Σας ευχαριστούμε που επισκεφτήκατε το Nature.com.Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS.Για την καλύτερη εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer).Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα.Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Με την ανάπτυξη νέων εξαιρετικά μαλακών υλικών για ιατρικές συσκευές και βιοϊατρικές εφαρμογές, ο ολοκληρωμένος χαρακτηρισμός των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων τους είναι τόσο σημαντικός όσο και προκλητικός.Εφαρμόστηκε μια τεχνική νανοοδοντοποίησης τροποποιημένης μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM) για να χαρακτηριστεί ο εξαιρετικά χαμηλός συντελεστής επιφάνειας του νέου φακού επαφής υδρογέλης σιλικόνης lehfilcon A βιομιμητικός επικαλυμμένος με ένα στρώμα δομών βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς.Αυτή η μέθοδος επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό των σημείων επαφής χωρίς τις επιπτώσεις της ιξώδους εξώθησης κατά την προσέγγιση διακλαδισμένων πολυμερών.Επιπλέον, καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών μεμονωμένων στοιχείων βούρτσας χωρίς την επίδραση της ποροελαστικότητας.Αυτό επιτυγχάνεται με την επιλογή ενός καθετήρα AFM με σχέδιο (μέγεθος άκρου, γεωμετρία και ρυθμός ελατηρίου) που είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για τη μέτρηση των ιδιοτήτων μαλακών υλικών και βιολογικών δειγμάτων.Αυτή η μέθοδος βελτιώνει την ευαισθησία και την ακρίβεια για την ακριβή μέτρηση του πολύ μαλακού υλικού lehfilcon A, το οποίο έχει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας στην επιφάνεια (έως 2 kPa) και εξαιρετικά υψηλή ελαστικότητα στο εσωτερικό (σχεδόν 100%) υδατικό περιβάλλον .Τα αποτελέσματα της επιφανειακής μελέτης όχι μόνο αποκάλυψαν τις εξαιρετικά μαλακές επιφανειακές ιδιότητες του φακού lehfilcon A, αλλά έδειξαν επίσης ότι το μέτρο των βουρτσών διακλαδισμένου πολυμερούς ήταν συγκρίσιμο με αυτό του υποστρώματος πυριτίου-υδρογόνου.Αυτή η τεχνική χαρακτηρισμού επιφάνειας μπορεί να εφαρμοστεί σε άλλα εξαιρετικά μαλακά υλικά και ιατρικές συσκευές.
Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών που έχουν σχεδιαστεί για άμεση επαφή με ζωντανό ιστό συχνά καθορίζονται από το βιολογικό περιβάλλον.Η τέλεια αντιστοιχία αυτών των ιδιοτήτων υλικού βοηθά στην επίτευξη των επιθυμητών κλινικών χαρακτηριστικών του υλικού χωρίς να προκαλεί δυσμενείς κυτταρικές αποκρίσεις1,2,3.Για χύδην ομοιογενή υλικά, ο χαρακτηρισμός των μηχανικών ιδιοτήτων είναι σχετικά εύκολος λόγω της διαθεσιμότητας τυπικών διαδικασιών και μεθόδων δοκιμής (π.χ. microinentation4,5,6).Ωστόσο, για εξαιρετικά μαλακά υλικά όπως γέλες, υδρογέλες, βιοπολυμερή, ζωντανά κύτταρα, κ.λπ., αυτές οι μέθοδοι δοκιμής γενικά δεν είναι εφαρμόσιμες λόγω περιορισμών ανάλυσης μετρήσεων και ανομοιογένειας ορισμένων υλικών7.Με τα χρόνια, οι παραδοσιακές μέθοδοι εσοχής έχουν τροποποιηθεί και προσαρμοστεί για να χαρακτηρίζουν ένα ευρύ φάσμα μαλακών υλικών, αλλά πολλές μέθοδοι εξακολουθούν να υποφέρουν από σοβαρές ελλείψεις που περιορίζουν τη χρήση τους8,9,10,11,12,13.Η έλλειψη εξειδικευμένων μεθόδων δοκιμής που μπορούν να χαρακτηρίσουν με ακρίβεια και αξιοπιστία τις μηχανικές ιδιότητες των supersoft υλικών και των επιφανειακών στρωμάτων περιορίζει σοβαρά τη χρήση τους σε διάφορες εφαρμογές.
Στην προηγούμενη εργασία μας, παρουσιάσαμε τον φακό επαφής lehfilcon A (CL), ένα μαλακό ετερογενές υλικό με όλες τις εξαιρετικά μαλακές επιφανειακές ιδιότητες που προέρχονται από δυνητικά βιομιμητικά σχέδια εμπνευσμένα από την επιφάνεια του κερατοειδούς χιτώνα του ματιού.Αυτό το βιοϋλικό αναπτύχθηκε με εμβολιασμό ενός διακλαδισμένου, διασυνδεδεμένου στρώματος πολυμερούς πολυ(2-μεθακρυλοϋλοξυαιθυλφωσφορυλοχολίνης (MPC)) (PMPC) σε μια υδρογέλη σιλικόνης (SiHy) 15 σχεδιασμένη για ιατρικές συσκευές με βάση.Αυτή η διαδικασία εμβολιασμού δημιουργεί ένα στρώμα στην επιφάνεια που αποτελείται από μια πολύ μαλακή και εξαιρετικά ελαστική δομή διακλαδισμένης πολυμερούς βούρτσας.Η προηγούμενη εργασία μας έχει επιβεβαιώσει ότι η βιομιμητική δομή του lehfilcon A CL παρέχει ανώτερες επιφανειακές ιδιότητες, όπως βελτιωμένη αποφυγή διαβροχής και ρύπανσης, αυξημένη λιπαντικότητα και μειωμένη κυτταρική και βακτηριακή πρόσφυση15,16.Επιπλέον, η χρήση και η ανάπτυξη αυτού του βιομιμητικού υλικού υποδηλώνει επίσης περαιτέρω επέκταση σε άλλες βιοϊατρικές συσκευές.Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να χαρακτηριστούν οι επιφανειακές ιδιότητες αυτού του εξαιρετικά μαλακού υλικού και να κατανοηθεί η μηχανική του αλληλεπίδραση με το μάτι, προκειμένου να δημιουργηθεί μια ολοκληρωμένη βάση γνώσεων για την υποστήριξη μελλοντικών εξελίξεων και εφαρμογών.Οι περισσότεροι εμπορικά διαθέσιμοι φακοί επαφής SiHy αποτελούνται από ένα ομοιογενές μείγμα υδρόφιλων και υδρόφοβων πολυμερών που σχηματίζουν μια ομοιόμορφη δομή υλικού17.Έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες για τη διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων τους με τη χρήση παραδοσιακών μεθόδων δοκιμής συμπίεσης, εφελκυσμού και μικροεσοχλήσεων18,19,20,21.Ωστόσο, ο νέος βιομιμητικός σχεδιασμός του lehfilcon A CL το καθιστά ένα μοναδικό ετερογενές υλικό στο οποίο οι μηχανικές ιδιότητες των δομών βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς διαφέρουν σημαντικά από αυτές του υποστρώματος βάσης SiHy.Επομένως, είναι πολύ δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν με ακρίβεια αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους και μεθόδους εσοχής.Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί τη μέθοδο δοκιμών νανοϊνδάσεων που εφαρμόζεται στο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), μια μέθοδο που έχει χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων μαλακών ιξωδοελαστικών υλικών όπως βιολογικών κυττάρων και ιστών, καθώς και μαλακών πολυμερών22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Στη νανο-εσοχή AFM, οι βασικές αρχές της δοκιμής νανοεισδύσεων συνδυάζονται με τις πιο πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία AFM για την παροχή αυξημένης ευαισθησίας μέτρησης και δοκιμής ενός ευρέος φάσματος εγγενώς υπερμαλακών υλικών31,32,33,34,35,36.Επιπλέον, η τεχνολογία προσφέρει άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα μέσω της χρήσης διαφορετικών γεωμετριών.εσοχή και ανιχνευτή και δυνατότητα δοκιμής σε διάφορα υγρά μέσα.
Η νανοεσοχή AFM μπορεί να χωριστεί υπό όρους σε τρία κύρια στοιχεία: (1) εξοπλισμός (αισθητήρες, ανιχνευτές, ανιχνευτές κ.λπ.).(2) παράμετροι μέτρησης (όπως δύναμη, μετατόπιση, ταχύτητα, μέγεθος ράμπας κ.λπ.)(3) Επεξεργασία δεδομένων (διόρθωση γραμμής βάσης, εκτίμηση σημείου επαφής, προσαρμογή δεδομένων, μοντελοποίηση κ.λπ.).Ένα σημαντικό πρόβλημα με αυτή τη μέθοδο είναι ότι αρκετές μελέτες στη βιβλιογραφία που χρησιμοποιούν νανο-εσοχή AFM αναφέρουν πολύ διαφορετικά ποσοτικά αποτελέσματα για τον ίδιο τύπο δείγματος/κυττάρου/υλικού37,38,39,40,41.Για παράδειγμα, οι Lekka et al.Μελετήθηκε και συγκρίθηκε η επίδραση της γεωμετρίας του ανιχνευτή AFM στο μετρούμενο μέτρο Young δειγμάτων μηχανικά ομοιογενούς υδρογέλης και ετερογενών κυττάρων.Αναφέρουν ότι οι τιμές του συντελεστή εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή του προβόλου και το σχήμα της άκρης, με την υψηλότερη τιμή για έναν ανιχνευτή σε σχήμα πυραμίδας και τη χαμηλότερη τιμή 42 για έναν σφαιρικό καθετήρα.Ομοίως, οι Selhuber-Unkel et al.Έχει αποδειχθεί πώς η ταχύτητα εσοχής, το μέγεθος της εσοχής και το πάχος των δειγμάτων πολυακρυλαμιδίου (PAAM) επηρεάζουν το μέτρο του Young που μετράται με τη νανοεσοχή ACM43.Ένας άλλος παράγοντας που περιπλέκει είναι η έλλειψη τυπικών υλικών δοκιμής εξαιρετικά χαμηλού συντελεστή και δωρεάν διαδικασιών δοκιμής.Αυτό καθιστά πολύ δύσκολο να λάβετε ακριβή αποτελέσματα με σιγουριά.Ωστόσο, η μέθοδος είναι πολύ χρήσιμη για σχετικές μετρήσεις και συγκριτικές αξιολογήσεις μεταξύ παρόμοιων τύπων δειγμάτων, για παράδειγμα με τη χρήση νανο-εσοχής AFM για τη διάκριση των φυσιολογικών κυττάρων από τα καρκινικά κύτταρα 44, 45 .
Κατά τη δοκιμή μαλακών υλικών με νανοοδοντία AFM, ένας γενικός εμπειρικός κανόνας είναι η χρήση ενός καθετήρα με χαμηλή σταθερά ελατηρίου (k) που ταιριάζει πολύ με το μέτρο του δείγματος και ένα ημισφαιρικό/στρογγυλό άκρο, έτσι ώστε ο πρώτος ανιχνευτής να μην τρυπήσει τις επιφάνειες του δείγματος. πρώτη επαφή με μαλακά υλικά.Είναι επίσης σημαντικό το σήμα εκτροπής που παράγεται από τον ανιχνευτή να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να ανιχνεύεται από το σύστημα ανιχνευτή λέιζερ24,34,46,47.Στην περίπτωση εξαιρετικά μαλακών ετερογενών κυττάρων, ιστών και πηκτωμάτων, μια άλλη πρόκληση είναι να ξεπεραστεί η συγκολλητική δύναμη μεταξύ του ανιχνευτή και της επιφάνειας του δείγματος για να εξασφαλιστούν αναπαραγώγιμες και αξιόπιστες μετρήσεις48,49,50.Μέχρι πρόσφατα, οι περισσότερες εργασίες για τη νανοοδοντία AFM επικεντρώνονταν στη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς βιολογικών κυττάρων, ιστών, πηκτωμάτων, υδρογέλης και βιομορίων χρησιμοποιώντας σχετικά μεγάλους σφαιρικούς ανιχνευτές, που συνήθως αναφέρονται ως κολλοειδή ανιχνευτές (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Αυτές οι μύτες έχουν ακτίνα από 1 έως 50 μm και κατασκευάζονται συνήθως από βοριοπυριτικό γυαλί, μεθακρυλικό πολυμεθύλιο (PMMA), πολυστυρένιο (PS), διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και διαμάντι- όπως ο άνθρακας (DLC).Παρόλο που η νανο-εσοχή CP-AFM είναι συχνά η πρώτη επιλογή για χαρακτηρισμό μαλακών δειγμάτων, έχει τα δικά της προβλήματα και περιορισμούς.Η χρήση μεγάλων σφαιρικών άκρων μεγέθους μικρού αυξάνει τη συνολική επιφάνεια επαφής του άκρου με το δείγμα και οδηγεί σε σημαντική απώλεια χωρικής ανάλυσης.Για μαλακά, ανομοιογενή δείγματα, όπου οι μηχανικές ιδιότητες των τοπικών στοιχείων μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τον μέσο όρο σε μια ευρύτερη περιοχή, η εσοχή CP μπορεί να κρύψει οποιαδήποτε ανομοιογένεια στις ιδιότητες σε τοπική κλίμακα52.Οι κολλοειδείς ανιχνευτές κατασκευάζονται τυπικά με την προσάρτηση κολλοειδών σφαιρών μεγέθους μικρον σε πρόβολους χωρίς άκρες χρησιμοποιώντας εποξειδικές κόλλες.Η ίδια η διαδικασία κατασκευής είναι γεμάτη με πολλά προβλήματα και μπορεί να οδηγήσει σε ασυνέπειες στη διαδικασία βαθμονόμησης του ανιχνευτή.Επιπλέον, το μέγεθος και η μάζα των κολλοειδών σωματιδίων επηρεάζουν άμεσα τις κύριες παραμέτρους βαθμονόμησης του προβόλου, όπως η συχνότητα συντονισμού, η ακαμψία του ελατηρίου και η ευαισθησία εκτροπής56,57,58.Έτσι, οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται συνήθως για συμβατικούς ανιχνευτές AFM, όπως η βαθμονόμηση θερμοκρασίας, ενδέχεται να μην παρέχουν ακριβή βαθμονόμηση για το CP και ενδέχεται να απαιτούνται άλλες μέθοδοι για την εκτέλεση αυτών των διορθώσεων57, 59, 60, 61. Τα τυπικά πειράματα εσοχής CP χρησιμοποιούν πρόβολο μεγάλων αποκλίσεων μελετήστε τις ιδιότητες των μαλακών δειγμάτων, γεγονός που δημιουργεί ένα άλλο πρόβλημα κατά τη βαθμονόμηση της μη γραμμικής συμπεριφοράς του προβόλου σε σχετικά μεγάλες αποκλίσεις62,63,64.Οι σύγχρονες μέθοδοι εσοχής κολλοειδούς ανιχνευτή λαμβάνουν συνήθως υπόψη τη γεωμετρία του προβόλου που χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση του ανιχνευτή, αλλά αγνοούν την επίδραση των κολλοειδών σωματιδίων, γεγονός που δημιουργεί πρόσθετη αβεβαιότητα στην ακρίβεια της μεθόδου38,61.Ομοίως, οι συντελεστές ελαστικότητας που υπολογίζονται με την προσαρμογή του μοντέλου επαφής εξαρτώνται άμεσα από τη γεωμετρία του καθετήρα εσοχής και η αναντιστοιχία μεταξύ των χαρακτηριστικών της αιχμής και της επιφάνειας δείγματος μπορεί να οδηγήσει σε ανακρίβειες27, 65, 66, 67, 68. Κάποια πρόσφατη εργασία των Spencer et al.Επισημαίνονται οι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τον χαρακτηρισμό των μαλακών πολυμερών βουρτσών με τη χρήση της μεθόδου νανοοδοντώσεων CP-AFM.Ανέφεραν ότι η κατακράτηση ενός ιξώδους ρευστού σε πολυμερείς βούρτσες ως συνάρτηση της ταχύτητας οδηγεί σε αύξηση του φορτίου της κεφαλής και ως εκ τούτου σε διαφορετικές μετρήσεις των ιδιοτήτων που εξαρτώνται από την ταχύτητα30,69,70,71.
Σε αυτή τη μελέτη, έχουμε χαρακτηρίσει το μέτρο επιφανείας του εξαιρετικά μαλακού, εξαιρετικά ελαστικού υλικού lehfilcon A CL χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη μέθοδο νανοοδοντώσεων AFM.Δεδομένων των ιδιοτήτων και της νέας δομής αυτού του υλικού, το εύρος ευαισθησίας της παραδοσιακής μεθόδου εσοχής είναι σαφώς ανεπαρκές για τον χαρακτηρισμό του συντελεστή αυτού του εξαιρετικά μαλακού υλικού, επομένως είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια μέθοδος νανο-εσοχής AFM με υψηλότερη ευαισθησία και χαμηλότερη ευαισθησία.επίπεδο.Μετά την ανασκόπηση των ελλείψεων και των προβλημάτων των υφιστάμενων τεχνικών νανοδοντοποίησης κολλοειδούς ανιχνευτή AFM, δείχνουμε γιατί επιλέξαμε έναν μικρότερο, ειδικά σχεδιασμένο ανιχνευτή AFM για την εξάλειψη της ευαισθησίας, του θορύβου περιβάλλοντος, του σημείου επαφής, της μέτρησης του συντελεστή ταχύτητας μαλακών ετερογενών υλικών, όπως η κατακράτηση υγρών εξάρτηση.και ακριβής ποσοτικοποίηση.Επιπλέον, μπορέσαμε να μετρήσουμε με ακρίβεια το σχήμα και τις διαστάσεις του άκρου εσοχής, επιτρέποντάς μας να χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο προσαρμογής κωνικής σφαίρας για να προσδιορίσουμε το μέτρο ελαστικότητας χωρίς να εκτιμήσουμε την περιοχή επαφής του άκρου με το υλικό.Οι δύο σιωπηρές παραδοχές που ποσοτικοποιούνται σε αυτήν την εργασία είναι οι πλήρως ελαστικές ιδιότητες του υλικού και ο ανεξάρτητος από το βάθος της οδοντωτή συντελεστής εσοχής.Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, δοκιμάσαμε πρώτα εξαιρετικά μαλακά πρότυπα με γνωστό συντελεστή για να ποσοτικοποιήσουμε τη μέθοδο και στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε αυτήν τη μέθοδο για να χαρακτηρίσουμε τις επιφάνειες δύο διαφορετικών υλικών φακών επαφής.Αυτή η μέθοδος χαρακτηρισμού επιφανειών νανοοδοντώσεων AFM με αυξημένη ευαισθησία αναμένεται να είναι εφαρμόσιμη σε ένα ευρύ φάσμα βιομιμητικών ετερογενών υπερμαλακών υλικών με πιθανή χρήση σε ιατρικές συσκευές και βιοϊατρικές εφαρμογές.
Οι φακοί επαφής Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, Η.Π.Α.) και τα υποστρώματα υδρογέλης σιλικόνης τους επιλέχθηκαν για πειράματα νανοοδοντώσεων.Στο πείραμα χρησιμοποιήθηκε μια ειδικά σχεδιασμένη βάση φακού.Για να εγκαταστήσετε τον φακό για δοκιμή, τοποθετήθηκε προσεκτικά στη βάση σε σχήμα θόλου, φροντίζοντας να μην εισχωρήσουν φυσαλίδες αέρα μέσα και στη συνέχεια στερεώθηκε με τις άκρες.Μια τρύπα στο εξάρτημα στο πάνω μέρος της θήκης φακού παρέχει πρόσβαση στο οπτικό κέντρο του φακού για πειράματα νανο-εσοχής ενώ διατηρείται το υγρό στη θέση του.Αυτό διατηρεί τους φακούς πλήρως ενυδατωμένους.Ως δοκιμαστικό διάλυμα χρησιμοποιήθηκαν 500 μl διαλύματος συσκευασίας φακών επαφής.Για την επαλήθευση των ποσοτικών αποτελεσμάτων, υδρογέλες μη ενεργοποιημένου πολυακρυλαμιδίου (PAAM) που διατίθενται στο εμπόριο παρασκευάστηκαν από μια σύνθεση πολυακρυλαμιδίου-συν-μεθυλενίου-δισακρυλαμιδίου (100 mm δίσκους Petrisoft Petri, Matrigen, Irvine, CA, USA), ένα γνωστό μέτρο ελαστικότητας 1 kPa.Χρησιμοποιήστε 4-5 σταγόνες (περίπου 125 μl) φυσιολογικού ορού ρυθμισμένου με φωσφορικά (PBS από την Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, ΗΠΑ) και 1 σταγόνα διαλύματος φακών επαφής Puremoist FREE OPTI (Alcon, Vaud, TX, ΗΠΑ).) στη διεπαφή υδρογέλης AFM-ανιχνευτή.
Δείγματα υποστρωμάτων Lehfilcon A CL και SiHy οπτικοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ηλεκτρονικών μικροσκοπίων σάρωσης πεδίου εκπομπών FEI Quanta 250 (FEG SEM) εξοπλισμένο με ανιχνευτή Ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης σάρωσης (STEM).Για την προετοιμασία των δειγμάτων, οι φακοί πλύθηκαν πρώτα με νερό και κόπηκαν σε σφήνες σε σχήμα πίτας.Για να επιτευχθεί διαφορική αντίθεση μεταξύ των υδρόφιλων και υδρόφοβων συστατικών των δειγμάτων, χρησιμοποιήθηκε ως βαφή ένα σταθεροποιημένο διάλυμα RuO4 0,10%, στο οποίο τα δείγματα βυθίστηκαν για 30 λεπτά.Η χρώση lehfilcon A CL RuO4 είναι σημαντική όχι μόνο για την επίτευξη βελτιωμένης διαφορικής αντίθεσης, αλλά βοηθά επίσης στη διατήρηση της δομής των βουρτσών διακλαδισμένου πολυμερούς στην αρχική τους μορφή, οι οποίες στη συνέχεια είναι ορατές στις εικόνες STEM.Στη συνέχεια πλύθηκαν και αφυδατώθηκαν σε μια σειρά μιγμάτων αιθανόλης/νερού με αυξανόμενη συγκέντρωση αιθανόλης.Τα δείγματα στη συνέχεια χυτεύθηκαν με EMBed 812/Araldite εποξειδικό, το οποίο σκληρύνθηκε όλη τη νύχτα στους 70°C.Τα μπλοκ δειγμάτων που ελήφθησαν με πολυμερισμό ρητίνης κόπηκαν με υπερμικρότομο και οι λεπτές τομές που προέκυψαν εμφανίστηκαν με ανιχνευτή STEM σε λειτουργία χαμηλού κενού σε επιταχυνόμενη τάση 30 kV.Το ίδιο σύστημα SEM χρησιμοποιήθηκε για λεπτομερή χαρακτηρισμό του ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Οι εικόνες SEM του καθετήρα AFM ελήφθησαν σε τυπική λειτουργία υψηλού κενού με τάση επιτάχυνσης 30 kV.Αποκτήστε εικόνες σε διαφορετικές γωνίες και μεγεθύνσεις για να καταγράψετε όλες τις λεπτομέρειες του σχήματος και του μεγέθους του άκρου του αισθητήρα AFM.Όλες οι διαστάσεις της άκρης που ενδιαφέρουν τις εικόνες μετρήθηκαν ψηφιακά.
Ένα μικροσκόπιο ατομικής δύναμης Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) με λειτουργία "PeakForce QNM in Fluid" χρησιμοποιήθηκε για την οπτικοποίηση και τη νανοσημείωση δειγμάτων υδρογέλης lehfilcon A CL, υποστρώματος SiHy και PAAm.Για πειράματα απεικόνισης, χρησιμοποιήθηκε ένας ανιχνευτής PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) με ονομαστική ακτίνα κορυφής 1 nm για τη λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης του δείγματος με ρυθμό σάρωσης 0,50 Hz.Όλες οι εικόνες ελήφθησαν σε υδατικό διάλυμα.
Πειράματα νανοοδοντώσεων AFM πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Ο ανιχνευτής AFM έχει μια άκρη πυριτίου σε έναν πρόβολο νιτριδίου πάχους 345 nm, μήκους 54 μm και πλάτους 4,5 μm με συχνότητα συντονισμού 45 kHz.Είναι ειδικά σχεδιασμένο για να χαρακτηρίζει και να εκτελεί ποσοτικές νανομηχανικές μετρήσεις σε μαλακά βιολογικά δείγματα.Οι αισθητήρες βαθμονομούνται ξεχωριστά στο εργοστάσιο με προ-βαθμονομημένες ρυθμίσεις ελατηρίου.Οι σταθερές ελατηρίου των ανιχνευτών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη ήταν στην περιοχή από 0,05–0,1 N/m.Για τον ακριβή προσδιορισμό του σχήματος και του μεγέθους του άκρου, ο καθετήρας χαρακτηρίστηκε λεπτομερώς χρησιμοποιώντας SEM.Στο σχ.Το Σχήμα 1α δείχνει μια ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης υψηλής ανάλυσης, χαμηλής μεγέθυνσης του ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL, παρέχοντας μια ολιστική άποψη του σχεδιασμού του ανιχνευτή.Στο σχ.Το Σχήμα 1b δείχνει μια μεγεθυμένη όψη της κορυφής του άκρου του ανιχνευτή, παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με το σχήμα και το μέγεθος του άκρου.Στο ακραίο άκρο, η βελόνα είναι ένα ημισφαίριο διαμέτρου περίπου 140 nm (Εικ. 1γ).Κάτω από αυτό, το άκρο λεπταίνει σε κωνικό σχήμα, φτάνοντας ένα μετρημένο μήκος περίπου 500 nm.Έξω από την κωνική περιοχή, το άκρο είναι κυλινδρικό και καταλήγει σε συνολικό μήκος άκρου 1,18 μm.Αυτό είναι το κύριο λειτουργικό μέρος του άκρου του ανιχνευτή.Επιπλέον, ένας μεγάλος σφαιρικός ανιχνευτής πολυστυρενίου (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) με διάμετρο κορυφής 45 μm και σταθερά ελατηρίου 2 N/m χρησιμοποιήθηκε επίσης για δοκιμή ως κολλοειδής ανιχνευτής.με ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL 140 nm για σύγκριση.
Έχει αναφερθεί ότι μπορεί να παγιδευτεί υγρό μεταξύ του ανιχνευτή AFM και της δομής της πολυμερικής βούρτσας κατά τη διάρκεια της νανο-εσοχής, η οποία θα ασκήσει μια ανοδική δύναμη στον ανιχνευτή AFM πριν αγγίξει πραγματικά την επιφάνεια69.Αυτό το φαινόμενο ιξώδους εξώθησης λόγω κατακράτησης υγρού μπορεί να αλλάξει το εμφανές σημείο επαφής, επηρεάζοντας έτσι τις μετρήσεις του συντελεστή επιφανείας.Για να μελετηθεί η επίδραση της γεωμετρίας του ανιχνευτή και της ταχύτητας εσοχής στην κατακράτηση υγρού, σχεδιάστηκαν καμπύλες δύναμης εσοχής για δείγματα lehfilcon A CL χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή διαμέτρου 140 nm σε σταθερούς ρυθμούς μετατόπισης 1 μm/s και 2 μm/s.διάμετρος ανιχνευτή 45 μm, ρύθμιση σταθερής δύναμης 6 nN που επιτυγχάνεται στο 1 μm/s.Πειράματα με έναν ανιχνευτή διαμέτρου 140 nm διεξήχθησαν με ταχύτητα εσοχής 1 μm/s και καθορισμένη δύναμη 300 pN, που επιλέχθηκε για τη δημιουργία πίεσης επαφής εντός του φυσιολογικού εύρους (1–8 kPa) του άνω βλεφάρου.πίεση 72. Μαλακά έτοιμα δείγματα υδρογέλης PAA με πίεση 1 kPa δοκιμάστηκαν για δύναμη εσοχής 50 pN με ταχύτητα 1 μm/s χρησιμοποιώντας ανιχνευτή με διάμετρο 140 nm.
Δεδομένου ότι το μήκος του κωνικού τμήματος του άκρου του καθετήρα PFQNM-LC-A-CAL είναι περίπου 500 nm, για οποιοδήποτε βάθος εσοχής < 500 nm μπορεί να θεωρηθεί με ασφάλεια ότι η γεωμετρία του καθετήρα κατά τη διάρκεια της εσοχής θα παραμείνει πιστή στην σχήμα κώνου.Επιπλέον, θεωρείται ότι η επιφάνεια του υπό δοκιμή υλικού θα παρουσιάσει αναστρέψιμη ελαστική απόκριση, η οποία θα επιβεβαιωθεί επίσης στις επόμενες ενότητες.Επομένως, ανάλογα με το σχήμα και το μέγεθος του άκρου, επιλέξαμε το μοντέλο προσαρμογής κωνικής σφαίρας που αναπτύχθηκε από τους Briscoe, Sebastian και Adams, το οποίο είναι διαθέσιμο στο λογισμικό του πωλητή, για να επεξεργαστούμε τα πειράματά μας νανο-εσοχής AFM (NanoScope).Λογισμικό ανάλυσης δεδομένων διαχωρισμού, Bruker) 73. Το μοντέλο περιγράφει τη σχέση δύναμης-μετατόπισης F(δ) για κώνο με ελάττωμα σφαιρικής κορυφής.Στο σχ.Το σχήμα 2 δείχνει τη γεωμετρία επαφής κατά την αλληλεπίδραση ενός άκαμπτου κώνου με ένα σφαιρικό άκρο, όπου R είναι η ακτίνα του σφαιρικού άκρου, a είναι η ακτίνα επαφής, b είναι η ακτίνα επαφής στο τέλος του σφαιρικού άκρου, δ είναι η ακτίνα επαφής.βάθος εσοχής, θ είναι η μισή γωνία του κώνου.Η εικόνα SEM αυτού του ανιχνευτή δείχνει ξεκάθαρα ότι η σφαιρική άκρη διαμέτρου 140 nm συγχωνεύεται εφαπτομενικά σε έναν κώνο, επομένως εδώ το b ορίζεται μόνο μέσω του R, δηλαδή b = R cos θ.Το λογισμικό που παρέχεται από τον προμηθευτή παρέχει μια σχέση κώνου-σφαίρας για τον υπολογισμό των τιμών του συντελεστή (E) του Young από δεδομένα διαχωρισμού δυνάμεων υποθέτοντας a > b.Σχέση:
όπου F είναι η δύναμη εσοχής, E είναι ο συντελεστής του Young, ν είναι ο λόγος Poisson.Η ακτίνα επαφής a μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας:
Σχέδιο της γεωμετρίας επαφής ενός άκαμπτου κώνου με μια σφαιρική άκρη πιεσμένη στο υλικό ενός φακού επαφής Lefilcon με ένα επιφανειακό στρώμα από διακλαδισμένες πολυμερείς βούρτσες.
Αν a ≤ b, η σχέση μειώνεται στην εξίσωση για ένα συμβατικό σφαιρικό εσοχή.
Πιστεύουμε ότι η αλληλεπίδραση του ανιχνευτή με εσοχή με τη διακλαδισμένη δομή της βούρτσας πολυμερούς PMPC θα έχει ως αποτέλεσμα η ακτίνα επαφής a να είναι μεγαλύτερη από τη σφαιρική ακτίνα επαφής b.Επομένως, για όλες τις ποσοτικές μετρήσεις του συντελεστή ελαστικότητας που πραγματοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε την εξάρτηση που προέκυψε για την περίπτωση a > b.
Τα εξαιρετικά μαλακά βιομιμητικά υλικά που μελετήθηκαν σε αυτή τη μελέτη απεικονίστηκαν αναλυτικά χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης σάρωσης (STEM) της διατομής του δείγματος και μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) της επιφάνειας.Αυτός ο λεπτομερής χαρακτηρισμός επιφάνειας πραγματοποιήθηκε ως επέκταση της προηγουμένως δημοσιευμένης εργασίας μας, στην οποία προσδιορίσαμε ότι η δυναμικά διακλαδισμένη πολυμερής δομή βούρτσας της τροποποιημένης με PMPC επιφάνειας lehfilcon A CL παρουσίαζε παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες με τον εγγενή κερατοειδικό ιστό 14 .Για το λόγο αυτό, αναφερόμαστε στις επιφάνειες των φακών επαφής ως βιομιμητικά υλικά14.Στο σχ.Τα σχήματα 3a,b δείχνουν διατομές διακλαδισμένων δομών βούρτσας πολυμερούς PMPC στην επιφάνεια ενός υποστρώματος lehfilcon A CL και ενός μη επεξεργασμένου υποστρώματος SiHy, αντίστοιχα.Οι επιφάνειες και των δύο δειγμάτων αναλύθηκαν περαιτέρω χρησιμοποιώντας εικόνες AFM υψηλής ανάλυσης, οι οποίες επιβεβαίωσαν περαιτέρω τα αποτελέσματα της ανάλυσης STEM (Εικ. 3c, d).Συνολικά, αυτές οι εικόνες δίνουν ένα κατά προσέγγιση μήκος της δομής βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς PMPC στα 300–400 nm, το οποίο είναι κρίσιμο για την ερμηνεία των μετρήσεων νανο-εσοχής AFM.Μια άλλη βασική παρατήρηση που προκύπτει από τις εικόνες είναι ότι η συνολική επιφανειακή δομή του βιομιμητικού υλικού CL είναι μορφολογικά διαφορετική από αυτή του υλικού υποστρώματος SiHy.Αυτή η διαφορά στη μορφολογία της επιφάνειάς τους μπορεί να γίνει εμφανής κατά τη μηχανική αλληλεπίδρασή τους με τον ανιχνευτή AFM με εσοχή και στη συνέχεια στις μετρούμενες τιμές συντελεστή.
Εικόνες STEM διατομής (α) lehfilcon A CL και (β) υποστρώματος SiHy.Μπάρα κλίμακας, 500 nm.Εικόνες AFM της επιφάνειας του υποστρώματος lehfilcon A CL (c) και του βασικού υποστρώματος SiHy (d) (3 μm × 3 μm).
Τα βιοεμπνευσμένα πολυμερή και οι δομές βούρτσας πολυμερών είναι εγγενώς μαλακές και έχουν μελετηθεί και χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρμογές74,75,76,77.Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να χρησιμοποιηθεί η μέθοδος AFM nanoinentation, η οποία μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια και αξιοπιστία τις μηχανικές τους ιδιότητες.Αλλά ταυτόχρονα, οι μοναδικές ιδιότητες αυτών των εξαιρετικά μαλακών υλικών, όπως το εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας, η υψηλή περιεκτικότητα σε υγρά και η υψηλή ελαστικότητα, συχνά καθιστούν δύσκολη την επιλογή του σωστού υλικού, σχήματος και σχήματος του ανιχνευτή εσοχής.Μέγεθος.Αυτό είναι σημαντικό ώστε η εσοχή να μην τρυπήσει τη μαλακή επιφάνεια του δείγματος, γεγονός που θα οδηγούσε σε σφάλματα στον προσδιορισμό του σημείου επαφής με την επιφάνεια και την περιοχή επαφής.
Για αυτό, είναι απαραίτητη μια ολοκληρωμένη κατανόηση της μορφολογίας των εξαιρετικά μαλακών βιομιμητικών υλικών (lehfilcon A CL).Οι πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος και τη δομή των βουρτσών διακλαδισμένου πολυμερούς που λαμβάνονται με τη μέθοδο απεικόνισης παρέχουν τη βάση για τον μηχανικό χαρακτηρισμό της επιφάνειας με τη χρήση τεχνικών νανοοδοντώσεων AFM.Αντί για σφαιρικούς κολλοειδείς ανιχνευτές μεγέθους μικρού, επιλέξαμε τον ανιχνευτή νιτριδίου πυριτίου PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) με διάμετρο άκρου 140 nm, ειδικά σχεδιασμένο για ποσοτική χαρτογράφηση των μηχανικών ιδιοτήτων βιολογικών δειγμάτων 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Η λογική για τη χρήση σχετικά αιχμηρών ανιχνευτών σε σύγκριση με τους συμβατικούς κολλοειδείς ανιχνευτές μπορεί να εξηγηθεί από τα δομικά χαρακτηριστικά του υλικού.Συγκρίνοντας το μέγεθος του άκρου του ανιχνευτή (~140 nm) με τις βούρτσες διακλαδισμένου πολυμερούς στην επιφάνεια του CL lehfilcon A, που φαίνεται στο Σχ. 3a, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι το άκρο είναι αρκετά μεγάλο ώστε να έρθει σε άμεση επαφή με αυτές τις δομές βούρτσας, οι οποίες μειώνει την πιθανότητα να τρυπήσει το άκρο μέσα από αυτά.Για να επεξηγηθεί αυτό το σημείο, στο Σχ. 4 είναι μια εικόνα STEM του lehfilcon A CL και της εσοχής άκρης του καθετήρα AFM (σχεδιασμένο σε κλίμακα).
Σχηματική εμφάνιση εικόνας STEM του lehfilcon A CL και ενός ανιχνευτή εσοχής ACM (σχεδιασμένο σε κλίμακα).
Επιπλέον, το μέγεθος του άκρου των 140 nm είναι αρκετά μικρό ώστε να αποφευχθεί ο κίνδυνος οποιουδήποτε από τα κολλώδη αποτελέσματα εξώθησης που αναφέρθηκαν προηγουμένως για πολυμερείς βούρτσες που παράγονται με τη μέθοδο νανοοδοντώσεων CP-AFM69,71.Υποθέτουμε ότι λόγω του ειδικού κωνικού σφαιρικού σχήματος και του σχετικά μικρού μεγέθους αυτού του άκρου AFM (Εικ. 1), η φύση της καμπύλης δύναμης που δημιουργείται από τη νανοεσοχή lehfilcon A CL δεν θα εξαρτάται από την ταχύτητα εσοχής ή την ταχύτητα φόρτωσης/εκφόρτωσης .Επομένως, δεν επηρεάζεται από ποροελαστικές επιδράσεις.Για να ελεγχθεί αυτή η υπόθεση, τα δείγματα lehfilcon A CL τοποθετήθηκαν σε εσοχή με σταθερή μέγιστη δύναμη χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL, αλλά με δύο διαφορετικές ταχύτητες, και οι καμπύλες δύναμης εφελκυσμού και οπισθέλκουσας που προέκυψαν χρησιμοποιήθηκαν για τη γραφική παράσταση της δύναμης (nN) σε διαχωρισμό (μm) φαίνεται στο Σχήμα 5α.Είναι σαφές ότι οι καμπύλες δύναμης κατά τη φόρτωση και την εκφόρτωση επικαλύπτονται πλήρως και δεν υπάρχει σαφής ένδειξη ότι η διάτμηση δύναμης σε μηδενικό βάθος εσοχής αυξάνεται με την ταχύτητα εσοχής στο σχήμα, υποδηλώνοντας ότι τα μεμονωμένα στοιχεία βούρτσας χαρακτηρίστηκαν χωρίς ποροελαστικό αποτέλεσμα.Αντίθετα, τα φαινόμενα κατακράτησης υγρών (ιξώδη εξώθηση και φαινόμενα ποροελαστικότητας) είναι εμφανή για τον ανιχνευτή AFM διαμέτρου 45 μm με την ίδια ταχύτητα εσοχής και τονίζονται από την υστέρηση μεταξύ της καμπύλης τάνυσης και ανάσυρσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5β.Αυτά τα αποτελέσματα υποστηρίζουν την υπόθεση και προτείνουν ότι οι ανιχνευτές διαμέτρου 140 nm είναι μια καλή επιλογή για τον χαρακτηρισμό τέτοιων μαλακών επιφανειών.
lehfilcon Καμπύλες δύναμης εσοχής CL με χρήση ACM.α) χρήση καθετήρα με διάμετρο 140 nm σε δύο ρυθμούς φόρτωσης, που αποδεικνύει την απουσία ποροελαστικής επίδρασης κατά την εσοχή της επιφάνειας·(β) χρησιμοποιώντας ανιχνευτές με διάμετρο 45 μm και 140 nm.Τα s δείχνουν τα αποτελέσματα της ιξώδους εξώθησης και της ποροελαστικότητας για μεγάλους ανιχνευτές σε σύγκριση με μικρότερους ανιχνευτές.
Για τον χαρακτηρισμό των υπερμαλακών επιφανειών, οι μέθοδοι νανο-εσοχής AFM πρέπει να διαθέτουν τον καλύτερο ανιχνευτή για τη μελέτη των ιδιοτήτων του υπό μελέτη υλικού.Εκτός από το σχήμα και το μέγεθος του άκρου, η ευαισθησία του συστήματος ανιχνευτή AFM, η ευαισθησία στην απόκλιση του άκρου στο περιβάλλον δοκιμής και η ακαμψία του προβόλου διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της ακρίβειας και της αξιοπιστίας της νανοεσοχής.Μετρήσεις.Για το σύστημά μας AFM, το όριο ανίχνευσης Position Sensitive Detector (PSD) είναι περίπου 0,5 mV και βασίζεται στον προ-βαθμονομημένο ρυθμό ελατηρίου και την υπολογισμένη ευαισθησία εκτροπής υγρού του αισθητήρα PFQNM-LC-A-CAL, που αντιστοιχεί στην θεωρητική ευαισθησία φορτίου.είναι μικρότερο από 0,1 pN.Επομένως, αυτή η μέθοδος επιτρέπει τη μέτρηση μιας ελάχιστης δύναμης εσοχής ≤ 0,1 pN χωρίς κανένα στοιχείο περιφερειακού θορύβου.Ωστόσο, είναι σχεδόν αδύνατο για ένα σύστημα AFM να ​​μειώσει τον περιφερειακό θόρυβο σε αυτό το επίπεδο λόγω παραγόντων όπως οι μηχανικοί κραδασμοί και η δυναμική των υγρών.Αυτοί οι παράγοντες περιορίζουν τη συνολική ευαισθησία της μεθόδου νανοδοντοποίησης AFM και έχουν επίσης ως αποτέλεσμα ένα σήμα θορύβου περιβάλλοντος περίπου ≤ 10 pN.Για τον χαρακτηρισμό της επιφάνειας, τα δείγματα υποστρώματος lehfilcon A CL και SiHy τοποθετήθηκαν κάτω από πλήρως ενυδατωμένες συνθήκες χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή 140 nm για τον χαρακτηρισμό SEM και οι καμπύλες δύναμης που προέκυψαν υπερτέθηκαν μεταξύ της δύναμης (pN) και της πίεσης.Το διάγραμμα διαχωρισμού (μm) φαίνεται στο Σχήμα 6α.Σε σύγκριση με το υπόστρωμα βάσης SiHy, η καμπύλη δύναμης lehfilcon A CL δείχνει ξεκάθαρα μια μεταβατική φάση που ξεκινά από το σημείο επαφής με τη διχαλωτή πολυμερή βούρτσα και τελειώνει με μια απότομη αλλαγή στην επαφή σήμανσης της κλίσης του άκρου με το υποκείμενο υλικό.Αυτό το μεταβατικό τμήμα της καμπύλης δύναμης υπογραμμίζει την πραγματικά ελαστική συμπεριφορά της διακλαδισμένης πολυμερούς βούρτσας στην επιφάνεια, όπως αποδεικνύεται από την καμπύλη συμπίεσης που ακολουθεί στενά την καμπύλη τάσης και την αντίθεση στις μηχανικές ιδιότητες μεταξύ της δομής της βούρτσας και του ογκώδους υλικού SiHy.Κατά τη σύγκριση του lefilcon.Διαχωρισμός του μέσου μήκους μιας διακλαδισμένης βούρτσας πολυμερούς στην εικόνα STEM του PCS (Εικ. 3a) και της καμπύλης της δύναμης κατά μήκος της τετμημένης στο Σχ. 3α.Το σχήμα 6a δείχνει ότι η μέθοδος είναι ικανή να ανιχνεύσει το άκρο και το διακλαδισμένο πολυμερές που φθάνει στην κορυφή της επιφάνειας.Επαφή μεταξύ δομών βούρτσας.Επιπλέον, η στενή επικάλυψη των καμπυλών δύναμης υποδηλώνει ότι δεν υπάρχει αποτέλεσμα κατακράτησης υγρών.Σε αυτή την περίπτωση, δεν υπάρχει καμία απολύτως πρόσφυση μεταξύ της βελόνας και της επιφάνειας του δείγματος.Τα ανώτατα τμήματα των καμπυλών δύναμης για τα δύο δείγματα επικαλύπτονται, αντανακλώντας την ομοιότητα των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών του υποστρώματος.
(α) Καμπύλες δυνάμεων νανοεσοχής AFM για υποστρώματα lehfilcon A CL και υποστρώματα SiHy, (β) καμπύλες δύναμης που δείχνουν εκτίμηση σημείου επαφής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο κατωφλίου θορύβου περιβάλλοντος.
Προκειμένου να μελετηθούν οι λεπτότερες λεπτομέρειες της καμπύλης δύναμης, η καμπύλη τάσης του δείγματος lehfilcon A CL σχεδιάζεται εκ νέου στο Σχήμα 6b με μέγιστη δύναμη 50 pN κατά μήκος του άξονα y.Αυτό το γράφημα παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τον αρχικό θόρυβο φόντου.Ο θόρυβος είναι στην περιοχή ±10 pN, ο οποίος χρησιμοποιείται για τον ακριβή προσδιορισμό του σημείου επαφής και τον υπολογισμό του βάθους εσοχής.Όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία, ο προσδιορισμός των σημείων επαφής είναι κρίσιμος για την ακριβή αξιολόγηση των ιδιοτήτων του υλικού, όπως το μέτρο85.Μια προσέγγιση που περιλαμβάνει αυτόματη επεξεργασία δεδομένων καμπύλης δύναμης έχει δείξει βελτιωμένη προσαρμογή μεταξύ της προσαρμογής δεδομένων και των ποσοτικών μετρήσεων για μαλακά υλικά86.Σε αυτή την εργασία, η επιλογή των σημείων επαφής μας είναι σχετικά απλή και αντικειμενική, αλλά έχει τους περιορισμούς της.Η συντηρητική μας προσέγγιση για τον προσδιορισμό του σημείου επαφής μπορεί να οδηγήσει σε ελαφρώς υπερεκτιμημένες τιμές συντελεστή για μικρότερα βάθη εσοχών (< 100 nm).Η χρήση της ανίχνευσης σημείων επαφής με βάση αλγόριθμους και της αυτοματοποιημένης επεξεργασίας δεδομένων θα μπορούσε να είναι μια συνέχεια αυτής της εργασίας στο μέλλον για περαιτέρω βελτίωση της μεθόδου μας.Έτσι, για εγγενή θόρυβο περιβάλλοντος της τάξης των ±10 pN, ορίζουμε το σημείο επαφής ως το πρώτο σημείο δεδομένων στον άξονα x στο Σχήμα 6b με τιμή ≥10 pN.Στη συνέχεια, σύμφωνα με το όριο θορύβου των 10 pN, μια κατακόρυφη γραμμή στο επίπεδο των ~0,27 μm σηματοδοτεί το σημείο επαφής με την επιφάνεια, μετά την οποία η καμπύλη τάνυσης συνεχίζεται έως ότου το υπόστρωμα φτάσει στο βάθος εσοχής των ~270 nm.Είναι ενδιαφέρον ότι με βάση το μέγεθος των χαρακτηριστικών βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς (300–400 nm) που μετρήθηκε με τη μέθοδο απεικόνισης, το βάθος εσοχής του CL lehfilcon Ένα δείγμα που παρατηρήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο κατωφλίου θορύβου φόντου είναι περίπου 270 nm, που είναι πολύ κοντά στο το μέγεθος μέτρησης με STEM.Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν περαιτέρω τη συμβατότητα και τη δυνατότητα εφαρμογής του σχήματος και του μεγέθους του άκρου του ανιχνευτή AFM για την εσοχή αυτής της πολύ μαλακής και εξαιρετικά ελαστικής δομής βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς.Αυτά τα δεδομένα παρέχουν επίσης ισχυρές αποδείξεις για την υποστήριξη της μεθόδου μας για τη χρήση του θορύβου περιβάλλοντος ως κατωφλίου για τον εντοπισμό των σημείων επαφής.Έτσι, τυχόν ποσοτικά αποτελέσματα που λαμβάνονται από τη μαθηματική μοντελοποίηση και την προσαρμογή καμπύλης δύναμης θα πρέπει να είναι σχετικά ακριβή.
Οι ποσοτικές μετρήσεις με μεθόδους νανοδοντοποίησης AFM εξαρτώνται πλήρως από τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την επιλογή δεδομένων και την επακόλουθη ανάλυση.Επομένως, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που σχετίζονται με την επιλογή της εσοχής, τις ιδιότητες του υλικού και τη μηχανική της αλληλεπίδρασής τους πριν επιλέξετε ένα συγκεκριμένο μοντέλο.Σε αυτή την περίπτωση, η γεωμετρία του άκρου χαρακτηρίστηκε προσεκτικά χρησιμοποιώντας μικρογραφίες SEM (Εικ. 1) και με βάση τα αποτελέσματα, ο ανιχνευτής AFM με διάμετρο 140 nm με σκληρό κώνο και γεωμετρία σφαιρικής άκρης είναι μια καλή επιλογή για τον χαρακτηρισμό δειγμάτων lehfilcon A CL79 .Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που πρέπει να αξιολογηθεί προσεκτικά είναι η ελαστικότητα του πολυμερούς υλικού που δοκιμάζεται.Μολονότι τα αρχικά δεδομένα της νανοχαράκτωσης (Εικ. 5α και 6α) περιγράφουν ξεκάθαρα τα χαρακτηριστικά της επικάλυψης των καμπυλών τάσης και συμπίεσης, δηλαδή την πλήρη ελαστική ανάκτηση του υλικού, είναι εξαιρετικά σημαντικό να επιβεβαιωθεί η καθαρά ελαστική φύση των επαφών. .Για το σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν δύο διαδοχικές εσοχές στην ίδια θέση στην επιφάνεια του δείγματος lehfilcon A CL με ρυθμό εσοχής 1 μm/s υπό συνθήκες πλήρους ενυδάτωσης.Τα δεδομένα της καμπύλης δύναμης που προκύπτουν φαίνονται στο σχ.7 και, όπως αναμενόταν, οι καμπύλες διαστολής και συμπίεσης των δύο εκτυπώσεων είναι σχεδόν πανομοιότυπες, υπογραμμίζοντας την υψηλή ελαστικότητα της δομής της βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς.
Δύο καμπύλες δύναμης εσοχής στην ίδια θέση στην επιφάνεια του lehfilcon A CL υποδεικνύουν την ιδανική ελαστικότητα της επιφάνειας του φακού.
Με βάση τις πληροφορίες που ελήφθησαν από εικόνες SEM και STEM του άκρου του ανιχνευτή και της επιφάνειας lehfilcon A CL, αντίστοιχα, το μοντέλο κωνικής σφαίρας είναι μια λογική μαθηματική αναπαράσταση της αλληλεπίδρασης μεταξύ του άκρου του ανιχνευτή AFM και του μαλακού πολυμερούς υλικού που δοκιμάζεται.Επιπλέον, για αυτό το μοντέλο κωνικής σφαίρας, οι θεμελιώδεις υποθέσεις σχετικά με τις ελαστικές ιδιότητες του αποτυπωμένου υλικού ισχύουν για αυτό το νέο βιομιμητικό υλικό και χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό προσδιορισμό του συντελεστή ελαστικότητας.
Μετά από μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση της μεθόδου νανοδοντοποίησης AFM και των στοιχείων της, συμπεριλαμβανομένων των ιδιοτήτων του ανιχνευτή εσοχής (σχήμα, μέγεθος και ακαμψία ελατηρίου), ευαισθησία (θόρυβος παρασκηνίου και εκτίμηση σημείου επαφής) και μοντέλα προσαρμογής δεδομένων (μετρήσεις ποσοτικού συντελεστή), η μέθοδος ήταν μεταχειρισμένος.χαρακτηρίζουν τα εμπορικά διαθέσιμα δείγματα εξαιρετικά μαλακών για την επαλήθευση των ποσοτικών αποτελεσμάτων.Μια εμπορική υδρογέλη πολυακρυλαμιδίου (PAAM) με μέτρο ελαστικότητας 1 kPa δοκιμάστηκε υπό ένυδρες συνθήκες χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή 140 nm.Λεπτομέρειες για τη δοκιμή και τους υπολογισμούς της ενότητας παρέχονται στις Συμπληρωματικές Πληροφορίες.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο μέσος συντελεστής που μετρήθηκε ήταν 0,92 kPa, και η %RSD και η ποσοστιαία απόκλιση (%) από τον γνωστό συντελεστή ήταν μικρότερη από 10%.Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ακρίβεια και την αναπαραγωγιμότητα της μεθόδου AFM nanoinentation που χρησιμοποιείται σε αυτήν την εργασία για τη μέτρηση των συντελεστών μέτρησης των ultrasoft υλικών.Οι επιφάνειες των δειγμάτων lehfilcon A CL και του υποστρώματος βάσης SiHy χαρακτηρίστηκαν περαιτέρω χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο νανοοδοντοποίησης AFM για τη μελέτη του φαινομένου συντελεστή επαφής της επιφάνειας ultrasoft ως συνάρτηση του βάθους εσοχής.Δημιουργήθηκαν καμπύλες διαχωρισμού δύναμης εσοχής για τρία δείγματα κάθε τύπου (n = 3, μία εσοχή ανά δείγμα) με δύναμη 300 pN, ταχύτητα 1 μm/s και πλήρη ενυδάτωση.Η καμπύλη κατανομής δύναμης εσοχής προσεγγίστηκε χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο κωνικής σφαίρας.Για να ληφθεί συντελεστής εξαρτώμενος από το βάθος της εσοχής, ορίστηκε ένα τμήμα πλάτους 40 nm της καμπύλης δύναμης σε κάθε αύξηση των 20 nm ξεκινώντας από το σημείο επαφής και μετρήθηκαν οι τιμές του συντελεστή σε κάθε βήμα της καμπύλης δύναμης.Spin Cy et al.Μια παρόμοια προσέγγιση έχει χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό της βαθμίδας συντελεστή των πολυμερών βουρτσών πολυ(λαυρυλομεθακρυλικού) (P12MA) με χρήση κολλοειδούς νανο-εσοχής ανιχνευτή AFM και είναι συνεπείς με δεδομένα που χρησιμοποιούν το μοντέλο επαφής Hertz.Αυτή η προσέγγιση παρέχει μια γραφική παράσταση του φαινομένου συντελεστή επαφής (kPa) έναντι του βάθους εσοχής (nm), όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, το οποίο απεικονίζει το φαινομενικό μέτρο επαφής/κλίση βάθους.Ο υπολογισμένος συντελεστής ελαστικότητας του δείγματος CL lehfilcon A είναι στην περιοχή των 2–3 kPa εντός των άνω 100 nm του δείγματος, πέρα ​​από τα οποία αρχίζει να αυξάνεται με το βάθος.Από την άλλη πλευρά, κατά τη δοκιμή του υποστρώματος βάσης SiHy χωρίς φιλμ σαν βούρτσα στην επιφάνεια, το μέγιστο βάθος εσοχής που επιτυγχάνεται με δύναμη 300 pN είναι μικρότερο από 50 nm και η τιμή συντελεστή που προκύπτει από τα δεδομένα είναι περίπου 400 kPa , το οποίο είναι συγκρίσιμο με τις τιμές του συντελεστή του Young για χύμα υλικά.
Φαινόμενος συντελεστής επαφής (kPa) έναντι βάθους εσοχής (nm) για υποστρώματα lehfilcon A CL και SiHy με χρήση μεθόδου νανοοδοντώσεων AFM με γεωμετρία κωνικής σφαίρας για τη μέτρηση του συντελεστή.
Η ανώτερη επιφάνεια της νέας δομής βιομιμητικής διακλαδισμένης πολυμερούς βούρτσας παρουσιάζει εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας (2–3 kPa).Αυτό θα ταιριάζει με το ελεύθερο άκρο της διχαλωτής πολυμερούς βούρτσας όπως φαίνεται στην εικόνα STEM.Ενώ υπάρχουν κάποιες ενδείξεις κλίσης συντελεστή στο εξωτερικό άκρο του CL, το κύριο υπόστρωμα υψηλού συντελεστή έχει μεγαλύτερη επιρροή.Ωστόσο, τα πάνω 100 nm της επιφάνειας βρίσκονται εντός του 20% του συνολικού μήκους της βούρτσας διακλαδισμένου πολυμερούς, επομένως είναι λογικό να υποθέσουμε ότι οι μετρούμενες τιμές του συντελεστή σε αυτό το εύρος βάθους εσοχής είναι σχετικά ακριβείς και δεν είναι πολύ εξαρτώνται από την επίδραση του κάτω αντικειμένου.
Λόγω του μοναδικού βιομιμητικού σχεδιασμού των φακών επαφής lehfilcon A, που αποτελούνται από διακλαδισμένες δομές βούρτσας πολυμερούς PMPC εμβολιασμένες στην επιφάνεια των υποστρωμάτων SiHy, είναι πολύ δύσκολο να χαρακτηριστούν αξιόπιστα οι μηχανικές ιδιότητες των επιφανειακών τους δομών χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους μέτρησης.Εδώ παρουσιάζουμε μια προηγμένη μέθοδο AFM nanoinentation για τον ακριβή χαρακτηρισμό εξαιρετικά μαλακών υλικών όπως το lefilcon A με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και εξαιρετικά υψηλή ελαστικότητα.Αυτή η μέθοδος βασίζεται στη χρήση ενός καθετήρα AFM του οποίου το μέγεθος και η γεωμετρία του άκρου επιλέγονται προσεκτικά ώστε να ταιριάζουν με τις δομικές διαστάσεις των εξαιρετικά μαλακών επιφανειών που πρόκειται να αποτυπωθούν.Αυτός ο συνδυασμός διαστάσεων μεταξύ ανιχνευτή και δομής παρέχει αυξημένη ευαισθησία, επιτρέποντάς μας να μετρήσουμε το χαμηλό μέτρο και τις εγγενείς ελαστικές ιδιότητες των διακλαδισμένων πολυμερών στοιχείων βούρτσας, ανεξάρτητα από τα ποροελαστικά αποτελέσματα.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μοναδικές διακλαδισμένες πολυμερείς βούρτσες PMPC που είναι χαρακτηριστικές της επιφάνειας του φακού είχαν εξαιρετικά χαμηλό συντελεστή ελαστικότητας (έως 2 kPa) και πολύ υψηλή ελαστικότητα (σχεδόν 100%) όταν δοκιμάστηκαν σε υδατικό περιβάλλον.Τα αποτελέσματα της νανοχαράξεως AFM μας επέτρεψαν επίσης να χαρακτηρίσουμε το φαινομενικό μέτρο επαφής/κλίση βάθους (30 kPa/200 nm) της βιομιμητικής επιφάνειας του φακού.Αυτή η κλίση μπορεί να οφείλεται στη διαφορά συντελεστή μεταξύ των βουρτσών διακλαδισμένου πολυμερούς και του υποστρώματος SiHy, ή στη διακλαδισμένη δομή/πυκνότητα των πολυμερών βουρτσών ή σε συνδυασμό τους.Ωστόσο, απαιτούνται περαιτέρω σε βάθος μελέτες για την πλήρη κατανόηση της σχέσης μεταξύ δομής και ιδιοτήτων, ιδιαίτερα της επίδρασης της διακλάδωσης της βούρτσας στις μηχανικές ιδιότητες.Παρόμοιες μετρήσεις μπορούν να βοηθήσουν στον χαρακτηρισμό των μηχανικών ιδιοτήτων της επιφάνειας άλλων εξαιρετικά μαλακών υλικών και ιατρικών συσκευών.
Τα σύνολα δεδομένων που δημιουργήθηκαν και/ή αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια της τρέχουσας μελέτης είναι διαθέσιμα από τους αντίστοιχους συγγραφείς κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. and Haugen, HJ Βιολογικές αντιδράσεις στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των επιφανειών των βιοϋλικών.Χημική ουσία.κοινωνία.Εκδ.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM and Liu, X. Βελτίωση βιοϋλικών που προέρχονται από τον άνθρωπο για μηχανική ιστών.προγραμματισμός.πολυμερές.η επιστήμη.53, 86 (2016).
Sadtler, Κ. et αϊ.Σχεδιασμός, κλινική εφαρμογή και ανοσοαπόκριση βιοϋλικών στην αναγεννητική ιατρική.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK και Farr GM Μια βελτιωμένη μέθοδος για τον προσδιορισμό της σκληρότητας και του συντελεστή ελαστικότητας χρησιμοποιώντας πειράματα εσοχής με μετρήσεις φορτίου και μετατόπισης.J. Alma mater.δεξαμενή αποθήκευσης.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Ιστορική προέλευση της δοκιμής σκληρότητας εσοχών.alma mater.η επιστήμη.τεχνολογίες.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Indentation Hardness Measurements at the Macro-, Micro-, and Nanoscale: A Critical Review.φυλή.Κατασκευαστής.65, 1–18 (2017).
Τα σφάλματα ανίχνευσης επιφάνειας των Kaufman, JD και Clapperich, SM οδηγούν σε υπερεκτίμηση του συντελεστή στη νανο-εσοχή των μαλακών υλικών.J. Mecha.Η ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ.Βιοιατρική επιστήμη.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollahhi MR, Bushroa AR και Yahya M.Yu.Αξιολόγηση της μεθόδου νανοεισαγωγής για τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών ετερογενών νανοσύνθετων με χρήση πειραματικών και υπολογιστικών μεθόδων.η επιστήμη.House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, and Owart, TS Μηχανικός χαρακτηρισμός μαλακών ιξωδοελαστικών πηκτωμάτων με ανάλυση αντίστροφων πεπερασμένων στοιχείων με εσοχές και βελτιστοποίηση.J. Mecha.Η ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ.Βιοιατρική επιστήμη.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J και Chaneler D. Βελτιστοποίηση προσδιορισμού ιξωδοελαστικότητας χρησιμοποιώντας συμβατά συστήματα μέτρησης.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. and Pellillo, E. Nanoindentation of polymeric surfaces.J. Φυσική.Δ. Κάντε αίτηση για φυσική.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. and Van Vliet KJ Χαρακτηρισμός ιξωδοελαστικών μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερών υψηλής ελαστικότητας και βιολογικών ιστών με χρήση εσοχής κρούσης.Περιοδικό Βιοϋλικών.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Αξιολόγηση του συντελεστή ελαστικότητας και της εργασίας πρόσφυσης μαλακών υλικών με χρήση της εκτεταμένης μεθόδου Borodich-Galanov (BG) και βαθιάς εσοχής.γούνα.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, Χ. et αϊ.Μορφολογία νανοκλίμακας και μηχανικές ιδιότητες βιομιμητικών πολυμερικών επιφανειών φακών επαφής υδρογέλης σιλικόνης.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).