di forza generata da lehfilcon A CL nanoindentation ùn dependerà micca di a velocità di indentazione o di a velocità di carica / scaricamentu. .Dunque, ùn hè micca affettatu da l'effetti poroelastici.Per pruvà sta ipotesi, i campioni di lehfilcon A CL sò stati indentati à una forza massima fissa utilizendu una sonda PFQNM-LC-A-CAL, ma à duie velocità differenti, è e curve di forza di trazione è di retrazione risultanti sò state aduprate per tracciare a forza (nN) in separazione (µm) hè mostratu in Figura 5a.Hè chjaru chì e curve di forza durante a carica è u scaricamentu si sovrapponenu cumpletamente, è ùn ci hè micca una evidenza chjara chì a forza di cisaglia à a prufundità di indentazione zero aumenta cù a velocità di indentazione in a figura, chì suggerenu chì l'elementi di spazzola individuali sò stati carattarizati senza un effettu poroelastic.In cuntrastu, l'effetti di ritenzione di fluidi (estrusione viscosa è effetti di poroelasticità) sò evidenti per a sonda AFM di diametru di 45 µm à a stessa velocità di indentazione è sò evidenziati da l'isteresi trà e curve di stiratura è ritrazione, cum'è mostra in Figura 5b.Questi risultati sustenenu l'ipotesi è suggerenu chì e sonde di diametru 140 nm sò una bona scelta per caratterizà tali superfici morbide.
lehfilcon A CL curve di forza di indentazione cù ACM;(a) aduprendu una sonda cù un diametru di 140 nm à dui tassi di carica, dimustrendu l'assenza di un effettu poroelasticu durante l'indentazione di a superficia;(b) utilizendu sonde cù un diametru di 45 µm è 140 nm.s mostranu l'effetti di l'estrusione viscosa è a poroelasticità per e sonde grandi cumparate cù e sonde più chjuche.
Per caratterizà e superfici ultrasoft, i metudi di nanoindentazione AFM deve avè a megliu sonda per studià e proprietà di u materiale studiatu.In più di a forma è a dimensione di a punta, a sensibilità di u sistema di detector AFM, a sensibilità à a deflessione di punta in l'ambiente di prova, è a rigidità di cantilever ghjucanu un rolu impurtante in a determinazione di l'accuratezza è l'affidabilità di a nanoindentazione.misure.Per u nostru sistema AFM, u limitu di rilevazione di u Detector Sensitivu di Posizione (PSD) hè di circa 0,5 mV è hè basatu annantu à a freccia di primavera pre-calibrata è a sensibilità di deviazione di fluidu calculata di a sonda PFQNM-LC-A-CAL, chì currisponde à u sensibilità teorica di carica.hè menu di 0,1 pN.Per quessa, stu metudu permette a misurazione di una forza di indentazione minima ≤ 0,1 pN senza alcuna cumpunente di rumore perifericu.Tuttavia, hè quasi impussibile per un sistema AFM di riduce u rumore perifericu à questu livellu per via di fatturi cum'è a vibrazione meccanica è a dinamica di fluidu.Questi fattori limitanu a sensibilità generale di u metudu di nanoindentazione AFM è ancu risultatu in un signalu di rumore di fondo di circa ≤ 10 pN.Per a carattarizazione di a superficia, i campioni di sustrato di lehfilcon A CL è SiHy sò stati indentati in cundizioni cumpletamente idratate cù una sonda 140 nm per a carattarizazione SEM, è e curve di forza risultanti sò state sovrapposte trà forza (pN) è pressione.U graficu di separazione (µm) hè mostratu in a Figura 6a.Comparatu à u sustrato di basa SiHy, a curva di forza di lehfilcon A CL mostra chjaramente una fase di transizione chì principia da u puntu di cuntattu cù a spazzola di polimeru furcuta è finisce cù un cambiamentu bruscu in a pendenza chì marca u cuntattu di a punta cù u materiale sottostante.Questa parte transitoria di a curva di forza mette in risaltu u cumpurtamentu veramente elasticu di a spazzola di polimeru ramificata nantu à a superficia, cum'è l'evidenza da a curva di compressione seguita da a curva di tensione è u cuntrastu in e proprietà meccaniche trà a struttura di a spazzola è u materiale SiHy voluminoso.Quandu si compara u lefilcon.Separazione di a durata media di una spazzola di polimeru ramificata in l'imaghjini STEM di u PCS (Fig. 3a) è a so curva di forza longu l'abscissa in Fig. 3a.6a mostra chì u metudu hè capaci di detectà a punta è u polimeru ramificatu chì ghjunghje à a cima di a superficia.Cuntattu trà e strutture di spazzola.Inoltre, una stretta sovrapposizione di e curve di forza ùn indica micca un effettu di ritenzione di liquidu.In questu casu, ùn ci hè assolutamente micca aderenza trà l'agulla è a superficia di a mostra.I sezzioni più altu di e curve di forza per i dui campioni si sovrapponenu, riflettendu a similitudine di e proprietà meccaniche di i materiali di sustrato.
(a) Curve di forza di nanoindentazione AFM per substrati di lehfilcon A CL è substrati SiHy, (b) curve di forza chì mostranu l'estimazione di u puntu di cuntattu utilizendu u metudu di soglia di rumore di fondo.
Per studià i dettagli più fini di a curva di forza, a curva di tensione di u lehfilcon A CL sample hè re-plotted in Fig. 6b cù una forza massima di 50 pN longu l'assi y.Stu graficu furnisce infurmazioni impurtanti nantu à u rumore di fondo originale.U rumore hè in a gamma di ± 10 pN, chì hè utilizatu per determinà accuratamente u puntu di cuntattu è calculà a prufundità di indentazione.Cum'è infurmatu in a literatura, l'identificazione di punti di cuntattu hè critica per valutà accuratamente e proprietà di materiale cum'è modulus85.Un approcciu chì implica u processamentu automaticu di e dati di a curva di forza hà dimustratu un adattamentu migliuratu trà l'adattamentu di dati è e misurazioni quantitative per i materiali morbidi86.In questu travagliu, a nostra scelta di punti di cuntattu hè relativamente simplice è obiettivu, ma hà e so limitazioni.U nostru approcciu cunservatore per determinà u puntu di cuntattu pò risultà in valori di modulu ligeramente sopravvalutati per profondità di indentazione più chjuche (< 100 nm).L'usu di a rilevazione di punti di toccu basatu in algoritmi è u processu automatizatu di dati puderia esse una continuazione di stu travagliu in u futuru per migliurà ancu u nostru metudu.Cusì, per u rumore di fondo intrinsicu di l'ordine di ± 10 pN, definiscemu u puntu di cuntattu cum'è u primu puntu di dati nantu à l'assi x in a Figura 6b cù un valore di ≥10 pN.Allora, in cunfurmità cù u sogliu di rumore di 10 pN, una linea verticale à u livellu di ~ 0.27 µm marca u puntu di cuntattu cù a superficia, dopu chì a curva di stiratura cuntinueghja finu à chì u sustrato incontra a prufundità di indentazione di ~ 270 nm.Curiosamente, basatu annantu à a dimensione di e caratteristiche di a spazzola polimerica ramificata (300-400 nm) misurata cù u metudu di imaghjini, a prufundità di indentazione di u CL lehfilcon A mostra osservata cù u metudu di soglia di rumore di fondo hè di circa 270 nm, chì hè assai vicinu à a misura di misura cù STEM.Questi risultati cunfirmanu ancu a cumpatibilità è l'applicabilità di a forma è a dimensione di a punta di a sonda AFM per l'indentazione di questa struttura di spazzola polimerica ramificata assai suave è altamente elastica.Questa dati furnisce ancu una forte evidenza per sustene u nostru metudu di utilizà u rumore di fondo cum'è soglia per indicà i punti di cuntattu.Cusì, tutti i risultati quantitativi ottenuti da a modellazione matematica è l'adattamentu di a curva di forza duveranu esse relativamente precisi.
E misurazioni quantitative da i metudi di nanoindentazione AFM sò completamente dipendenti da i mudelli matematichi utilizati per a selezzione di dati è l'analisi sussegwente.Per quessa, hè impurtante di cunsiderà tutti i fatturi ligati à l'scelta di l'indenter, a pruprietà di u materiale è a meccanica di a so interazzione prima di sceglie un mudellu particulari.In questu casu, a geometria di punta hè stata carattarizata cù cura cù micrografi SEM (Fig. 1), è basatu annantu à i risultati, a sonda di nanoindentazione AFM di diametru 140 nm cù un conu duru è a geometria di punta sferica hè una bona scelta per caratterizà i campioni di lehfilcon A CL79. .Un altru fattore impurtante chì deve esse valutatu currettamente hè l'elasticità di u materiale polimeru chì hè pruvatu.Ancu s'è i dati iniziali di nanoindentazione (Figs. 5a è 6a) delineanu chjaramente e caratteristiche di a superposizione di e curve di tensione è di compressione, vale à dì, a ricuperazione elastica cumpleta di u materiale, hè assai impurtante per cunfirmà a natura puramente elastica di i cuntatti. .À questu scopu, duie indentazioni successive sò state realizate in u stessu locu nantu à a superficia di a mostra di lehfilcon A CL à una velocità di indentazione di 1 µm / s in cundizioni d'idratazione completa.I dati di a curva di forza resultanti sò mostrati in a fig.7 è, cum'è s'aspittava, e curve di espansione è di compressione di e duie stampe sò quasi identiche, mettendu in risaltu l'alta elasticità di a struttura di spazzola di polimeru ramificata.
Dui curve di forza di indentazione in u stessu locu nantu à a superficia di lehfilcon A CL indicanu l'elasticità ideale di a superficia di a lente.
Basatu nantu à l'infurmazioni ottenute da l'imaghjini SEM è STEM di a punta di sonda è di a superficia di lehfilcon A CL, rispettivamente, u mudellu di cone-sfera hè una rapprisintazioni matematica raghjone di l'interazzione trà a punta di sonda AFM è u materiale polimeru molle chì hè pruvatu.Inoltre, per stu mudellu di cune-sfera, l'assunzioni fundamentali nantu à e proprietà elastiche di u materiale stampatu valenu per stu novu materiale biomimeticu è sò usati per quantificà u modulu elasticu.
Dopu una valutazione cumpleta di u metudu di nanoindentazione AFM è i so cumpunenti, cumprese proprietà di sonda di indentazione (forma, dimensione è rigidità di primavera), sensibilità (stima di rumore di fondo è di puntu di cuntattu), è mudelli di adattazione di dati (misurazioni di moduli quantitativi), u metudu hè statu usatu.carattarizà campioni ultra-morbidi dispunibuli cummerciale per verificà risultati quantitativi.Un idrogelu di poliacrilamide cummerciale (PAAM) cun un modulu elasticu di 1 kPa hè statu pruvatu in cundizioni idratate cù una sonda 140 nm.I dettagli di teste di moduli è calculi sò furniti in l'Informazioni Supplementari.I risultati anu dimustratu chì u modulu mediu misuratu era 0.92 kPa, è u %RSD è u percentualità (%) deviazione da u modulu cunnisciutu eranu menu di 10%.Questi risultati cunfirmanu l'accuratezza è a riproducibilità di u metudu di nanoindentazione AFM utilizatu in stu travagliu per misurà i moduli di materiali ultrasoft.E superfici di i campioni di lehfilcon A CL è u sustrato di basa SiHy sò stati ulteriormente carattarizzati cù u stessu metudu di nanoindentazione AFM per studià u modulu di cuntattu apparente di a superficia ultrasoft in funzione di a prufundità di indentazione.Curve di separazione di forza di indentazione sò state generate per trè esemplari di ogni tipu (n = 3; una indentazione per specimen) à una forza di 300 pN, una velocità di 1 µm / s, è idratazione piena.A curva di spartera di a forza di indentazione hè stata apprussimata utilizendu un mudellu di cune-sfera.Per ottene u modulu dipendente da a prufundità di indentazione, una parte larga di 40 nm di a curva di forza hè stata stabilita à ogni incrementu di 20 nm à partesi da u puntu di cuntattu, è i valori misurati di u modulu in ogni passu di a curva di forza.Spin Cy et al.Un approcciu simile hè statu utilizatu per caratterizà u gradiente di modulu di spazzole di polimeru di poli (lauril metacrilate) (P12MA) chì utilizanu nanoindentazione di sonda AFM colloidale, è sò coerenti cù e dati chì utilizanu u mudellu di cuntattu Hertz.Stu approcciu furnisce una trama di u modulu di cuntattu apparente (kPa) versus a prufundità di indentazione (nm), cum'è mostra in a Figura 8, chì illustra u modulu di cuntattu apparente / gradiente di prufundità.U modulu elasticu calculatu di a mostra CL lehfilcon A hè in a gamma di 2-3 kPa in i 100 nm superiore di a mostra, oltre chì cumencia à aumentà cù a prufundità.Per d 'altra banda, durante a prova di u sustrato di basa SiHy senza un film cum'è spazzola nantu à a superficia, a prufundità di indentazione massima ottenuta à una forza di 300 pN hè menu di 50 nm, è u valore di u modulu ottenutu da i dati hè di circa 400 kPa. , chì hè paragunabile à i valori di u modulu di Young per i materiali in massa.
U modulu di cuntattu apparente (kPa) versus a prufundità di indentazione (nm) per i sustrati di lehfilcon A CL è SiHy utilizendu u metudu di nanoindentazione AFM cù geometria di cone-sfera per misurà u modulu.
A superficia più alta di a nova struttura di spazzola polimerica ramificata biomimetica mostra un modulu d'elasticità estremamente bassu (2-3 kPa).Questu currisponderà à l'estremità libera di a spazzola di polimeru forchetta cum'è mostra in l'imagine STEM.Mentre chì ci hè una certa evidenza di un gradiente di modulu à u latu esterno di u CL, u sustrato principale di modulu altu hè più influente.Tuttavia, u top 100 nm di a superficia hè in u 20% di a lunghezza tutale di a spazzola di polimeru ramificata, per quessa, hè ragiunate suppone chì i valori misurati di u modulu in questa gamma di prufundità di indentazione sò relativamente precisi è ùn sò micca forti. dipende da l'effettu di l'ughjettu di fondu.
A causa di u disignu biomimeticu unicu di lenti di cuntattu lehfilcon A, custituitu da strutture di spazzole di polimeru PMPC ramificate innestate nantu à a superficia di sustrati SiHy, hè assai difficiule di caratterizà in modu affidabile e proprietà meccaniche di e so strutture di a superficia utilizendu metudi tradiziunali di misurazione.Quì avemu prisentatu un metudu avanzatu di nanoindentazione AFM per caratterizà accuratamente i materiali ultra-morbidi cum'è lefilcon A cù un altu cuntenutu d'acqua è una elasticità estremamente alta.Stu metudu hè basatu annantu à l'usu di una sonda AFM chì a dimensione di a punta è a geometria sò scelti currettamente per currisponde à e dimensioni strutturali di e caratteristiche di a superficia ultra-morbida per esse stampata.Questa cumminazione di dimensioni trà a sonda è a struttura furnisce una sensibilità aumentata, chì ci permette di misurà u modulu bassu è e proprietà elastiche inerenti di elementi di spazzola di polimeru ramificata, indipendentemente da l'effetti poroelastici.I risultati anu dimustratu chì i spazzole di polimeru PMPC ramificate uniche caratteristiche di a superficia di a lente avianu un modulu elasticu estremamente bassu (finu à 2 kPa) è una elasticità assai alta (quasi 100%) quandu pruvati in un ambiente acquoso.I risultati di a nanoindentazione AFM ci anu ancu permessu di caratterizà u modulu di cuntattu apparente / gradiente di prufundità (30 kPa / 200 nm) di a superficia di a lente biomimetica.Stu gradiente pò esse duvuta à a diffarenza di modulu trà i spazzole di polimeru ramificatu è u sustrato SiHy, o a struttura / densità ramificata di i spazzole di polimeru, o una cumminazione di questu.Tuttavia, più studii approfonditi sò necessarii per capiscenu cumplettamente a relazione trà a struttura è e proprietà, in particulare l'effettu di a ramificazione di spazzole nantu à e proprietà meccaniche.Misurazioni simili ponu aiutà à caratterizà e proprietà meccaniche di a superficia di l'altri materiali ultra-soft è i dispositi medichi.
I datasets generati è / o analizati durante u studiu attuale sò dispunibuli da i rispettivi autori nantu à una dumanda ragionevule.
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