Merci d'avoir visité Nature.com.Vous utilisez une version de navigateur avec une prise en charge CSS limitée.Pour une expérience optimale, nous vous recommandons d'utiliser un navigateur mis à jour (ou de désactiver le mode de compatibilité dans Internet Explorer).De plus, pour garantir un support continu, nous affichons le site sans styles ni JavaScript.
Affiche un carrousel de trois diapositives à la fois.Utilisez les boutons Précédent et Suivant pour parcourir trois diapositives à la fois, ou utilisez les boutons coulissants à la fin pour parcourir trois diapositives à la fois.
Avec le développement de nouveaux matériaux ultra-doux pour les dispositifs médicaux et les applications biomédicales, la caractérisation complète de leurs propriétés physiques et mécaniques est à la fois importante et difficile.Une technique de nanoindentation modifiée par microscopie à force atomique (AFM) a été appliquée pour caractériser le module de surface extrêmement faible de la nouvelle lentille de contact biomimétique en hydrogel de silicone lehfilcon recouverte d'une couche de structures de brosse en polymère ramifié.Cette méthode permet une détermination précise des points de contact sans les effets d'extrusion visqueuse à l'approche de polymères ramifiés.De plus, il permet de déterminer les caractéristiques mécaniques des éléments individuels de la brosse sans effet de poroélasticité.Ceci est réalisé en sélectionnant une sonde AFM dont la conception (taille de la pointe, géométrie et raideur du ressort) est particulièrement adaptée à la mesure des propriétés des matériaux mous et des échantillons biologiques.Cette méthode améliore la sensibilité et la précision pour une mesure précise du matériau très mou lehfilcon A, qui présente un module d'élasticité extrêmement faible sur la surface (jusqu'à 2 kPa) et une élasticité extrêmement élevée dans l'environnement aqueux interne (presque 100 %). .Les résultats de l'étude de surface ont non seulement révélé les propriétés de surface ultra-douces de la lentille lehfilcon A, mais ont également montré que le module des brosses en polymère ramifié était comparable à celui du substrat silicium-hydrogène.Cette technique de caractérisation de surface peut être appliquée à d’autres matériaux ultra-doux et dispositifs médicaux.
Les propriétés mécaniques des matériaux conçus pour un contact direct avec des tissus vivants sont souvent déterminées par l'environnement biologique.L'adéquation parfaite de ces propriétés matérielles permet d'obtenir les caractéristiques cliniques souhaitées du matériau sans provoquer de réponses cellulaires indésirables1,2,3.Pour les matériaux homogènes en vrac, la caractérisation des propriétés mécaniques est relativement facile en raison de la disponibilité de procédures et de méthodes d'essai standard (par exemple, microindentation4,5,6).Cependant, pour les matériaux ultra-doux tels que les gels, les hydrogels, les biopolymères, les cellules vivantes, etc., ces méthodes de test ne sont généralement pas applicables en raison des limites de résolution de mesure et de l'inhomogénéité de certains matériaux7.Au fil des années, les méthodes d'indentation traditionnelles ont été modifiées et adaptées pour caractériser une large gamme de matériaux mous, mais de nombreuses méthodes souffrent encore de graves lacunes qui limitent leur utilisation8,9,10,11,12,13.Le manque de méthodes de test spécialisées capables de caractériser avec précision et fiabilité les propriétés mécaniques des matériaux ultra-doux et des couches de surface limite considérablement leur utilisation dans diverses applications.
Dans nos travaux précédents, nous avons présenté la lentille de contact lehfilcon A (CL), un matériau hétérogène souple doté de toutes les propriétés de surface ultra-douces dérivées de conceptions potentiellement biomimétiques inspirées de la surface de la cornée de l'œil.Ce biomatériau a été développé en greffant une couche polymère ramifiée et réticulée de poly(2-méthacryloyloxyéthylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) sur un hydrogel de silicone (SiHy) 15 conçu pour les dispositifs médicaux à base de.Ce processus de greffage crée une couche sur la surface constituée d'une structure de brosse polymère ramifiée très douce et hautement élastique.Nos travaux antérieurs ont confirmé que la structure biomimétique du lehfilcon A CL offre des propriétés de surface supérieures telles qu'une meilleure prévention du mouillage et de l'encrassement, un pouvoir lubrifiant accru et une adhésion cellulaire et bactérienne réduite15,16.En outre, l’utilisation et le développement de ce matériau biomimétique suggèrent également une expansion ultérieure à d’autres dispositifs biomédicaux.Par conséquent, il est essentiel de caractériser les propriétés de surface de ce matériau ultra-doux et de comprendre son interaction mécanique avec l’œil afin de créer une base de connaissances complète pour soutenir les développements et applications futurs.La plupart des lentilles de contact SiHy disponibles dans le commerce sont composées d'un mélange homogène de polymères hydrophiles et hydrophobes qui forment une structure matérielle uniforme17.Plusieurs études ont été menées pour étudier leurs propriétés mécaniques à l'aide de méthodes d'essai traditionnelles de compression, de traction et de microindentation18,19,20,21.Cependant, la nouvelle conception biomimétique du lehfilcon A CL en fait un matériau hétérogène unique dans lequel les propriétés mécaniques des structures de brosse en polymère ramifié diffèrent considérablement de celles du substrat de base SiHy.Par conséquent, il est très difficile de quantifier avec précision ces propriétés à l’aide des méthodes conventionnelles et d’indentation.Une méthode prometteuse utilise la méthode de test de nanoindentation mise en œuvre en microscopie à force atomique (AFM), une méthode qui a été utilisée pour déterminer les propriétés mécaniques de matériaux viscoélastiques mous tels que les cellules et tissus biologiques, ainsi que des polymères mous22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.Dans la nanoindentation AFM, les principes fondamentaux des tests de nanoindentation sont combinés avec les dernières avancées de la technologie AFM pour fournir une sensibilité de mesure accrue et tester une large gamme de matériaux intrinsèquement ultra-doux31,32,33,34,35,36.De plus, la technologie offre d’autres avantages importants grâce à l’utilisation de différentes géométries.pénétrateur et sonde et possibilité de tests dans divers milieux liquides.
La nanoindentation AFM peut être conditionnellement divisée en trois composants principaux : (1) équipements (capteurs, détecteurs, sondes, etc.) ;(2) les paramètres de mesure (tels que la force, le déplacement, la vitesse, la taille de la rampe, etc.) ;(3) Traitement des données (correction de la ligne de base, estimation du point de contact, ajustement des données, modélisation, etc.).Un problème important avec cette méthode est que plusieurs études dans la littérature utilisant la nanoindentation AFM rapportent des résultats quantitatifs très différents pour le même type d'échantillon/cellule/matériau37,38,39,40,41.Par exemple, Lekka et al.L'influence de la géométrie de la sonde AFM sur le module d'Young mesuré d'échantillons d'hydrogel mécaniquement homogènes et de cellules hétérogènes a été étudiée et comparée.Ils rapportent que les valeurs de module dépendent fortement de la sélection du porte-à-faux et de la forme de la pointe, avec la valeur la plus élevée pour une sonde en forme de pyramide et la valeur la plus basse de 42 pour une sonde sphérique.De même, Selhuber-Unkel et al.Il a été démontré comment la vitesse du pénétrateur, la taille du pénétrateur et l'épaisseur des échantillons de polyacrylamide (PAAM) affectent le module d'Young mesuré par nanoindentation ACM43.Un autre facteur de complication est le manque de matériaux de test standard à module extrêmement faible et de procédures de test gratuites.Il est donc très difficile d’obtenir des résultats précis et fiables.Cependant, la méthode est très utile pour les mesures relatives et les évaluations comparatives entre des types d'échantillons similaires, par exemple en utilisant la nanoindentation AFM pour distinguer les cellules normales des cellules cancéreuses 44, 45.
Lors du test de matériaux mous avec nanoindentation AFM, une règle générale consiste à utiliser une sonde avec une faible constante de ressort (k) qui correspond étroitement au module de l'échantillon et une pointe hémisphérique/ronde afin que la première sonde ne perce pas les surfaces de l'échantillon sur premier contact avec des matériaux souples.Il est également important que le signal de déviation généré par la sonde soit suffisamment puissant pour être détecté par le système de détection laser24,34,46,47.Dans le cas de cellules, de tissus et de gels hétérogènes ultra-doux, un autre défi consiste à surmonter la force d'adhérence entre la sonde et la surface de l'échantillon pour garantir des mesures reproductibles et fiables48,49,50.Jusqu'à récemment, la plupart des travaux sur la nanoindentation AFM se sont concentrés sur l'étude du comportement mécanique des cellules biologiques, des tissus, des gels, des hydrogels et des biomolécules à l'aide de sondes sphériques relativement grandes, communément appelées sondes colloïdales (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ces pointes ont un rayon de 1 à 50 µm et sont généralement fabriquées à partir de verre borosilicaté, de polyméthacrylate de méthyle (PMMA), de polystyrène (PS), de dioxyde de silicium (SiO2) et de diamant. comme le carbone (DLC).Bien que la nanoindentation CP-AFM soit souvent le premier choix pour la caractérisation d’échantillons mous, elle présente ses propres problèmes et limites.L'utilisation de grandes pointes sphériques de la taille du micron augmente la surface totale de contact de la pointe avec l'échantillon et entraîne une perte significative de résolution spatiale.Pour les échantillons mous et inhomogènes, où les propriétés mécaniques des éléments locaux peuvent différer considérablement de la moyenne sur une zone plus large, l'indentation CP peut masquer toute inhomogénéité des propriétés à l'échelle locale52.Les sondes colloïdales sont généralement fabriquées en fixant des sphères colloïdales de taille micronique à des cantilevers sans pointe à l'aide d'adhésifs époxy.Le processus de fabrication lui-même pose de nombreux problèmes et peut entraîner des incohérences dans le processus d'étalonnage de la sonde.De plus, la taille et la masse des particules colloïdales affectent directement les principaux paramètres d’étalonnage du cantilever, tels que la fréquence de résonance, la rigidité du ressort et la sensibilité à la déflexion56,57,58.Ainsi, les méthodes couramment utilisées pour les sondes AFM conventionnelles, telles que l'étalonnage de la température, peuvent ne pas fournir un étalonnage précis du CP, et d'autres méthodes peuvent être nécessaires pour effectuer ces corrections57, 59, 60, 61. Les expériences d'indentation CP typiques utilisent de grandes déviations en porte-à-faux pour étudier les propriétés des échantillons mous, ce qui crée un autre problème lors de l'étalonnage du comportement non linéaire du cantilever à des écarts relativement importants62,63,64.Les méthodes modernes d'indentation de sonde colloïdale prennent généralement en compte la géométrie du porte-à-faux utilisé pour calibrer la sonde, mais ignorent l'influence des particules colloïdales, ce qui crée une incertitude supplémentaire quant à la précision de la méthode38,61.De même, les modules d'élasticité calculés par ajustement du modèle de contact dépendent directement de la géométrie de la sonde d'indentation, et une inadéquation entre les caractéristiques de la pointe et de la surface de l'échantillon peut conduire à des inexactitudes27, 65, 66, 67, 68. Certains travaux récents de Spencer et al.Les facteurs à prendre en compte lors de la caractérisation des brosses en polymère souple à l’aide de la méthode de nanoindentation CP-AFM sont mis en évidence.Ils ont rapporté que la rétention d'un fluide visqueux dans les brosses en polymère en fonction de la vitesse entraîne une augmentation de la charge sur la tête et donc différentes mesures des propriétés dépendant de la vitesse30,69,70,71.
Dans cette étude, nous avons caractérisé le module de surface du matériau ultra-doux et hautement élastique lehfilcon A CL en utilisant une méthode de nanoindentation AFM modifiée.Compte tenu des propriétés et de la nouvelle structure de ce matériau, la plage de sensibilité de la méthode d'indentation traditionnelle est clairement insuffisante pour caractériser le module de ce matériau extrêmement mou, il est donc nécessaire d'utiliser une méthode de nanoindentation AFM avec une sensibilité plus élevée et une sensibilité plus faible.niveau.Après avoir examiné les lacunes et les problèmes des techniques de nanoindentation de sonde AFM colloïdale existantes, nous montrons pourquoi nous avons choisi une sonde AFM plus petite et conçue sur mesure pour éliminer la sensibilité, le bruit de fond, localiser le point de contact et mesurer le module de vitesse de matériaux hétérogènes mous tels que la rétention d'eau. dépendance.et une quantification précise.De plus, nous avons pu mesurer avec précision la forme et les dimensions de la pointe d'indentation, ce qui nous a permis d'utiliser le modèle d'ajustement cône-sphère pour déterminer le module d'élasticité sans évaluer la zone de contact de la pointe avec le matériau.Les deux hypothèses implicites quantifiées dans ce travail sont les propriétés du matériau entièrement élastiques et le module indépendant de la profondeur d'indentation.À l’aide de cette méthode, nous avons d’abord testé des étalons ultra-doux avec un module connu pour quantifier la méthode, puis nous avons utilisé cette méthode pour caractériser les surfaces de deux matériaux de lentilles de contact différents.Cette méthode de caractérisation des surfaces de nanoindentation AFM avec une sensibilité accrue devrait être applicable à une large gamme de matériaux ultradoux hétérogènes biomimétiques avec une utilisation potentielle dans les dispositifs médicaux et les applications biomédicales.
Les lentilles de contact Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, États-Unis) et leurs substrats en silicone hydrogel ont été choisis pour des expériences de nanoindentation.Une monture d’objectif spécialement conçue a été utilisée dans l’expérience.Pour installer l'objectif à des fins de test, il a été soigneusement placé sur le support en forme de dôme, en s'assurant qu'aucune bulle d'air ne pénètre à l'intérieur, puis fixé avec les bords.Un trou dans le luminaire en haut du support de lentille permet d'accéder au centre optique de la lentille pour des expériences de nanoindentation tout en maintenant le liquide en place.Cela maintient les lentilles complètement hydratées.500 µl de solution d’emballage pour lentilles de contact ont été utilisés comme solution de test.Pour vérifier les résultats quantitatifs, des hydrogels de polyacrylamide non activé (PAAM) disponibles dans le commerce ont été préparés à partir d'une composition de polyacrylamide-co-méthylène-bisacrylamide (boîtes de Pétri Petrisoft de 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), un module d'élasticité connu de 1. kPa.Utilisez 4 à 5 gouttes (environ 125 µl) de solution saline tamponnée au phosphate (PBS de Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) et 1 goutte de solution pour lentilles de contact OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA).) à l’interface hydrogel-sonde AFM.
Des échantillons de substrats Lehfilcon A CL et SiHy ont été visualisés à l'aide d'un système de microscope électronique à balayage à émission de champ (FEG SEM) FEI Quanta 250 équipé d'un détecteur de microscope électronique à transmission à balayage (STEM).Pour préparer les échantillons, les lentilles ont d’abord été lavées à l’eau et découpées en quartiers en forme de tarte.Pour obtenir un contraste différentiel entre les composants hydrophiles et hydrophobes des échantillons, une solution stabilisée à 0, 10% de RuO4 a été utilisée comme colorant, dans laquelle les échantillons ont été immergés pendant 30 min.La coloration lehfilcon A CL RuO4 est importante non seulement pour obtenir un contraste différentiel amélioré, mais contribue également à préserver la structure des brosses polymères ramifiées dans leur forme originale, qui sont ensuite visibles sur les images STEM.Ils ont ensuite été lavés et déshydratés dans une série de mélanges éthanol/eau avec une concentration croissante en éthanol.Les échantillons ont ensuite été coulés avec de l'époxy EMBed 812/Araldite, qui a durci pendant une nuit à 70°C.Les blocs d'échantillons obtenus par polymérisation de résine ont été découpés avec un ultramicrotome et les sections minces résultantes ont été visualisées avec un détecteur STEM en mode faible vide à une tension d'accélération de 30 kV.Le même système SEM a été utilisé pour la caractérisation détaillée de la sonde AFM PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Des images SEM de la sonde AFM ont été obtenues dans un mode de vide poussé typique avec une tension accélératrice de 30 kV.Acquérez des images sous différents angles et grossissements pour enregistrer tous les détails de la forme et de la taille de la pointe de la sonde AFM.Toutes les dimensions de pointe intéressantes dans les images ont été mesurées numériquement.
Un microscope à force atomique Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, Californie, États-Unis) avec le mode «PeakForce QNM in Fluid» a été utilisé pour visualiser et nanoindenter des échantillons de lehfilcon A CL, de substrat SiHy et d'hydrogel PAAm.Pour les expériences d'imagerie, une sonde PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) avec un rayon de pointe nominal de 1 nm a été utilisée pour capturer des images haute résolution de l'échantillon à une fréquence de balayage de 0,50 Hz.Toutes les images ont été prises en solution aqueuse.
Des expériences de nanoindentation AFM ont été réalisées à l'aide d'une sonde PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).La sonde AFM possède une pointe en silicium sur un cantilever en nitrure de 345 nm d'épaisseur, 54 µm de long et 4,5 µm de large avec une fréquence de résonance de 45 kHz.Il est spécifiquement conçu pour caractériser et effectuer des mesures nanomécaniques quantitatives sur des échantillons biologiques mous.Les capteurs sont calibrés individuellement en usine avec des réglages de ressort pré-calibrés.Les constantes de ressort des sondes utilisées dans cette étude étaient comprises entre 0,05 et 0,1 N/m.Pour déterminer avec précision la forme et la taille de la pointe, la sonde a été caractérisée en détail à l’aide du SEM.Sur la fig.La figure 1a montre une micrographie électronique à balayage haute résolution et faible grossissement de la sonde PFQNM-LC-A-CAL, offrant une vue holistique de la conception de la sonde.Sur la fig.La figure 1b montre une vue agrandie du haut de la pointe de la sonde, fournissant des informations sur la forme et la taille de la pointe.À l'extrémité, l'aiguille est un hémisphère d'environ 140 nm de diamètre (Fig. 1c).En dessous, la pointe prend une forme conique, atteignant une longueur mesurée d'environ 500 nm.En dehors de la région effilée, la pointe est cylindrique et se termine par une longueur totale de pointe de 1,18 µm.Il s’agit de la principale partie fonctionnelle de la pointe de la sonde.De plus, une grande sonde sphérique en polystyrène (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) avec un diamètre de pointe de 45 µm et une constante de ressort de 2 N/m a également été utilisée pour les tests en tant que sonde colloïdale.avec sonde PFQNM-LC-A-CAL 140 nm pour comparaison.
Il a été rapporté que du liquide pouvait être piégé entre la sonde AFM et la structure de la brosse polymère lors de la nanoindentation, ce qui exercerait une force ascendante sur la sonde AFM avant qu'elle ne touche réellement la surface69.Cet effet d'extrusion visqueuse dû à la rétention de fluide peut modifier le point de contact apparent, affectant ainsi les mesures de module de surface.Pour étudier l'effet de la géométrie de la sonde et de la vitesse d'indentation sur la rétention de liquide, des courbes de force d'indentation ont été tracées pour des échantillons de lehfilcon A CL à l'aide d'une sonde de 140 nm de diamètre à des taux de déplacement constants de 1 µm/s et 2 µm/s.diamètre de la sonde 45 µm, réglage de la force fixe 6 nN obtenu à 1 µm/s.Des expériences avec une sonde de 140 nm de diamètre ont été réalisées à une vitesse d'indentation de 1 µm/s et une force définie de 300 pN, choisie pour créer une pression de contact dans la plage physiologique (1 à 8 kPa) de la paupière supérieure.pression 72. Des échantillons mous prêts à l'emploi d'hydrogel PAA avec une pression de 1 kPa ont été testés pour une force d'indentation de 50 pN à une vitesse de 1 μm/s à l'aide d'une sonde d'un diamètre de 140 nm.
Étant donné que la longueur de la partie conique de la pointe de la sonde PFQNM-LC-A-CAL est d'environ 500 nm, pour toute profondeur d'indentation < 500 nm, on peut supposer en toute sécurité que la géométrie de la sonde pendant l'indentation restera fidèle à sa géométrie. forme de cône.De plus, on suppose que la surface du matériau testé présentera une réponse élastique réversible, ce qui sera également confirmé dans les sections suivantes.Par conséquent, en fonction de la forme et de la taille de la pointe, nous avons choisi le modèle d'ajustement cône-sphère développé par Briscoe, Sebastian et Adams, disponible dans le logiciel du fournisseur, pour traiter nos expériences de nanoindentation AFM (NanoScope).Logiciel d'analyse des données de séparation, Bruker) 73. Le modèle décrit la relation force-déplacement F(δ) pour un cône présentant un défaut au sommet sphérique.Sur la fig.La figure 2 montre la géométrie de contact lors de l'interaction d'un cône rigide avec une pointe sphérique, où R est le rayon de la pointe sphérique, a est le rayon de contact, b est le rayon de contact à l'extrémité de la pointe sphérique, δ est le rayon de contact.profondeur d'indentation, θ est le demi-angle du cône.L'image SEM de cette sonde montre clairement que la pointe sphérique de 140 nm de diamètre se fond tangentiellement dans un cône, donc ici b est défini uniquement par R, c'est-à-dire b = R cos θ.Le logiciel fourni par le fournisseur fournit une relation cône-sphère pour calculer les valeurs du module d'Young (E) à partir des données de séparation des forces en supposant que a > b.Relation:
où F est la force d'indentation, E est le module d'Young, ν est le coefficient de Poisson.Le rayon de contact a peut être estimé en utilisant :
Schéma de la géométrie de contact d'un cône rigide avec une pointe sphérique pressée dans le matériau d'une lentille de contact Lefilcon avec une couche superficielle de brosses polymères ramifiées.
Si a ≤ b, la relation se réduit à l'équation d'un pénétrateur sphérique conventionnel ;
Nous pensons que l'interaction de la sonde d'indentation avec la structure ramifiée de la brosse polymère PMPC entraînera un rayon de contact a supérieur au rayon de contact sphérique b.Par conséquent, pour toutes les mesures quantitatives du module élastique effectuées dans cette étude, nous avons utilisé la dépendance obtenue pour le cas a > b.
Les matériaux biomimétiques ultra-doux étudiés dans cette étude ont été entièrement imagés à l'aide de la microscopie électronique à transmission par balayage (STEM) de la section efficace de l'échantillon et de la microscopie à force atomique (AFM) de la surface.Cette caractérisation détaillée de la surface a été réalisée dans le prolongement de nos travaux publiés précédemment, dans lesquels nous avons déterminé que la structure de brosse polymère dynamiquement ramifiée de la surface du lehfilcon A CL modifiée par PMPC présentait des propriétés mécaniques similaires à celles du tissu cornéen natif 14.C’est pour cette raison que nous appelons les surfaces des lentilles de contact des matériaux biomimétiques14.Sur la fig.Les figures 3a, b montrent des coupes transversales de structures de brosses en polymère PMPC ramifiées sur la surface d'un substrat lehfilcon A CL et d'un substrat SiHy non traité, respectivement.Les surfaces des deux échantillons ont ensuite été analysées à l'aide d'images AFM haute résolution, qui ont confirmé les résultats de l'analyse STEM (Fig. 3c, d).Prises ensemble, ces images donnent une longueur approximative de la structure de la brosse polymère ramifiée PMPC entre 300 et 400 nm, ce qui est essentiel pour l'interprétation des mesures de nanoindentation AFM.Une autre observation clé dérivée des images est que la structure globale de la surface du matériau biomimétique CL est morphologiquement différente de celle du matériau de substrat SiHy.Cette différence dans leur morphologie de surface peut devenir apparente lors de leur interaction mécanique avec la sonde AFM indentante et par la suite dans les valeurs de module mesurées.
Images STEM transversales de (a) lehfilcon A CL et (b) substrat SiHy.Barre d'échelle, 500 nm.Images AFM de la surface du substrat lehfilcon A CL (c) et du substrat de base SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Les polymères bioinspirés et les structures de brosses en polymères sont intrinsèquement doux et ont été largement étudiés et utilisés dans diverses applications biomédicales74,75,76,77.Par conséquent, il est important d’utiliser la méthode de nanoindentation AFM, qui permet de mesurer leurs propriétés mécaniques avec précision et fiabilité.Mais en même temps, les propriétés uniques de ces matériaux ultra-doux, telles qu'un module d'élasticité extrêmement faible, une teneur élevée en liquide et une élasticité élevée, rendent souvent difficile le choix du bon matériau, de la bonne forme et de la forme de la sonde d'indentation.taille.Ceci est important pour que le pénétrateur ne perce pas la surface molle de l'échantillon, ce qui entraînerait des erreurs dans la détermination du point de contact avec la surface et de la zone de contact.
Pour cela, une compréhension globale de la morphologie des matériaux biomimétiques ultra-doux (lehfilcon A CL) est essentielle.Les informations sur la taille et la structure des brosses polymères ramifiées obtenues à l’aide de la méthode d’imagerie constituent la base de la caractérisation mécanique de la surface à l’aide des techniques de nanoindentation AFM.Au lieu de sondes colloïdales sphériques de taille micronique, nous avons choisi la sonde en nitrure de silicium PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) avec un diamètre de pointe de 140 nm, spécialement conçue pour la cartographie quantitative des propriétés mécaniques des échantillons biologiques 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 La justification de l'utilisation de sondes relativement pointues par rapport aux sondes colloïdales conventionnelles peut s'expliquer par les caractéristiques structurelles du matériau.En comparant la taille de la pointe de la sonde (~ 140 nm) avec les brosses en polymère ramifié à la surface du CL lehfilcon A, illustrée sur la figure 3a, on peut conclure que la pointe est suffisamment grande pour entrer en contact direct avec ces structures de brosse, ce qui réduit le risque que la pointe les transperce.Pour illustrer ce point, la figure 4 montre une image STEM du lehfilcon A CL et de la pointe d'indentation de la sonde AFM (dessinée à l'échelle).
Schéma montrant l'image STEM du lehfilcon A CL et d'une sonde d'indentation ACM (dessinée à l'échelle).
De plus, la taille de la pointe de 140 nm est suffisamment petite pour éviter le risque d’effets d’extrusion collants précédemment signalés pour les brosses en polymère produites par la méthode de nanoindentation CP-AFM69,71.Nous supposons qu'en raison de la forme conique-sphérique spéciale et de la taille relativement petite de cette pointe AFM (Fig. 1), la nature de la courbe de force générée par la nanoindentation lehfilcon A CL ne dépendra pas de la vitesse d'indentation ou de la vitesse de chargement/déchargement. .Il n’est donc pas affecté par les effets poroélastiques.Pour tester cette hypothèse, des échantillons de lehfilcon A CL ont été indentés à une force maximale fixe à l'aide d'une sonde PFQNM-LC-A-CAL, mais à deux vitesses différentes, et les courbes de force de traction et de rétraction résultantes ont été utilisées pour tracer la force (nN). en séparation (µm) est illustré à la figure 5a.Il est clair que les courbes de force pendant le chargement et le déchargement se chevauchent complètement, et il n'y a aucune preuve claire que la force de cisaillement à une profondeur d'indentation nulle augmente avec la vitesse d'indentation sur la figure, ce qui suggère que les éléments individuels de la brosse ont été caractérisés sans effet poroélastique.En revanche, les effets de rétention de fluide (effets d'extrusion visqueuse et de poroélasticité) sont évidents pour la sonde AFM de 45 µm de diamètre à la même vitesse d'indentation et sont mis en évidence par l'hystérésis entre les courbes d'étirement et de rétraction, comme le montre la figure 5b.Ces résultats soutiennent l'hypothèse et suggèrent que les sondes de 140 nm de diamètre constituent un bon choix pour caractériser de telles surfaces molles.
courbes de force d'indentation lehfilcon A CL utilisant ACM ;(a) utiliser une sonde d'un diamètre de 140 nm à deux taux de chargement, démontrant l'absence d'effet poroélastique lors de l'indentation de surface ;(b) en utilisant des sondes d'un diamètre de 45 µm et 140 nm.Les graphiques montrent les effets de l'extrusion visqueuse et de la poroélasticité des grandes sondes par rapport aux sondes plus petites.
Pour caractériser les surfaces ultradouces, les méthodes de nanoindentation AFM doivent disposer de la meilleure sonde pour étudier les propriétés du matériau étudié.Outre la forme et la taille de la pointe, la sensibilité du système de détection AFM, la sensibilité à la déviation de la pointe dans l'environnement de test et la rigidité en porte-à-faux jouent un rôle important dans la détermination de la précision et de la fiabilité de la nanoindentation.des mesures.Pour notre système AFM, la limite de détection du détecteur sensible à la position (PSD) est d'environ 0,5 mV et est basée sur la raideur du ressort pré-calibrée et la sensibilité de déflexion du fluide calculée de la sonde PFQNM-LC-A-CAL, qui correspond à la sensibilité théorique à la charge.est inférieur à 0,1 pN.Par conséquent, cette méthode permet de mesurer une force d’indentation minimale ≤ 0,1 pN sans aucune composante de bruit périphérique.Cependant, il est presque impossible pour un système AFM de réduire le bruit périphérique à ce niveau en raison de facteurs tels que les vibrations mécaniques et la dynamique des fluides.Ces facteurs limitent la sensibilité globale de la méthode de nanoindentation AFM et entraînent également un signal de bruit de fond d'environ ≤ 10 pN.Pour la caractérisation de la surface, des échantillons de substrats Lehfilcon A CL et SiHy ont été indentés dans des conditions complètement hydratées à l'aide d'une sonde de 140 nm pour la caractérisation SEM, et les courbes de force résultantes ont été superposées entre la force (pN) et la pression.Le tracé de séparation (µm) est illustré à la figure 6a.Par rapport au substrat de base SiHy, la courbe de force lehfilcon A CL montre clairement une phase de transition commençant au point de contact avec la brosse polymère fourchue et se terminant par un changement brusque du contact de marquage de pente de la pointe avec le matériau sous-jacent.Cette partie transitionnelle de la courbe de force met en évidence le comportement véritablement élastique de la brosse polymère ramifiée sur la surface, comme en témoigne la courbe de compression qui suit de près la courbe de tension et le contraste des propriétés mécaniques entre la structure de la brosse et le matériau SiHy volumineux.En comparant lefilcon.Séparation de la longueur moyenne d'une brosse polymère ramifiée dans l'image STEM du PCS (Fig. 3a) et de sa courbe de force en abscisse sur la Fig. 3a.La figure 6a montre que la méthode est capable de détecter la pointe et le polymère ramifié atteignant le sommet de la surface.Contact entre les structures des brosses.De plus, un chevauchement étroit des courbes de force indique l’absence d’effet de rétention de liquide.Dans ce cas, il n’y a absolument aucune adhérence entre l’aiguille et la surface de l’échantillon.Les sections supérieures des courbes de force des deux échantillons se chevauchent, reflétant la similitude des propriétés mécaniques des matériaux du substrat.
(a) Courbes de force de nanoindentation AFM pour les substrats lehfilcon A CL et les substrats SiHy, (b) courbes de force montrant l'estimation du point de contact à l'aide de la méthode du seuil de bruit de fond.
Afin d'étudier les détails les plus fins de la courbe de force, la courbe de tension de l'échantillon de lehfilcon A CL est retracée sur la figure 6b avec une force maximale de 50 pN le long de l'axe y.Ce graphique fournit des informations importantes sur le bruit de fond d'origine.Le bruit est de l'ordre de ±10 pN, qui est utilisé pour déterminer avec précision le point de contact et calculer la profondeur d'indentation.Comme indiqué dans la littérature, l'identification des points de contact est essentielle pour évaluer avec précision les propriétés des matériaux telles que le module85.Une approche impliquant le traitement automatique des données de courbe de force a montré une meilleure adéquation entre l’ajustement des données et les mesures quantitatives pour les matériaux mous86.Dans ce travail, notre choix de points de contact est relativement simple et objectif, mais il a ses limites.Notre approche conservatrice pour déterminer le point de contact peut entraîner des valeurs de module légèrement surestimées pour des profondeurs d'indentation plus petites (< 100 nm).L’utilisation de la détection des points de contact basée sur un algorithme et du traitement automatisé des données pourrait s’inscrire dans la continuité de ces travaux à l’avenir pour améliorer encore notre méthode.Ainsi, pour un bruit de fond intrinsèque de l'ordre de ± 10 pN, nous définissons le point de contact comme le premier point de données sur l'axe des x sur la figure 6b avec une valeur ≥ 10 pN.Ensuite, conformément au seuil de bruit de 10 pN, une ligne verticale au niveau de ~ 0,27 µm marque le point de contact avec la surface, après quoi la courbe d'étirement se poursuit jusqu'à ce que le substrat atteigne la profondeur d'indentation de ~ 270 nm.Il est intéressant de noter que, sur la base de la taille des caractéristiques de la brosse polymère ramifiée (300 à 400 nm) mesurées à l'aide de la méthode d'imagerie, la profondeur d'indentation du CL lehfilcon Un échantillon observé à l'aide de la méthode du seuil de bruit de fond est d'environ 270 nm, ce qui est très proche de la taille de mesure avec STEM.Ces résultats confirment en outre la compatibilité et l'applicabilité de la forme et de la taille de la pointe de la sonde AFM pour l'indentation de cette structure de brosse polymère ramifiée très douce et hautement élastique.Ces données fournissent également des preuves solides à l’appui de notre méthode consistant à utiliser le bruit de fond comme seuil pour identifier les points de contact.Ainsi, tous les résultats quantitatifs obtenus à partir de la modélisation mathématique et de l’ajustement de la courbe de force doivent être relativement précis.
Les mesures quantitatives par les méthodes de nanoindentation AFM dépendent entièrement des modèles mathématiques utilisés pour la sélection des données et leur analyse ultérieure.Par conséquent, il est important de prendre en compte tous les facteurs liés au choix du pénétrateur, aux propriétés des matériaux et à la mécanique de leur interaction avant de choisir un modèle particulier.Dans ce cas, la géométrie de la pointe a été soigneusement caractérisée à l'aide de micrographies SEM (Fig. 1) et, sur la base des résultats, la sonde nanoindentante AFM de 140 nm de diamètre avec un cône dur et une géométrie de pointe sphérique est un bon choix pour caractériser les échantillons de lehfilcon A CL79. .Un autre facteur important qui doit être soigneusement évalué est l’élasticité du matériau polymère testé.Bien que les données initiales de nanoindentation (Fig. 5a et 6a) soulignent clairement les caractéristiques du chevauchement des courbes de tension et de compression, c'est-à-dire la récupération élastique complète du matériau, il est extrêmement important de confirmer la nature purement élastique des contacts. .À cette fin, deux indentations successives ont été réalisées au même endroit sur la surface de l’échantillon de lehfilcon A CL à une vitesse d’indentation de 1 µm/s dans des conditions d’hydratation complète.Les données de courbe de force résultantes sont présentées sur la fig.7 et, comme prévu, les courbes d'expansion et de compression des deux impressions sont presque identiques, mettant en évidence la grande élasticité de la structure de la brosse polymère ramifiée.
Deux courbes de force d'indentation au même endroit sur la surface du lehfilcon A CL indiquent l'élasticité idéale de la surface de la lentille.
Sur la base des informations obtenues à partir des images SEM et STEM de la pointe de la sonde et de la surface du lehfilcon A CL, respectivement, le modèle cône-sphère est une représentation mathématique raisonnable de l'interaction entre la pointe de la sonde AFM et le matériau polymère souple testé.De plus, pour ce modèle cône-sphère, les hypothèses fondamentales sur les propriétés élastiques du matériau imprimé sont vraies pour ce nouveau matériau biomimétique et sont utilisées pour quantifier le module élastique.
Après une évaluation complète de la méthode de nanoindentation AFM et de ses composants, y compris les propriétés de la sonde d'indentation (forme, taille et rigidité du ressort), la sensibilité (bruit de fond et estimation du point de contact) et les modèles d'ajustement des données (mesures quantitatives du module), la méthode a été utilisé.caractériser des échantillons ultra-doux disponibles dans le commerce pour vérifier les résultats quantitatifs.Un hydrogel commercial de Polyacrylamide (PAAM) avec un module élastique de 1 kPa a été testé dans des conditions hydratées à l'aide d'une sonde de 140 nm.Les détails des tests et des calculs des modules sont fournis dans les informations supplémentaires.Les résultats ont montré que le module moyen mesuré était de 0,92 kPa et que le %RSD et le pourcentage (%) d'écart par rapport au module connu étaient inférieurs à 10 %.Ces résultats confirment la précision et la reproductibilité de la méthode de nanoindentation AFM utilisée dans ce travail pour mesurer les modules de matériaux ultra-doux.Les surfaces des échantillons de lehfilcon A CL et du substrat de base SiHy ont ensuite été caractérisées en utilisant la même méthode de nanoindentation AFM pour étudier le module de contact apparent de la surface ultra-douce en fonction de la profondeur d'indentation.Des courbes de séparation des forces d’indentation ont été générées pour trois échantillons de chaque type (n = 3 ; une indentation par échantillon) à une force de 300 pN, une vitesse de 1 µm/s et une hydratation complète.La courbe de partage de la force d'indentation a été approximée à l'aide d'un modèle cône-sphère.Pour obtenir un module en fonction de la profondeur d'indentation, une partie de 40 nm de large de la courbe de force a été définie à chaque incrément de 20 nm à partir du point de contact et les valeurs mesurées du module à chaque étape de la courbe de force.SpinCy et al.Une approche similaire a été utilisée pour caractériser le gradient de module des brosses en polymère poly (méthacrylate de lauryle) (P12MA) à l'aide de la nanoindentation d'une sonde AFM colloïdale, et elles sont cohérentes avec les données utilisant le modèle de contact Hertz.Cette approche fournit un tracé du module de contact apparent (kPa) en fonction de la profondeur d'indentation (nm), comme le montre la figure 8, qui illustre le module de contact apparent/gradient de profondeur.Le module d'élasticité calculé de l'échantillon CL lehfilcon A est compris entre 2 et 3 kPa dans les 100 nm supérieurs de l'échantillon, au-delà duquel il commence à augmenter avec la profondeur.D'autre part, lors du test du substrat de base SiHy sans film en forme de brosse sur la surface, la profondeur d'indentation maximale obtenue avec une force de 300 pN est inférieure à 50 nm et la valeur du module obtenue à partir des données est d'environ 400 kPa. , ce qui est comparable aux valeurs du module d'Young pour les matériaux en vrac.
Module de contact apparent (kPa) en fonction de la profondeur d'indentation (nm) pour les substrats lehfilcon A CL et SiHy utilisant la méthode de nanoindentation AFM avec géométrie cône-sphère pour mesurer le module.
La surface supérieure de la nouvelle structure de brosse en polymère ramifié biomimétique présente un module d'élasticité extrêmement faible (2 à 3 kPa).Cela correspondra à l'extrémité libre pendante de la brosse polymère fourchue, comme indiqué dans l'image STEM.Bien qu'il existe des preuves d'un gradient de module au bord extérieur du CL, le substrat principal à module élevé est plus influent.Cependant, les 100 nm supérieurs de la surface se situent à moins de 20 % de la longueur totale de la brosse polymère ramifiée, il est donc raisonnable de supposer que les valeurs mesurées du module dans cette plage de profondeur d'indentation sont relativement précises et ne sont pas fortement influencées. dépendent de l'effet de l'objet du bas.
En raison de la conception biomimétique unique des lentilles de contact Lehfilcon A, constituées de structures de brosses en polymère PMPC ramifiées greffées sur la surface de substrats SiHy, il est très difficile de caractériser de manière fiable les propriétés mécaniques de leurs structures de surface à l'aide des méthodes de mesure traditionnelles.Nous présentons ici une méthode avancée de nanoindentation AFM pour caractériser avec précision des matériaux ultra-doux tels que le lefilcon A avec une teneur élevée en eau et une élasticité extrêmement élevée.Cette méthode est basée sur l’utilisation d’une sonde AFM dont la taille et la géométrie de la pointe sont soigneusement choisies pour correspondre aux dimensions structurelles des caractéristiques de surface ultra-douces à imprimer.Cette combinaison de dimensions entre la sonde et la structure offre une sensibilité accrue, nous permettant de mesurer le faible module et les propriétés élastiques inhérentes des éléments de brosse en polymère ramifié, quels que soient les effets poroélastiques.Les résultats ont montré que les brosses en polymère PMPC ramifié uniques, caractéristiques de la surface de la lentille, présentaient un module d'élasticité extrêmement faible (jusqu'à 2 kPa) et une élasticité très élevée (près de 100 %) lorsqu'elles étaient testées dans un environnement aqueux.Les résultats de la nanoindentation AFM nous ont également permis de caractériser le gradient apparent module de contact/profondeur (30 kPa/200 nm) de la surface de la lentille biomimétique.Ce gradient peut être dû à la différence de module entre les brosses polymères ramifiées et le substrat SiHy, ou à la structure/densité ramifiée des brosses polymères, ou à une combinaison de ceux-ci.Cependant, des études plus approfondies sont nécessaires pour bien comprendre la relation entre la structure et les propriétés, en particulier l'effet de la ramification des brosses sur les propriétés mécaniques.Des mesures similaires peuvent aider à caractériser les propriétés mécaniques de la surface d’autres matériaux ultra-doux et dispositifs médicaux.
Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès des auteurs respectifs sur demande raisonnable.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. et Haugen, HJ Réactions biologiques aux propriétés physiques et chimiques des surfaces de biomatériaux.Chimique.société.Éd.49, 5178-5224 (2020).
Chen, FM et Liu, X. Amélioration des biomatériaux d'origine humaine pour l'ingénierie tissulaire.la programmation.polymère.la science.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et coll.Conception, mise en œuvre clinique et réponse immunitaire de biomatériaux en médecine régénérative.National Matt Rev.1, 16040 (2016).
Oliver WK et Farr GM Une méthode améliorée pour déterminer la dureté et le module élastique à l'aide d'expériences d'indentation avec des mesures de charge et de déplacement.J. Alma mater.réservoir de stockage.7, 1564-1583 (2011).
Wally, SM Origines historiques des tests de dureté par indentation.mère nourricière.la science.les technologies.28, 1028-1044 (2012).
Broitman, E. Mesures de dureté par indentation à l'échelle macro, micro et nano : une revue critique.tribu.Wright.65, 1-18 (2017).
Kaufman, JD et Clapperich, SM Les erreurs de détection de surface conduisent à une surestimation du module dans la nanoindentation des matériaux mous.J. Mecha.Comportement.Science biomédicale.mère nourricière.2, 312-317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR et Yahya M.Yu.Évaluation de la méthode de nanoindentation pour déterminer les caractéristiques mécaniques de nanocomposites hétérogènes à l'aide de méthodes expérimentales et informatiques.la science.Maison 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR et Owart, TS Caractérisation mécanique de gels viscoélastiques mous par analyse par éléments finis inverses basée sur l'indentation et l'optimisation.J. Mecha.Comportement.Science biomédicale.mère nourricière.2, 355-363 (2009).
Andrews JW, Bowen J et Chaneler D. Optimisation de la détermination de la viscoélasticité à l'aide de systèmes de mesure compatibles.Matière molle 9, 5581-5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. et Pellillo, E. Nanoindentation de surfaces polymères.J. Physique.D. Postuler pour la physique.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. et Van Vliet KJ Caractérisation des propriétés mécaniques viscoélastiques de polymères hautement élastiques et de tissus biologiques par indentation par choc.Journal des biomatériaux.71, 388-397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Évaluation du module d'élasticité et du travail d'adhésion de matériaux mous à l'aide de la méthode étendue de Borodich-Galanov (BG) et de l'indentation profonde.fourrure.mère nourricière.129, 198-213 (2019).
Shi, X. et coll.Morphologie à l'échelle nanométrique et propriétés mécaniques des surfaces polymères biomimétiques des lentilles de contact en silicone hydrogel.Langmuir 37, 13961-13967 (2021).