Täname, et külastasite veebilehte Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli.Korraga kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi vahel liikumiseks kasutage lõpus olevaid liuguri nuppe.
Uute ülipehmete materjalide väljatöötamisega meditsiiniseadmete ja biomeditsiiniliste rakenduste jaoks on nende füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste põhjalik iseloomustamine nii oluline kui ka väljakutseid pakkuv.Uue lehfilcon A biomimeetilise silikoonhüdrogeeli kontaktläätse, mis on kaetud hargnenud polümeerharja struktuuride kihiga, iseloomustamiseks kasutati modifitseeritud aatomjõumikroskoopia (AFM) nanoindentatsiooni tehnikat.See meetod võimaldab täpselt määrata kokkupuutepunkte ilma viskoosse ekstrusiooni mõjuta hargnenud polümeeridele lähenemisel.Lisaks võimaldab see määrata üksikute harjaelementide mehaanilisi omadusi ilma poroelastsuseta.See saavutatakse, valides AFM-sondi, mille konstruktsioon (otsaku suurus, geomeetria ja vedrukiirus) on eriti sobiv pehmete materjalide ja bioloogiliste proovide omaduste mõõtmiseks.See meetod parandab tundlikkust ja täpsust väga pehme materjali lehfilcon A täpseks mõõtmiseks, mille pindala on äärmiselt madal elastsusmoodul (kuni 2 kPa) ja äärmiselt kõrge elastsus sisemises (peaaegu 100%) vesikeskkonnas. .Pinnauuringu tulemused mitte ainult ei paljastanud lehfilcon A läätse ülipehme pinna omadusi, vaid näitasid ka seda, et hargnenud polümeerharjade moodul oli võrreldav räni-vesiniku substraadi omaga.Seda pinna iseloomustamise tehnikat saab rakendada muude ülipehmete materjalide ja meditsiiniseadmete puhul.
Eluskoega otseseks kokkupuuteks mõeldud materjalide mehaanilised omadused on sageli määratud bioloogilise keskkonnaga.Nende materjali omaduste täiuslik sobivus aitab saavutada materjali soovitud kliinilised omadused, põhjustamata ebasoodsaid rakulisi reaktsioone1,2,3.Homogeensete puistematerjalide puhul on mehaaniliste omaduste iseloomustamine suhteliselt lihtne tänu standardsete protseduuride ja katsemeetodite olemasolule (nt mikrosisenemine4,5,6).Kuid ülipehmete materjalide (nt geelid, hüdrogeelid, biopolümeerid, elusrakud jne) puhul ei ole need katsemeetodid mõõtmiseraldusvõime piirangute ja mõnede materjalide ebahomogeensuse tõttu üldiselt rakendatavad7.Aastate jooksul on traditsioonilisi süvendusmeetodeid muudetud ja kohandatud, et iseloomustada paljusid pehmeid materjale, kuid paljudel meetoditel on endiselt tõsiseid puudusi, mis piiravad nende kasutamist8,9,10,11,12,13.Spetsiaalsete katsemeetodite puudumine, mis suudaks täpselt ja usaldusväärselt iseloomustada ülipehmete materjalide ja pinnakihtide mehaanilisi omadusi, piirab tõsiselt nende kasutamist erinevates rakendustes.
Oma eelmises töös tutvustasime lehfilcon A (CL) kontaktläätsi, pehmet heterogeenset materjali, millel on kõik ülipehmed pinnaomadused, mis tulenevad potentsiaalselt biomimeetilistest disainidest, mis on inspireeritud silma sarvkesta pinnast.See biomaterjal töötati välja hargnenud ristseotud polü(2-metakrüloüüloksüetüülfosforüülkoliini (MPC)) (PMPC) polümeerikihi pookimisel silikoonhüdrogeelile (SiHy) 15, mis on mõeldud meditsiiniseadmetele, mis põhinevad sellel.See pookimisprotsess loob pinnale kihi, mis koosneb väga pehmest ja väga elastsest hargnenud polümeersest harjastruktuurist.Meie eelmine töö on kinnitanud, et lehfilcon A CL biomimeetiline struktuur tagab suurepärased pinnaomadused, nagu parem märgamise ja saastumise vältimine, suurem määrimine ning vähenenud rakkude ja bakterite adhesioon 15, 16.Lisaks viitab selle biomimeetilise materjali kasutamine ja arendamine edasisele laienemisele teistele biomeditsiiniseadmetele.Seetõttu on ülimalt oluline iseloomustada selle ülipehme materjali pinnaomadusi ja mõista selle mehaanilist koostoimet silmaga, et luua põhjalik teadmistebaas tulevaste arenduste ja rakenduste toetamiseks.Enamik müügilolevaid SiHy kontaktläätsi koosnevad hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete polümeeride homogeensest segust, mis moodustavad ühtlase materjalistruktuuri17.Nende mehaaniliste omaduste uurimiseks on läbi viidud mitmeid uuringuid, kasutades traditsioonilisi surve-, tõmbe- ja mikrosisenemise katsemeetodeid18,19,20,21.Lehfilcon A CL uudne biomimeetiline disain muudab selle aga ainulaadseks heterogeenseks materjaliks, milles hargnenud polümeerharja struktuuride mehaanilised omadused erinevad oluliselt SiHy alussubstraadi omadest.Seetõttu on tavapäraste ja taandemeetodite abil väga raske neid omadusi täpselt kvantifitseerida.Paljutõotav meetod kasutab aatomjõumikroskoopias (AFM) rakendatud nanoindentatsiooni testimise meetodit, meetodit, mida on kasutatud pehmete viskoelastsete materjalide, nagu bioloogilised rakud ja kuded, aga ka pehmete polümeeride mehaaniliste omaduste määramiseks22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.AFM-i nanoindentatsioonis on nanoindentatsiooni testimise põhialused ühendatud AFM-tehnoloogia uusimate edusammudega, et pakkuda suuremat mõõtmistundlikkust ja paljude olemuselt ülipehmete materjalide testimist31,32,33,34,35,36.Lisaks pakub tehnoloogia läbi erinevate geomeetriate kasutamise muid olulisi eeliseid.sisestus ja sond ning võimalus testida erinevates vedelas keskkonnas.
AFM nanoindentatsiooni võib tinglikult jagada kolmeks põhikomponendiks: (1) seadmed (andurid, detektorid, sondid jne);(2) mõõteparameetrid (nagu jõud, nihe, kiirus, rambi suurus jne);(3) Andmetöötlus (algtaseme korrigeerimine, puutepunkti hindamine, andmete sobitamine, modelleerimine jne).Selle meetodi oluliseks probleemiks on see, et mitmed AFM-i nanoindentatsiooni kasutanud kirjanduse uuringud annavad sama proovi/raku/materjali tüübi kohta väga erinevaid kvantitatiivseid tulemusi37,38,39,40,41.Näiteks Lekka jt.Uuriti ja võrreldi AFM-sondi geomeetria mõju mõõdetud mehaaniliselt homogeense hüdrogeeli ja heterogeensete rakkude proovide Youngi moodulile.Nad teatavad, et mooduli väärtused sõltuvad suuresti konsooli valikust ja otsa kujust, kusjuures kõrgeim väärtus on püramiidikujulise sondi puhul ja madalaim väärtus 42 sfäärilise sondi puhul.Samamoodi on Selhuber-Unkel et al.On näidatud, kuidas polüakrüülamiidi (PAAM) proovide sisestuskiirus, taandri suurus ja paksus mõjutavad ACM43 nanoindentatsiooniga mõõdetud Youngi moodulit.Teine komplitseeriv tegur on standardsete ülimadala mooduliga katsematerjalide ja tasuta katseprotseduuride puudumine.See raskendab enesekindlalt täpsete tulemuste saamist.Kuid meetod on väga kasulik suhteliste mõõtmiste ja sarnaste proovitüüpide võrdlevate hindamiste jaoks, kasutades näiteks AFM-i nanoindentatsiooni, et eristada normaalseid rakke vähirakkudest 44, 45 .
Pehmete materjalide testimisel AFM-nanosisendiga on rusikareegel kasutada madala vedrukonstandiga (k) sondi, mis vastab täpselt proovi moodulile, ja poolkerakujulist/ümmargust otsa, nii et esimene sond ei torgaks proovi pindu. esimene kokkupuude pehmete materjalidega.Samuti on oluline, et sondi genereeritud läbipaindesignaal oleks piisavalt tugev, et seda laserdetektorisüsteem tuvastaks24,34,46,47.Ülipehmete heterogeensete rakkude, kudede ja geelide puhul on veel üks väljakutse ületada sondi ja proovipinna vaheline nakkejõud, et tagada reprodutseeritavad ja usaldusväärsed mõõtmised 48, 49, 50.Kuni viimase ajani on suurem osa AFM-i nanoindentatsiooniga seotud töödest keskendunud bioloogiliste rakkude, kudede, geelide, hüdrogeelide ja biomolekulide mehaanilise käitumise uurimisele, kasutades suhteliselt suuri sfäärilisi sonde, mida tavaliselt nimetatakse kolloidsondideks (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Nende otsikute raadius on 1–50 µm ja need on tavaliselt valmistatud boorsilikaatklaasist, polümetüülmetakrülaadist (PMMA), polüstüreenist (PS), ränidioksiidist (SiO2) ja teemandist. nagu süsinik (DLC) .Kuigi CP-AFM nanoindentatsioon on pehme proovi iseloomustamiseks sageli esimene valik, on sellel oma probleemid ja piirangud.Suurte mikronisuuruste sfääriliste otsikute kasutamine suurendab otsiku ja prooviga kokkupuute kogupindala ja toob kaasa ruumilise eraldusvõime olulise kaotuse.Pehmete, mittehomogeensete proovide puhul, kus kohalike elementide mehaanilised omadused võivad laiemal alal keskmisest oluliselt erineda, võib CP taane varjata omaduste ebahomogeensust kohalikul skaalal52.Kolloidsed sondid valmistatakse tavaliselt mikronisuuruste kolloidsfääride kinnitamisel otsata konsoolidele, kasutades epoksüliimi.Tootmisprotsess ise on täis palju probleeme ja võib põhjustada sondi kalibreerimisprotsessi ebakõlasid.Lisaks mõjutavad kolloidosakeste suurus ja mass otseselt konsooli peamisi kalibreerimisparameetreid, nagu resonantssagedus, vedru jäikus ja läbipaindetundlikkus56,57,58.Seega ei pruugi tavapäraste AFM-sondide jaoks tavaliselt kasutatavad meetodid, nagu temperatuurikalibreerimine, anda CP jaoks täpset kalibreerimist ja nende paranduste tegemiseks võib vaja minna muid meetodeid57, 59, 60, 61. Tüüpilistes CP taandekatsetes kasutatakse suuri kõrvalekaldeid konsooli abil. uurida pehmete proovide omadusi, mis tekitab teise probleemi, kui kalibreerida konsooli mittelineaarset käitumist suhteliselt suurte kõrvalekallete korral62, 63, 64.Kaasaegsed kolloidsondi süvendamise meetodid võtavad tavaliselt arvesse sondi kalibreerimiseks kasutatava konsooli geomeetriat, kuid eiravad kolloidosakeste mõju, mis tekitab meetodi täpsuses täiendavat ebakindlust38,61.Samamoodi sõltuvad kontaktmudeli sobitamisega arvutatud elastsusmoodulid otseselt süvendussondi geomeetriast ning otsa ja proovi pinna omaduste mittevastavus võib põhjustada ebatäpsusi 27, 65, 66, 67, 68. Mõned Spenceri jt hiljutised tööd.Välja on toodud tegurid, mida tuleks arvestada pehmete polümeerharjade iseloomustamisel CP-AFM nanoindentatsiooni meetodil.Nad teatasid, et viskoosse vedeliku püsimine polümeerharjades kiiruse funktsioonina põhjustab peakoormuse suurenemist ja seega ka kiirusest sõltuvate omaduste erinevaid mõõtmisi30, 69, 70, 71.
Selles uuringus oleme iseloomustanud ülipehme väga elastse materjali lehfilcon A CL pinnamoodulit, kasutades modifitseeritud AFM nanoindentatsiooni meetodit.Arvestades selle materjali omadusi ja uut struktuuri, on traditsioonilise taandemeetodi tundlikkusvahemik selgelt ebapiisav selle ülipehme materjali mooduli iseloomustamiseks, mistõttu on vaja kasutada suurema tundlikkusega ja väiksema tundlikkusega AFM nanoindentatsiooni meetodit.tasemel.Pärast olemasolevate kolloidsete AFM-sondide nanoindentatsioonitehnikate puuduste ja probleemide ülevaatamist näitame, miks valisime väiksema, kohandatud disainiga AFM-sondi, et kõrvaldada tundlikkus, taustmüra, täpne kokkupuutepunkt, mõõta pehmete heterogeensete materjalide, näiteks vedelikupeetuse, kiirusmoodulit. sõltuvus.ja täpne kvantifitseerimine.Lisaks saime täpselt mõõta süvendiotsa kuju ja mõõtmeid, võimaldades meil kasutada elastsusmooduli määramiseks koonuse-sfääri sobivuse mudelit ilma otsiku kokkupuutepinda materjaliga hindamata.Kaks selles töös kvantifitseeritud kaudset eeldust on materjali täielikult elastsed omadused ja süvendi sügavusest sõltumatu moodul.Seda meetodit kasutades testisime esmalt teadaoleva mooduliga ülipehmeid standardeid meetodi kvantifitseerimiseks ja seejärel kasutasime seda meetodit kahe erineva kontaktläätsematerjali pindade iseloomustamiseks.See meetod AFM-i nanoindentatsioonipindade iseloomustamiseks suurenenud tundlikkusega on eeldatavasti rakendatav paljude biomimeetiliste heterogeensete ultrapehmete materjalide puhul, mida saab kasutada meditsiiniseadmetes ja biomeditsiinilistes rakendustes.
Nanoindentatsioonikatseteks valiti Lehfilcon A kontaktläätsed (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) ja nende silikoonhüdrogeeli substraadid.Katses kasutati spetsiaalselt disainitud objektiivi kinnitust.Objektiivi testimiseks paigaldamiseks asetati see ettevaatlikult kuplikujulisele alusele, jälgides, et õhumulle sisse ei satuks, ning kinnitati siis äärtega.Läätsehoidja ülaosas asuv kinnitusklamber tagab juurdepääsu läätse optilisele keskpunktile nanoindentatsioonikatsete jaoks, hoides samal ajal vedelikku paigal.See hoiab läätsed täielikult hüdreeritud.Katselahusena kasutati 500 μl kontaktläätsede pakkelahust.Kvantitatiivsete tulemuste kontrollimiseks valmistati kaubanduslikult saadavad aktiveerimata polüakrüülamiidi (PAAM) hüdrogeelid polüakrüülamiid-ko-metüleen-bisakrüülamiidi koostisest (100 mm Petrisoft Petri tassid, Matrigen, Irvine, CA, USA), mille teadaolev elastsusmoodul on 1 kPa.Kasutage 4-5 tilka (ligikaudu 125 µl) fosfaatpuhverdatud soolalahust (PBS firmalt Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) ja 1 tilka OPTI-FREE Puremoist kontaktläätsede lahust (Alcon, Vaud, TX, USA).) AFM hüdrogeeli-sondi liideses.
Lehfilcon A CL ja SiHy substraatide proovid visualiseeriti FEI Quanta 250 väljaemissiooni skaneeriva elektronmikroskoobi (FEG SEM) süsteemiga, mis oli varustatud skaneeriva ülekandeelektronmikroskoobi (STEM) detektoriga.Proovide ettevalmistamiseks pesti läätsed esmalt veega ja lõigati pirukakujulisteks viiludeks.Proovide hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete komponentide erineva kontrasti saavutamiseks kasutati värvainena 0,10% stabiliseeritud RuO4 lahust, millesse proovid kasteti 30 minutiks.Lehfilcon A CL RuO4 värvimine on oluline mitte ainult parema diferentsiaalkontrastsuse saavutamiseks, vaid aitab säilitada ka hargnenud polümeerharjade struktuuri nende algsel kujul, mis on seejärel nähtavad STEM-piltidel.Seejärel pesti neid ja dehüdreeriti etanooli ja vee segudes, suurendades etanooli kontsentratsiooni.Seejärel valati proovid EMBed 812/Araldite epoksiidiga, mis kõvenes üleöö temperatuuril 70 °C.Vaigu polümerisatsioonil saadud prooviplokid lõigati ultramikrotoomiga ja saadud õhukesed lõigud visualiseeriti STEM-detektoriga madala vaakumrežiimis kiirenduspingel 30 kV.Sama SEM-süsteemi kasutati PFQNM-LC-A-CAL AFM-sondi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) üksikasjalikuks iseloomustamiseks.AFM-sondi SEM-pildid saadi tüüpilises kõrgvaakumrežiimis kiirenduspingega 30 kV.Saate hankida pilte erinevate nurkade ja suurendustega, et salvestada kõik AFM-sondi otsa kuju ja suuruse üksikasjad.Kõik piltidel huvipakkuvad otsiku mõõtmed mõõdeti digitaalselt.
Lehfilcon A CL, SiHy substraadi ja PAAm hüdrogeeli proovide visualiseerimiseks ja nanoindenteerimiseks kasutati Dimension FastScan Bio Icon aatomjõu mikroskoopi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) režiimiga "PeakForce QNM in Fluid".Pildikatseteks kasutati proovist kõrge eraldusvõimega kujutiste jäädvustamiseks skaneerimissagedusega 0,50 Hz PEAKFORCE-HIRS-FA sondi (Bruker), mille tipu nimiraadius oli 1 nm.Kõik pildid tehti vesilahuses.
AFM nanoindentatsiooni katsed viidi läbi, kasutades PFQNM-LC-A-CAL sondi (Bruker).AFM-sondil on räni ots nitriidkonsoolil, mille paksus on 345 nm, pikkus 54 µm ja laius 4,5 µm ning resonantssagedus 45 kHz.See on spetsiaalselt loodud pehmete bioloogiliste proovide iseloomustamiseks ja kvantitatiivsete nanomehaaniliste mõõtmiste tegemiseks.Andurid on tehases individuaalselt kalibreeritud eelkalibreeritud vedru seadistustega.Selles uuringus kasutatud sondide vedrukonstandid jäid vahemikku 0,05–0,1 N/m.Otsa kuju ja suuruse täpseks määramiseks iseloomustati sondi üksikasjalikult SEM-i abil.Joonisel fig.Joonisel fig 1a on kujutatud PFQNM-LC-A-CAL sondi kõrge eraldusvõimega väikese suurendusega skaneeriva elektronmikrograafiga pilt, mis annab sondi konstruktsioonist tervikliku ülevaate.Joonisel fig.1b on sondi otsa ülaosa suurendatud vaade, mis annab teavet otsiku kuju ja suuruse kohta.Äärmises otsas on nõel poolkera, mille läbimõõt on umbes 140 nm (joonis 1c).Sellest allpool kitseneb ots koonilise kujuga, ulatudes mõõdetud pikkuseni umbes 500 nm.Väljaspool kitsenevat piirkonda on ots silindriline ja lõpeb otsa kogupikkusega 1,18 µm.See on sondi otsa peamine funktsionaalne osa.Lisaks kasutati kolloidsondina testimiseks ka suurt sfäärilist polüstüreeni (PS) sondi (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA), mille otsa läbimõõt oli 45 µm ja vedrukonstant 2 N/m.võrdluseks PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sondiga.
On teatatud, et vedelik võib nanoindentatsiooni ajal jääda AFM-sondi ja polümeerharja struktuuri vahele, mis avaldab AFM-sondile ülespoole suunatud jõudu enne, kui see tegelikult pinda puudutab69.See vedelikupeetusest tingitud viskoosne ekstrusiooniefekt võib muuta näivat kokkupuutepunkti, mõjutades seeläbi pinnamooduli mõõtmisi.Sondi geomeetria ja taandekiiruse mõju uurimiseks vedeliku retentsioonile joonistati lehfilcon A CL proovide jaoks süvendusjõu kõverad, kasutades 140 nm läbimõõduga sondi konstantse nihkekiirusega 1 µm/s ja 2 µm/s.sondi läbimõõt 45 µm, fikseeritud jõu seadistus 6 nN saavutati kiirusel 1 µm/s.Katsed 140 nm läbimõõduga sondiga viidi läbi süvenduskiirusega 1 µm/s ja seadistusjõuga 300 pN, mis valiti kontaktrõhu tekitamiseks ülemise silmalau füsioloogilises vahemikus (1–8 kPa).rõhk 72. PAA hüdrogeeli pehmeid valmisproove rõhuga 1 kPa testiti 140 nm läbimõõduga sondi abil 50 pN süvendusjõule kiirusel 1 μm/s.
Kuna PFQNM-LC-A-CAL sondi otsa koonilise osa pikkus on ligikaudu 500 nm, võib mistahes süvendisügavusel < 500 nm kindlalt eeldada, et sondi geomeetria jääb treppimise ajal omale truuks. koonuse kuju.Lisaks eeldatakse, et katsetatava materjali pinnal on pöörduv elastsusreaktsioon, mida kinnitatakse ka järgmistes osades.Seetõttu valisime AFM-i nanoindentatsioonikatsete (NanoScope) töötlemiseks olenevalt otsa kujust ja suurusest müüja tarkvaras saadaval oleva Briscoe, Sebastiani ja Adamsi välja töötatud koonuse-sfääri sobitusmudeli.Eraldusandmete analüüsi tarkvara, Bruker) 73. Mudel kirjeldab jõu-nihke suhet F(δ) sfäärilise tipudefektiga koonuse korral.Joonisel fig.Joonisel 2 on kujutatud kontakti geomeetria jäiga koonuse ja sfäärilise tipu vastastikmõju ajal, kus R on sfäärilise tipu raadius, a on kontakti raadius, b on kontakti raadius sfäärilise tipu lõpus, δ on sfäärilise tipu raadius. kontakti raadius.taande sügavus, θ on koonuse poolnurk.Selle sondi SEM-pilt näitab selgelt, et 140 nm läbimõõduga sfääriline ots sulandub tangentsiaalselt koonuseks, seega on siin b defineeritud ainult läbi R, st b = R cos θ.Tarnija tarnitud tarkvara pakub koonuse-sfääri seost Youngi mooduli (E) väärtuste arvutamiseks jõueraldusandmete põhjal, eeldades, et a > b.Suhe:
kus F on taandumisjõud, E on Youngi moodul, ν on Poissoni suhe.Kontaktraadiust a saab hinnata, kasutades:
Hargnenud polümeerharjade pinnakihiga Lefilconi kontaktläätse materjalisse surutud sfäärilise otsaga jäiga koonuse kontaktgeomeetria skeem.
Kui a ≤ b, taandub seos tavalise sfäärilise taande võrrandiks;
Usume, et taanduva sondi koostoime PMPC polümeerharja hargnenud struktuuriga põhjustab kontaktraadiuse a suurema kui sfäärilise kontakti raadius b.Seetõttu kasutasime kõigi selles uuringus läbiviidud elastsusmooduli kvantitatiivsete mõõtmiste puhul juhtumi a > b korral saadud sõltuvust.
Selles uuringus uuritud ultrapehmed biomimeetilised materjalid pildistati põhjalikult, kasutades proovi ristlõike skaneerivat ülekandeelektronmikroskoopiat (STEM) ja pinna aatomjõumikroskoopiat (AFM).See detailne pinna iseloomustus viidi läbi meie varem avaldatud töö laiendusena, milles tegime kindlaks, et PMPC-ga modifitseeritud lehfilcon A CL pinna dünaamiliselt hargnenud polümeerse pintsli struktuuril on sarnased mehaanilised omadused sarvkesta natiivse koega 14 .Sel põhjusel nimetame kontaktläätsede pindu biomimeetilisteks materjalideks14.Joonisel fig.Joonistel 3a, b on näidatud hargnenud PMPC polümeerharja struktuuride ristlõiked vastavalt lehfilcon A CL substraadi ja töötlemata SiHy substraadi pinnal.Mõlema proovi pindu analüüsiti täiendavalt kõrge eraldusvõimega AFM-piltide abil, mis kinnitas veelgi STEM-analüüsi tulemusi (joonis 3c, d).Kokkuvõttes annavad need pildid PMPC hargnenud polümeerharja struktuuri ligikaudse pikkuse 300–400 nm juures, mis on AFM-i nanoindentatsiooni mõõtmiste tõlgendamisel kriitilise tähtsusega.Veel üks piltidest tulenev oluline tähelepanek on see, et CL-i biomimeetilise materjali üldine pinnastruktuur erineb morfoloogiliselt SiHy substraadimaterjali omast.See erinevus nende pinnamorfoloogias võib ilmneda nende mehaanilise interaktsiooni ajal taanduva AFM-sondiga ja seejärel mõõdetud mooduli väärtustes.
(a) lehfilcon A CL ja (b) SiHy substraadi ristlõike STEM-kujutised.Skaalariba, 500 nm.AFM-kujutised lehfilcon A CL substraadi (c) ja SiHy aluspinna (d) pinnast (3 µm × 3 µm).
Bioinspireeritud polümeerid ja polümeerharjade struktuurid on oma olemuselt pehmed ning neid on laialdaselt uuritud ja kasutatud erinevates biomeditsiinilistes rakendustes74,75,76,77.Seetõttu on oluline kasutada AFM nanoindentatsiooni meetodit, mis võimaldab täpselt ja usaldusväärselt mõõta nende mehaanilisi omadusi.Kuid samal ajal raskendavad nende ülipehmete materjalide ainulaadsed omadused, nagu ülimadal elastsusmoodul, kõrge vedelikusisaldus ja kõrge elastsus, sageli õige materjali, taandrisondi kuju ja kuju valimist.suurus.See on oluline, et taane ei tungiks proovi pehmesse pinda, mis tooks kaasa vigu pinnaga kokkupuutepunkti ja kokkupuuteala määramisel.
Selleks on ülipehmete biomimeetiliste materjalide (lehfilcon A CL) morfoloogia põhjalik mõistmine hädavajalik.Pildistamismeetodil saadud teave hargnenud polümeerharjade suuruse ja struktuuri kohta annab aluse pinna mehaaniliseks iseloomustamiseks AFM-i nanoindentatsioonitehnikate abil.Mikronisuuruste sfääriliste kolloidsondide asemel valisime PFQNM-LC-A-CAL räninitriidsondi (Bruker), mille otsa läbimõõt on 140 nm, mis on spetsiaalselt loodud bioloogiliste proovide 78, 79, 80 mehaaniliste omaduste kvantitatiivseks kaardistamiseks. , 81, 82, 83, 84 Võrreldes tavaliste kolloidsondidega suhteliselt teravate sondide kasutamine on seletatav materjali struktuuriliste iseärasustega.Võrreldes sondi otsa suurust (~140 nm) hargnenud polümeerharjadega CL lehfilcon A pinnal, mis on näidatud joonisel 3a, võib järeldada, et ots on piisavalt suur, et puutuda otseselt kokku nende harjastruktuuridega, mis vähendab võimalust, et ots neist läbi tungib.Selle punkti illustreerimiseks on joonisel fig 4 STEM-kujutis lehfilcon A CL ja AFM-sondi taandriots (joonistatud mõõtkavas).
Skeem, mis näitab lehfilcon A CL STEM-pilti ja ACM-i süvendussondi (joonistatud mõõtkavas).
Lisaks on otsa suurus 140 nm piisavalt väike, et vältida CP-AFM nanoindentatsioonimeetodil toodetud polümeerharjade puhul varem teatatud kleepuvate ekstrusiooniefektide ohtu 69, 71.Eeldame, et selle AFM-i otsa erilise koonuse-sfäärilise kuju ja suhteliselt väikese suuruse tõttu (joonis 1) ei sõltu lehfilcon A CL nanoindentatsiooni tekitatud jõukõvera olemus süvendamise kiirusest ega laadimis-/mahalaadimiskiirusest. .Seetõttu ei mõjuta seda poroelastne toime.Selle hüpoteesi testimiseks tõmmati lehfilcon A CL proovid fikseeritud maksimaalse jõuga, kasutades PFQNM-LC-A-CAL sondi, kuid kahe erineva kiirusega, ning saadud tõmbe- ja tagasitõmbejõu kõveraid kasutati jõu (nN) joonistamiseks. eraldusvõime (µm) on näidatud joonisel 5a.On selge, et jõukõverad laadimise ja mahalaadimise ajal kattuvad täielikult ning puuduvad selged tõendid selle kohta, et jõunihke nulli süvise sügavusel suureneb joonisel näidatud taande kiirusega, mis viitab sellele, et üksikuid harja elemente iseloomustati ilma poroelastse efektita.Seevastu vedelikupeetuse efektid (viskoosne ekstrusioon ja poroelastsuse efektid) on ilmsed 45 µm läbimõõduga AFM-sondi puhul sama süvenduskiirusega ja neid tõstab esile venitus- ja tagasitõmbumiskõverate vaheline hüsterees, nagu on näidatud joonisel 5b.Need tulemused toetavad hüpoteesi ja viitavad sellele, et 140 nm läbimõõduga sondid on selliste pehmete pindade iseloomustamiseks hea valik.
lehfilcon A CL-i süvendusjõu kõverad, kasutades ACM-i;a) 140 nm läbimõõduga sondi kasutamine kahel laadimiskiirusel, mis näitab poroelastse efekti puudumist pinna süvendamise ajal;(b) kasutades sonde läbimõõduga 45 µm ja 140 nm.s näitavad viskoosse ekstrusiooni ja poroelastsuse mõju suurte sondide jaoks võrreldes väiksemate sondidega.
Ultrapehmete pindade iseloomustamiseks peab AFM nanoindentatsioonimeetoditel olema parim sond uuritava materjali omaduste uurimiseks.Lisaks otsa kujule ja suurusele mängivad nanoindentatsiooni täpsuse ja usaldusväärsuse määramisel olulist rolli AFM-detektorisüsteemi tundlikkus, tundlikkus otsaku läbipainde suhtes katsekeskkonnas ning konsoolide jäikus.mõõdud.Meie AFM-süsteemi puhul on asukohatundliku detektori (PSD) tuvastuspiir ligikaudu 0,5 mV ja see põhineb eelkalibreeritud vedru kiirusel ja PFQNM-LC-A-CAL sondi arvutatud vedeliku läbipainde tundlikkusel, mis vastab teoreetiline koormuse tundlikkus.on väiksem kui 0,1 pN.Seetõttu võimaldab see meetod mõõta minimaalset süvendusjõudu ≤ 0,1 pN ilma perifeerse müra komponendita.Siiski on AFM-süsteemil peaaegu võimatu vähendada perifeerset müra selle tasemeni selliste tegurite tõttu nagu mehaaniline vibratsioon ja vedeliku dünaamika.Need tegurid piiravad AFM-i nanoindentatsioonimeetodi üldist tundlikkust ja põhjustavad ka taustmüra signaali ligikaudu ≤ 10 pN.Pinna iseloomustamiseks tõmmati lehfilcon A CL ja SiHy substraadi proovid täielikult hüdreeritud tingimustes, kasutades SEM-i iseloomustamiseks 140 nm sondi, ja saadud jõukõverad kanti jõu (pN) ja rõhu vahele.Eraldusgraafik (µm) on näidatud joonisel 6a.Võrreldes SiHy alussubstraadiga, näitab lehfilcon A CL jõukõver selgelt üleminekufaasi, mis algab kahvliga polümeerharjaga kokkupuutepunktist ja lõpeb järsu muutusega otsa kallet tähistavas kontaktis alusmaterjaliga.See jõukõvera üleminekuosa tõstab esile hargnenud polümeerharja tõeliselt elastse käitumise pinnal, mida tõendab pingekõverat täpselt järgiv survekõver ning harja struktuuri ja mahuka SiHy materjali mehaaniliste omaduste kontrastsus.Kui võrrelda lefilconi.Hargnenud polümeerharja keskmise pikkuse eraldamine PCS-i STEM-pildil (joonis 3a) ja selle jõukõver piki abstsissi joonisel 3a.6a näitab, et meetod on võimeline tuvastama otsa ja hargnenud polümeeri, mis jõuavad pinna ülaossa.Pintslikonstruktsioonide vaheline kontakt.Lisaks ei näita jõukõverate tihe kattumine vedelikupeetuse efekti puudumist.Sellisel juhul puudub nõela ja proovi pinna vahel adhesioon.Kahe proovi jõukõverate ülemised lõigud kattuvad, peegeldades substraadi materjalide mehaaniliste omaduste sarnasust.
(a) AFM nanoindentatsiooni jõukõverad lehfilcon A CL substraatide ja SiHy substraatide jaoks, (b) jõukõverad, mis näitavad kontaktpunkti hindamist taustmüra läve meetodil.
Jõukõvera täpsemate detailide uurimiseks joonistatakse lehfilcon A CL proovi pingekõver uuesti joonisele 6b maksimaalse jõuga 50 pN piki y-telge.See graafik annab olulist teavet algse taustmüra kohta.Müra on vahemikus ±10 pN, mida kasutatakse kontaktpunkti täpseks määramiseks ja taande sügavuse arvutamiseks.Nagu kirjanduses on kirjeldatud, on kontaktpunktide tuvastamine materjali omaduste, näiteks mooduli85 täpseks hindamiseks ülioluline.Jõukõvera andmete automaatset töötlemist hõlmav lähenemisviis on näidanud pehmete materjalide andmete sobitamise ja kvantitatiivsete mõõtmiste paremat sobivust86.Selles töös on meie kokkupuutepunktide valik suhteliselt lihtne ja objektiivne, kuid sellel on omad piirangud.Meie konservatiivne lähenemine kokkupuutepunkti määramisele võib põhjustada väiksemate süvendite sügavuste (< 100 nm) puhul veidi ülehinnatud mooduli väärtusi.Algoritmipõhise puutepunkti tuvastamise ja automatiseeritud andmetöötluse kasutamine võiks olla selle töö jätk tulevikus, et meie meetodit veelgi täiustada.Seega defineerime sisemise taustmüra puhul suurusjärgus ±10 pN kontaktpunkti esimese andmepunktina x-teljel joonisel 6b väärtusega ≥10 pN.Seejärel tähistab vastavalt müra lävele 10 pN vertikaalne joon tasemel ~ 0, 27 µm pinnaga kokkupuutepunkti, mille järel venituskõver jätkub, kuni substraat vastab süvendi sügavusele ~ 270 nm.Huvitav on see, et pildistamismeetodil mõõdetud hargnenud polümeerharja tunnuste suuruse (300–400 nm) põhjal on taustmüra läve meetodil vaadeldud CL lehfilcon A proovi süvendamise sügavus umbes 270 nm, mis on väga lähedal. mõõtmissuurus STEM-iga.Need tulemused kinnitavad veelgi AFM-sondi otsa kuju ja suuruse ühilduvust ja rakendatavust selle väga pehme ja väga elastse hargnenud polümeerharja struktuuri süvendamiseks.Need andmed pakuvad ka tugevaid tõendeid, mis toetavad meie meetodit taustmüra kasutamisel kontaktpunktide kindlaksmääramisel.Seega peaksid kõik matemaatilise modelleerimise ja jõukõvera sobitamisega saadud kvantitatiivsed tulemused olema suhteliselt täpsed.
AFM-i nanoindentatsioonimeetodite kvantitatiivsed mõõtmised sõltuvad täielikult andmete valimisel ja järgneval analüüsil kasutatavatest matemaatilistest mudelitest.Seetõttu on enne konkreetse mudeli valimist oluline kaaluda kõiki taande valiku, materjali omaduste ja nende koostoime mehaanikaga seotud tegureid.Sel juhul iseloomustati otsiku geomeetriat hoolikalt SEM-mikrograafide abil (joonis 1) ja tulemuste põhjal on 140 nm läbimõõduga kõva koonuse ja sfäärilise otsa geomeetriaga AFM-nanosisendiga sond hea valik lehfilcon A CL79 proovide iseloomustamiseks. .Teine oluline tegur, mida tuleb hoolikalt hinnata, on testitava polümeermaterjali elastsus.Kuigi nanoindentatsiooni algandmed (joonised 5a ja 6a) toovad selgelt välja pinge- ja survekõverate kattumise ehk materjali täieliku elastsuse taastumise tunnused, on ülimalt oluline kinnitada kontaktide puhtalt elastsust. .Sel eesmärgil viidi lehfilcon A CL proovi pinnal samas kohas läbi kaks järjestikust süvendit taandumise kiirusega 1 µm/s täieliku hüdratatsiooni tingimustes.Saadud jõukõvera andmed on näidatud joonisel fig.7 ning ootuspäraselt on kahe trükise paisumis- ja kokkusurumiskõverad peaaegu identsed, rõhutades hargnenud polümeerharja struktuuri suurt elastsust.
Kaks süvendusjõu kõverat lehfilcon A CL pinnal samas kohas näitavad läätse pinna ideaalset elastsust.
Vastavalt sondi otsa ja lehfilcon A CL pinna SEM- ja STEM-piltidelt saadud teabe põhjal on koonuse-sfääri mudel mõistlik matemaatiline esitus AFM-sondi otsa ja testitava pehme polümeermaterjali vahelisest koostoimest.Lisaks kehtivad selle koonuse-sfääri mudeli puhul selle uue biomimeetilise materjali põhieeldused trükitud materjali elastsete omaduste kohta ja neid kasutatakse elastsusmooduli kvantifitseerimiseks.
Pärast AFM-i nanoindentatsioonimeetodi ja selle komponentide, sealhulgas süvendussondi omaduste (kuju, suurus ja vedru jäikus), tundlikkuse (taustmüra ja kontaktpunkti hindamine) ning andmete sobitusmudelite (kvantitatiivsed moodulimõõtmised) põhjalikku hindamist, võeti kasutusele meetod. kasutatud.Kvantitatiivsete tulemuste kontrollimiseks iseloomustada kaubanduslikult saadavaid ülipehmeid proove.Kaubanduslikku polüakrüülamiidi (PAAM) hüdrogeeli elastsusmooduliga 1 kPa testiti hüdraatunud tingimustes, kasutades 140 nm sondi.Üksikasjad moodulite testimise ja arvutuste kohta on esitatud lisateabes.Tulemused näitasid, et keskmine mõõdetud moodul oli 0,92 kPa ning %RSD ja protsentuaalne (%) kõrvalekalle teadaolevast moodulist olid alla 10%.Need tulemused kinnitavad selles töös ultrapehmete materjalide moodulite mõõtmiseks kasutatud AFM nanoindentatsiooni meetodi täpsust ja reprodutseeritavust.Lehfilcon A CL proovide ja SiHy alussubstraadi pindu iseloomustati täiendavalt sama AFM nanoindentatsiooni meetodiga, et uurida ultrapehme pinna näivat kontaktmoodulit süvendi sügavuse funktsioonina.Sisenemisjõu eralduskõverad koostati igat tüüpi kolme proovi jaoks (n = 3; üks taane proovi kohta) jõul 300 pN, kiirusel 1 µm/s ja täieliku hüdratatsiooniga.Sisenemisjõu jagamise kõver lähendati koonuse-sfääri mudeli abil.Treppimissügavusest sõltuva mooduli saamiseks määrati 40 nm laiune jõukõvera osa iga 20 nm sammuga, alustades kokkupuutepunktist, ja mõõdeti mooduli väärtused jõukõvera igal etapil.Spin Cy et al.Sarnast lähenemisviisi on kasutatud polü(laurüülmetakrülaadi) (P12MA) polümeerharjade mooduli gradiendi iseloomustamiseks, kasutades kolloidset AFM-sondi nanoindentatsiooni, ja need on kooskõlas Hertzi kontaktmudelit kasutavate andmetega.See lähenemine annab diagrammi nähtava kontaktmooduli (kPa) ja taande sügavuse (nm) suhtes, nagu on näidatud joonisel 8, mis illustreerib näivat kontaktmoodulit/sügavuse gradienti.CL lehfilcon A proovi arvutatud elastsusmoodul on proovi ülemises 100 nm vahemikus 2–3 kPa, millest kaugemale hakkab see sügavusega suurenema.Teisest küljest on SiHy alussubstraadi testimisel ilma pintslitaolise kileta 300 pN jõuga saavutatav maksimaalne süvendussügavus alla 50 nm ja andmetest saadud mooduli väärtus on umbes 400 kPa. , mis on võrreldav puistematerjalide Youngi mooduli väärtustega.
Nähtav kontaktmoodul (kPa) vs. süvendussügavus (nm) lehfilcon A CL ja SiHy substraatide jaoks, kasutades mooduli mõõtmiseks AFM nanoindentatsiooni meetodit koonuse-sfääri geomeetriaga.
Uue biomimeetilise hargnenud polümeerharja struktuuri ülemisel pinnal on äärmiselt madal elastsusmoodul (2–3 kPa).See sobib kahvliga polümeerharja vabalt rippuva otsaga, nagu on näidatud STEM-pildil.Kuigi CL-i välisservas on mõningaid tõendeid mooduli gradiendi kohta, on peamine suure mooduliga substraat mõjukam.Pinna ülemine 100 nm jääb aga 20% piiresse hargnenud polümeerharja kogupikkusest, seega on mõistlik eeldada, et mooduli mõõdetud väärtused selles süvendisügavuse vahemikus on suhteliselt täpsed ega ole tugevad. sõltuvad alumise objekti mõjust.
Lehfilcon A kontaktläätsede unikaalse biomimeetilise disaini tõttu, mis koosnevad SiHy substraatide pinnale poogitud hargnenud PMPC polümeerhari struktuuridest, on nende pinnastruktuuride mehaanilisi omadusi traditsiooniliste mõõtmismeetoditega väga raske usaldusväärselt iseloomustada.Siin tutvustame täiustatud AFM-i nanoindentatsiooni meetodit ülipehmete materjalide, nagu kõrge veesisaldusega ja äärmiselt kõrge elastsusega lefilcon A täpseks iseloomustamiseks.See meetod põhineb AFM-sondi kasutamisel, mille otsa suurus ja geomeetria on hoolikalt valitud nii, et need vastaksid jäljenditavate ülipehmete pinnaelementide struktuurimõõtmetele.See sondi ja konstruktsiooni mõõtmete kombinatsioon suurendab tundlikkust, võimaldades mõõta hargnenud polümeerharja elementide madalat moodulit ja loomupäraseid elastsuse omadusi, olenemata poroelastsusest.Tulemused näitasid, et unikaalsed läätse pinnale iseloomulikud hargnenud PMPC polümeerharjad olid vesikeskkonnas testimisel ülimadala elastsusmooduliga (kuni 2 kPa) ja väga suure elastsusega (ligi 100%).AFM-i nanoindentatsiooni tulemused võimaldasid meil iseloomustada ka biomimeetilise läätse pinna näivat kontaktmoodulit / sügavuse gradienti (30 kPa / 200 nm).See gradient võib olla tingitud hargnenud polümeerharjade ja SiHy substraadi moodulite erinevusest või polümeerharjade hargnenud struktuurist/tihedusest või nende kombinatsioonist.Siiski on vaja täiendavaid põhjalikke uuringuid, et täielikult mõista struktuuri ja omaduste vahelist seost, eriti harjade hargnemise mõju mehaanilistele omadustele.Sarnased mõõtmised võivad aidata iseloomustada teiste ülipehmete materjalide ja meditsiiniseadmete pinna mehaanilisi omadusi.
Käesoleva uuringu käigus loodud ja/või analüüsitud andmekogumid on mõistliku taotluse korral kättesaadavad vastavatelt autoritelt.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. ja Haugen, HJ Bioloogiline reaktsioonid biomaterjalide pindade füüsikalistele ja keemilistele omadustele.Keemiline.ühiskond.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM ja Liu, X. Inimtekkeliste biomaterjalide täiustamine koetehnoloogia jaoks.programmeerimine.polümeer.teadus.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Biomaterjalide disain, kliiniline rakendamine ja immuunvastus regeneratiivses meditsiinis.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK ja Farr GM Täiustatud meetod kõvaduse ja elastsusmooduli määramiseks, kasutades koormuse ja nihke mõõtmistega treppimise katseid.J. Alma mater.mahuti.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Treppide kõvaduse testimise ajalooline päritolu.alma mater.teadus.tehnoloogiaid.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Tagastuse kõvaduse mõõtmised makro-, mikro- ja nanoskaalal: kriitiline ülevaade.hõim.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD ja Clapperich, SM Pinna tuvastamise vead põhjustavad pehmete materjalide nanoindentsi mooduli ülehindamise.J. Mecha.Käitumine.Biomeditsiiniteadus.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR ja Yahya M.Yu.Nanoindentatsioonimeetodi hindamine heterogeensete nanokomposiitide mehaaniliste omaduste määramiseks katse- ja arvutusmeetodite abil.teadus.Maja 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR ja Owart, TS Pehmete viskoelastsete geelide mehaaniline iseloomustamine taandel ja optimeerimisel põhineva pöördlõplike elementide analüüsiga.J. Mecha.Käitumine.Biomeditsiiniteadus.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J ja Chaneler D. Viskoelastsuse määramise optimeerimine ühilduvate mõõtesüsteemide abil.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. ja Pellillo, E. Polümeersete pindade nanoindentatsioon.J. Füüsika.D. Kandideeri füüsikasse.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. ja Van Vliet KJ Kõrgeelastsete polümeeride ja bioloogiliste kudede viskoelastsete mehaaniliste omaduste iseloomustamine šoki indentatsiooni abil.Biomaterjalide ajakiri.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Pehmete materjalide elastsusmooduli ja haardumistöö hindamine laiendatud Boroditš-Galanovi (BG) meetodil ja sügaval taandel.karusnahk.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Silikoonhüdrogeeli kontaktläätsede biomimeetiliste polümeersete pindade nanoskaala morfoloogia ja mehaanilised omadused.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).