Grazas por visitar Nature.com.Estás a usar unha versión do navegador con compatibilidade limitada de CSS.Para obter a mellor experiencia, recomendámosche que utilices un navegador actualizado (ou que desactives o modo de compatibilidade en Internet Explorer).Ademais, para garantir a asistencia continua, mostramos o sitio sen estilos e JavaScript.
Mostra un carrusel de tres diapositivas á vez.Use os botóns Anterior e Seguinte para moverse por tres diapositivas á vez, ou use os botóns deslizantes ao final para moverse por tres diapositivas á vez.
Co desenvolvemento de novos materiais ultra brandos para dispositivos médicos e aplicacións biomédicas, a caracterización completa das súas propiedades físicas e mecánicas é importante e desafiante.Aplicouse unha técnica de nanoindentación de microscopía de forza atómica modificada (AFM) para caracterizar o módulo superficial extremadamente baixo da nova lente de contacto de hidroxel de silicona biomimética lehfilcon recuberta cunha capa de estruturas de cepillo de polímero ramificado.Este método permite a determinación precisa dos puntos de contacto sen os efectos da extrusión viscosa ao achegarse a polímeros ramificados.Ademais, permite determinar as características mecánicas dos elementos individuais do cepillo sen o efecto da poroelasticidade.Isto conséguese seleccionando unha sonda AFM cun deseño (tamaño da punta, xeometría e taxa de resorte) especialmente axeitado para medir as propiedades de materiais brandos e mostras biolóxicas.Este método mellora a sensibilidade e precisión para a medición precisa do material moi brando lehfilcon A, que ten un módulo de elasticidade extremadamente baixo na superficie (ata 2 kPa) e unha elasticidade extremadamente alta no ambiente acuoso interno (case o 100%). .Os resultados do estudo da superficie non só revelaron as propiedades de superficie ultrasuave da lente lehfilcon A, senón que tamén mostraron que o módulo dos cepillos de polímero ramificado era comparable ao do substrato de silicio e hidróxeno.Esta técnica de caracterización de superficies pódese aplicar a outros materiais ultra brandos e dispositivos médicos.
As propiedades mecánicas dos materiais deseñados para o contacto directo co tecido vivo adoitan estar determinadas polo medio biolóxico.A combinación perfecta destas propiedades do material axuda a acadar as características clínicas desexadas do material sen causar respostas celulares adversas1,2,3.Para materiais homoxéneos a granel, a caracterización das propiedades mecánicas é relativamente sinxela debido á dispoñibilidade de procedementos estándar e métodos de proba (por exemplo, microindentación4,5,6).Non obstante, para materiais ultra brandos como xeles, hidroxeles, biopolímeros, células vivas, etc., estes métodos de proba xeralmente non son aplicables debido ás limitacións de resolución das medicións e á falta de homoxeneidade dalgúns materiais7.Co paso dos anos, os métodos tradicionais de sangría foron modificados e adaptados para caracterizar unha ampla gama de materiais brandos, pero moitos métodos aínda sofren graves deficiencias que limitan o seu uso8,9,10,11,12,13.A falta de métodos de proba especializados que poidan caracterizar con precisión e fiabilidade as propiedades mecánicas dos materiais superbrandos e das capas superficiais limita severamente o seu uso en varias aplicacións.
No noso traballo anterior, introducimos a lente de contacto lehfilcon A (CL), un material heteroxéneo suave con todas as propiedades de superficie ultrasuave derivadas de deseños potencialmente biomiméticos inspirados na superficie da córnea do ollo.Este biomaterial foi desenvolvido mediante o enxerto dunha capa de polímero ramificado e reticulado de poli(2-metacriloiloxietilfosforilcolina (MPC)) (PMPC) nun hidroxel de silicona (SiHy) 15 deseñado para dispositivos médicos baseados.Este proceso de enxerto crea unha capa na superficie que consiste nunha estrutura de cepillo polimérico ramificado moi suave e moi elástica.O noso traballo anterior confirmou que a estrutura biomimética do lehfilcon A CL proporciona propiedades de superficie superiores, como unha mellora da prevención de humectación e ensuciamento, aumento da lubricidade e redución da adhesión celular e bacteriana15,16.Ademais, o uso e desenvolvemento deste material biomimético tamén suxire unha maior expansión a outros dispositivos biomédicos.Polo tanto, é fundamental caracterizar as propiedades da superficie deste material ultra brando e comprender a súa interacción mecánica co ollo para crear unha base de coñecemento completa para apoiar futuros desenvolvementos e aplicacións.A maioría das lentes de contacto SiHy dispoñibles no comercio están compostas por unha mestura homoxénea de polímeros hidrófilos e hidrófobos que forman unha estrutura de material uniforme17.Realizáronse varios estudos para investigar as súas propiedades mecánicas utilizando os métodos tradicionais de proba de compresión, tracción e microindentación18,19,20,21.Non obstante, o novo deseño biomimético de lehfilcon A CL convérteo nun material heteroxéneo único no que as propiedades mecánicas das estruturas de cepillo de polímero ramificado difiren significativamente das do substrato de base SiHy.Polo tanto, é moi difícil cuantificar con precisión estas propiedades mediante métodos convencionais e de sangría.Un método prometedor utiliza o método de proba de nanoindentación implementado na microscopía de forza atómica (AFM), un método que se utilizou para determinar as propiedades mecánicas de materiais viscoelásticos brandos como células e tecidos biolóxicos, así como polímeros brandos22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.Na nanoindentación AFM, os fundamentos das probas de nanoindentación combínanse cos últimos avances na tecnoloxía AFM para proporcionar unha maior sensibilidade de medida e probas dunha ampla gama de materiais inherentemente supersuave31,32,33,34,35,36.Ademais, a tecnoloxía ofrece outras importantes vantaxes mediante o uso de diferentes xeometrías.indentador e sonda e a posibilidade de probar en diversos medios líquidos.
A nanoindentación AFM pódese dividir condicionalmente en tres compoñentes principais: (1) equipos (sensores, detectores, sondas, etc.);(2) parámetros de medición (como forza, desprazamento, velocidade, tamaño da rampla, etc.);(3) Tratamento de datos (corrección de referencia, estimación de puntos de contacto, axuste de datos, modelado, etc.).Un problema significativo con este método é que varios estudos da literatura que utilizan a nanoindentación AFM informan de resultados cuantitativos moi diferentes para a mesma mostra/célula/tipo de material37,38,39,40,41.Por exemplo, Lekka et al.Estudouse e comparouse a influencia da xeometría da sonda AFM no módulo de Young medido de mostras de hidroxel mecánicamente homoxéneo e células heteroxéneas.Informan que os valores do módulo dependen moito da selección do cantilever e da forma da punta, co valor máis alto para unha sonda en forma de pirámide e o valor máis baixo de 42 para unha sonda esférica.Do mesmo xeito, Selhuber-Unkel et al.Mostrouse como a velocidade do penetrador, o tamaño e o grosor do penetrador das mostras de poliacrilamida (PAAM) afectan ao módulo de Young medido mediante nanoindentación ACM43.Outro factor complicante é a falta de materiais de proba de módulo extremadamente baixo estándar e procedementos de proba gratuítos.Isto fai que sexa moi difícil obter resultados precisos con confianza.Non obstante, o método é moi útil para medicións relativas e avaliacións comparativas entre tipos de mostras similares, por exemplo usando a nanoindentación AFM para distinguir as células normais das células cancerosas 44, 45 .
Cando se proban materiais brandos con nanoindentación AFM, unha regra xeral é usar unha sonda cunha constante de resorte baixa (k) que coincida estreitamente co módulo da mostra e unha punta hemisférica/redonda para que a primeira sonda non perfore as superficies da mostra. primeiro contacto con materiais brandos.Tamén é importante que o sinal de desviación xerado pola sonda sexa o suficientemente forte como para ser detectado polo sistema detector láser24,34,46,47.No caso de células, tecidos e xeles heteroxéneos ultra brandos, outro reto é superar a forza adhesiva entre a sonda e a superficie da mostra para garantir medicións reproducibles e fiables48,49,50.Ata hai pouco, a maioría dos traballos sobre nanoindentación AFM centráronse no estudo do comportamento mecánico de células biolóxicas, tecidos, xeles, hidroxeles e biomoléculas utilizando sondas esféricas relativamente grandes, comúnmente coñecidas como sondas coloidais (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Estas puntas teñen un radio de 1 a 50 µm e normalmente están feitas de vidro borosilicato, polimetilmetacrilato (PMMA), poliestireno (PS), dióxido de silicio (SiO2) e diamante. como o carbono (DLC).Aínda que a nanoindentación CP-AFM adoita ser a primeira opción para a caracterización de mostras suaves, ten os seus propios problemas e limitacións.O uso de puntas esféricas grandes e de tamaño micrón aumenta a área de contacto total da punta coa mostra e resulta nunha perda significativa de resolución espacial.Para exemplares brandos e non homoxéneos, onde as propiedades mecánicas dos elementos locais poden diferir significativamente da media nunha área máis ampla, a sangría CP pode ocultar calquera inhomoxenidade nas propiedades a escala local52.As sondas coloidais fanse normalmente unindo esferas coloidais de tamaño de micras a cantilevers sen puntas usando adhesivos epoxi.O proceso de fabricación en si está cheo de moitos problemas e pode provocar inconsistencias no proceso de calibración da sonda.Ademais, o tamaño e a masa das partículas coloidais afectan directamente aos principais parámetros de calibración do cantilever, como a frecuencia de resonancia, a rixidez do resorte e a sensibilidade á deflexión56,57,58.Así, os métodos de uso común para sondas AFM convencionais, como a calibración de temperatura, poden non proporcionar unha calibración precisa para CP, e poden ser necesarios outros métodos para realizar estas correccións57, 59, 60, 61. Os experimentos típicos de sangría de CP usan grandes desviacións en voladizo para estudar as propiedades das mostras brandas, o que crea outro problema á hora de calibrar o comportamento non lineal do cantilever en desviacións relativamente grandes62,63,64.Os métodos modernos de sangría de sondas coloidais adoitan ter en conta a xeometría do cantilever usado para calibrar a sonda, pero ignoran a influencia das partículas coloidais, o que crea incerteza adicional na precisión do método38,61.Do mesmo xeito, os módulos elásticos calculados polo axuste do modelo de contacto dependen directamente da xeometría da sonda de sangría, e a falta de coincidencia entre as características da superficie da punta e da mostra pode provocar imprecisións27, 65, 66, 67, 68. Algúns traballos recentes de Spencer et al.Destacan os factores que se deben ter en conta á hora de caracterizar cepillos de polímero brando mediante o método de nanoindentación CP-AFM.Informaron de que a retención dun fluído viscoso nos cepillos de polímero en función da velocidade ten como resultado un aumento da carga da cabeza e, polo tanto, diferentes medicións das propiedades dependentes da velocidade30,69,70,71.
Neste estudo, caracterizamos o módulo superficial do material ultrasuave altamente elástico lehfilcon A CL mediante un método de nanoindentación AFM modificado.Dadas as propiedades e a nova estrutura deste material, o rango de sensibilidade do método tradicional de sangría é claramente insuficiente para caracterizar o módulo deste material extremadamente brando, polo que é necesario utilizar un método de nanoindentación AFM con maior sensibilidade e menor sensibilidade.nivel.Despois de revisar as deficiencias e problemas das técnicas existentes de nanoindentación da sonda AFM coloidal, mostramos por que escollemos unha sonda AFM máis pequena e deseñado a medida para eliminar a sensibilidade, o ruído de fondo, o punto de contacto preciso, medir o módulo de velocidade de materiais heteroxéneos brandos como a retención de fluídos. dependencia.e cuantificación precisa.Ademais, puidemos medir con precisión a forma e as dimensións da punta de sangría, o que nos permitiu utilizar o modelo de axuste de cono-esfera para determinar o módulo de elasticidade sen avaliar a área de contacto da punta co material.Os dous supostos implícitos que se cuantifican neste traballo son as propiedades do material totalmente elástico e o módulo independente da profundidade da sangría.Usando este método, primeiro probamos estándares ultrasuaves cun módulo coñecido para cuantificar o método, e despois utilizamos este método para caracterizar as superficies de dous materiais de lentes de contacto diferentes.Espérase que este método de caracterización de superficies de nanoindentación AFM con maior sensibilidade sexa aplicable a unha ampla gama de materiais biomiméticos heteroxéneos ultrabrandos con uso potencial en dispositivos médicos e aplicacións biomédicas.
Para os experimentos de nanoindentación escolléronse as lentes de contacto Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, EUA) e os seus substratos de hidroxel de silicona.No experimento utilizouse unha montura de lente especialmente deseñada.Para instalar a lente para a proba, colocouse coidadosamente no soporte en forma de cúpula, asegurándose de que non entrasen burbullas de aire, e logo fixouse cos bordos.Un orificio no accesorio na parte superior do soporte da lente proporciona acceso ao centro óptico da lente para experimentos de nanoindentación mentres mantén o líquido no seu lugar.Isto mantén as lentes completamente hidratadas.Utilizáronse 500 μl de solución de envasado de lentes de contacto como solución de proba.Para verificar os resultados cuantitativos, preparáronse hidroxeles de poliacrilamida non activada (PAAM) dispoñibles comercialmente a partir dunha composición de poliacrilamida-co-metileno-bisacrilamida (placas Petrisoft de 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, EUA), un módulo elástico coñecido de 1. kPa.Use 4-5 gotas (aproximadamente 125 µl) de solución salina tamponada con fosfato (PBS de Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, EUA) e 1 gota de solución para lentes de contacto OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, EUA).) na interface hidroxel-sonda AFM.
As mostras de substratos de Lehfilcon A CL e SiHy foron visualizadas mediante un sistema de microscopio electrónico de varrido de emisión de campo FEI Quanta 250 (FEG SEM) equipado cun detector de microscopio electrónico de transmisión de varrido (STEM).Para preparar as mostras, primeiro lavábanse as lentes con auga e cortábanse en cuñas en forma de empanada.Para conseguir un contraste diferencial entre os compoñentes hidrófilos e hidrófobos das mostras, utilizouse como colorante unha solución estabilizada ao 0,10% de RuO4, na que se mergullaron as mostras durante 30 min.A tinción de lehfilcon A CL RuO4 é importante non só para mellorar o contraste diferencial, senón que tamén axuda a preservar a estrutura dos cepillos de polímero ramificado na súa forma orixinal, que logo son visibles nas imaxes STEM.Despois lavábanse e deshidratábanse nunha serie de mesturas de etanol/auga cunha concentración crecente de etanol.A continuación, as mostras foron fundidas con epoxi EMBed 812/Araldite, que se cura durante a noite a 70 °C.Os bloques de mostra obtidos pola polimerización de resina cortáronse cun ultramicrótomo, e as seccións finas resultantes visualizáronse cun detector STEM en modo de baixo baleiro a unha tensión de aceleración de 30 kV.Utilizouse o mesmo sistema SEM para a caracterización detallada da sonda AFM PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, EUA).As imaxes SEM da sonda AFM obtivéronse nun modo típico de alto baleiro cunha tensión de aceleración de 30 kV.Adquirir imaxes en diferentes ángulos e aumentos para rexistrar todos os detalles da forma e tamaño da punta da sonda AFM.Todas as dimensións da punta de interese nas imaxes foron medidas dixitalmente.
Utilizouse un microscopio de forza atómica Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Bárbara, CA, EUA) co modo "PeakForce QNM in Fluid" para visualizar e nanoindentar mostras de lehfilcon A CL, substrato SiHy e PAAm hidroxel.Para os experimentos de imaxe, utilizouse unha sonda PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) cun raio de punta nominal de 1 nm para capturar imaxes de alta resolución da mostra a unha velocidade de exploración de 0,50 Hz.Todas as imaxes foron tomadas en solución acuosa.
Os experimentos de nanoindentación AFM realizáronse mediante unha sonda PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).A sonda AFM ten unha punta de silicio nun cantilever de nitruro de 345 nm de espesor, 54 µm de longo e 4,5 µm de ancho cunha frecuencia de resonancia de 45 kHz.Está deseñado especificamente para caracterizar e realizar medicións nanomecánicas cuantitativas en mostras biolóxicas brandas.Os sensores están calibrados individualmente de fábrica con axustes de resorte precalibrados.As constantes de resorte das sondas utilizadas neste estudo estaban no intervalo de 0,05-0,1 N/m.Para determinar con precisión a forma e o tamaño da punta, a sonda caracterizouse en detalle mediante SEM.Sobre a fig.A figura 1a mostra unha micrografía electrónica de varrido de alta resolución e baixo aumento da sonda PFQNM-LC-A-CAL, que ofrece unha visión holística do deseño da sonda.Sobre a fig.A figura 1b mostra unha vista ampliada da parte superior da punta da sonda, proporcionando información sobre a forma e o tamaño da punta.No extremo extremo, a agulla é un hemisferio duns 140 nm de diámetro (Fig. 1c).Por debaixo desta, a punta vaise reducindo a unha forma cónica, alcanzando unha lonxitude medida de aproximadamente 500 nm.Fóra da rexión estreita, a punta é cilíndrica e remata cunha lonxitude total de punta de 1,18 µm.Esta é a principal parte funcional da punta da sonda.Ademais, unha gran sonda esférica de poliestireno (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, EUA) cun diámetro de punta de 45 µm e unha constante de resorte de 2 N/m tamén se utilizou para probar como sonda coloidal.con sonda PFQNM-LC-A-CAL de 140 nm para comparación.
Informeuse de que o líquido pode quedar atrapado entre a sonda AFM e a estrutura do cepillo de polímero durante a nanoindentación, o que exercerá unha forza ascendente sobre a sonda AFM antes de que realmente toque a superficie69.Este efecto de extrusión viscosa debido á retención de fluídos pode cambiar o punto de contacto aparente, afectando así as medicións do módulo de superficie.Para estudar o efecto da xeometría da sonda e da velocidade de indentación na retención de fluídos, trazáronse curvas de forza de indentación para mostras de lehfilcon A CL usando unha sonda de 140 nm de diámetro a velocidades de desprazamento constantes de 1 µm/s e 2 µm/s.diámetro da sonda 45 µm, configuración de forza fixa 6 nN conseguida a 1 µm/s.Realizáronse experimentos cunha sonda de 140 nm de diámetro a unha velocidade de indentación de 1 µm/s e unha forza establecida de 300 pN, escollida para crear unha presión de contacto dentro do rango fisiolóxico (1-8 kPa) da pálpebra superior.presión 72. Probáronse mostras brandas de hidroxel de PAA cunha presión de 1 kPa cunha forza de indentación de 50 pN a unha velocidade de 1 μm/s utilizando unha sonda cun diámetro de 140 nm.
Dado que a lonxitude da parte cónica da punta da sonda PFQNM-LC-A-CAL é de aproximadamente 500 nm, para calquera profundidade de sangría < 500 nm pódese asumir con seguridade que a xeometría da sonda durante a sangría permanecerá fiel á súa forma de cono.Ademais, suponse que a superficie do material en proba presentará unha resposta elástica reversible, o que tamén se confirmará nos seguintes apartados.Polo tanto, dependendo da forma e tamaño da punta, escollemos o modelo de axuste de cono-esfera desenvolvido por Briscoe, Sebastian e Adams, que está dispoñible no software do vendedor, para procesar os nosos experimentos de nanoindentación AFM (NanoScope).Software de análise de datos de separación, Bruker) 73. O modelo describe a relación forza-desprazamento F(δ) para un cono cun defecto de vértice esférico.Sobre a fig.A figura 2 mostra a xeometría de contacto durante a interacción dun cono ríxido cunha punta esférica, onde R é o raio da punta esférica, a é o raio de contacto, b é o raio de contacto ao final da punta esférica, δ é o raio de contacto. radio de contacto.profundidade de sangría, θ é o semiángulo do cono.A imaxe SEM desta sonda mostra claramente que a punta esférica de 140 nm de diámetro fusiona tanxencialmente nun cono, polo que aquí b defínese só a través de R, é dicir, b = R cos θ.O software proporcionado polo provedor proporciona unha relación cono-esfera para calcular os valores do módulo de Young (E) a partir de datos de separación de forzas asumindo a > b.Relación:
onde F é a forza de sangría, E é o módulo de Young, ν é a razón de Poisson.O raio de contacto a pódese estimar usando:
Esquema da xeometría de contacto dun cono ríxido cunha punta esférica presionada no material dunha lente de contacto Lefilcon cunha capa superficial de cepillos de polímero ramificado.
Se a ≤ b, a relación redúcese á ecuación dun penetrador esférico convencional;
Cremos que a interacción da sonda de sangría coa estrutura ramificada do cepillo de polímero PMPC fará que o raio de contacto a sexa maior que o raio de contacto esférico b.Polo tanto, para todas as medicións cuantitativas do módulo elástico realizadas neste estudo, utilizouse a dependencia obtida para o caso a > b.
Os materiais biomiméticos ultrasuave estudados neste estudo foron imaxes exhaustivas utilizando microscopía electrónica de transmisión de varrido (STEM) da sección transversal da mostra e microscopía de forza atómica (AFM) da superficie.Esta caracterización detallada da superficie realizouse como unha extensión do noso traballo publicado anteriormente, no que determinamos que a estrutura de cepillo polimérico ramificado dinámicamente da superficie lehfilcon A CL modificada por PMPC presentaba propiedades mecánicas similares ás do tecido corneal nativo 14 .Por este motivo, referímonos ás superficies das lentes de contacto como materiais biomiméticos14.Sobre a fig.As imaxes 3a,b mostran seccións transversais de estruturas de cepillo de polímero PMPC ramificados na superficie dun substrato de lehfilcon A CL e dun substrato de SiHy non tratado, respectivamente.As superficies de ambas as mostras foron analizadas aínda máis mediante imaxes AFM de alta resolución, que confirmaron aínda máis os resultados da análise STEM (Fig. 3c, d).En conxunto, estas imaxes dan unha lonxitude aproximada da estrutura de cepillo de polímero ramificado PMPC a 300-400 nm, o que é fundamental para interpretar as medidas de nanoindentación AFM.Outra observación clave derivada das imaxes é que a estrutura total da superficie do material biomimético CL é morfoloxicamente diferente da do material do substrato SiHy.Esta diferenza na súa morfoloxía superficial pode facerse evidente durante a súa interacción mecánica coa sonda AFM de recubrimento e, posteriormente, nos valores do módulo medido.
Imaxes STEM en sección transversal de (a) lehfilcon A CL e (b) substrato SiHy.Barra de escala, 500 nm.Imaxes AFM da superficie do substrato lehfilcon A CL (c) e do substrato base SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Os polímeros bioinspirados e as estruturas de cepillo de polímero son inherentemente suaves e foron amplamente estudados e utilizados en varias aplicacións biomédicas74,75,76,77.Polo tanto, é importante utilizar o método de nanoindentación AFM, que pode medir con precisión e fiabilidade as súas propiedades mecánicas.Pero, ao mesmo tempo, as propiedades únicas destes materiais ultra brandos, como o módulo elástico extremadamente baixo, o alto contido de líquido e a alta elasticidade, adoitan dificultar a elección do material, a forma e a forma correctas da sonda de sangría.tamaño.Isto é importante para que o penetrador non perfore a superficie branda da mostra, o que provocaría erros na determinación do punto de contacto coa superficie e da área de contacto.
Para iso, é esencial unha comprensión completa da morfoloxía dos materiais biomiméticos ultra brandos (lehfilcon A CL).A información sobre o tamaño e a estrutura dos cepillos de polímero ramificado obtidos mediante o método de imaxe proporciona a base para a caracterización mecánica da superficie mediante técnicas de nanoindentación AFM.En lugar de sondas coloidais esféricas de tamaño micrométrico, escollemos a sonda de nitruro de silicio PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) cun diámetro de punta de 140 nm, deseñada especialmente para a cartografía cuantitativa das propiedades mecánicas de mostras biolóxicas 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 A razón para usar sondas relativamente afiadas en comparación coas sondas coloidais convencionais pode explicarse polas características estruturais do material.Comparando o tamaño da punta da sonda (~ 140 nm) cos cepillos de polímero ramificado na superficie do CL lehfilcon A, que se mostra na figura 3a, pódese concluír que a punta é o suficientemente grande como para entrar en contacto directo con estas estruturas de cepillo, que reduce a posibilidade de que a punta atravese eles.Para ilustrar este punto, na figura 4 móstrase unha imaxe STEM do lehfilcon A CL e da punta de sangría da sonda AFM (deseñada a escala).
Esquema que mostra a imaxe STEM de lehfilcon A CL e unha sonda de sangría ACM (debuxada a escala).
Ademais, o tamaño da punta de 140 nm é o suficientemente pequeno como para evitar o risco de calquera dos efectos de extrusión pegajosas previamente informados para cepillos de polímero producidos polo método de nanoindentación CP-AFM69,71.Supoñemos que, debido á forma especial de cono esférico e ao tamaño relativamente pequeno desta punta AFM (Fig. 1), a natureza da curva de forza xerada pola nanoindentación lehfilcon A CL non dependerá da velocidade de sangría nin da velocidade de carga/descarga. .Polo tanto, non se ve afectado polos efectos poroelásticos.Para probar esta hipótese, as mostras de lehfilcon A CL foron sangradas cunha forza máxima fixa usando unha sonda PFQNM-LC-A-CAL, pero a dúas velocidades diferentes, e as curvas de forza de tracción e retracción resultantes usáronse para representar a forza (nN) en separación (µm) móstrase na Figura 5a.Está claro que as curvas de forza durante a carga e descarga se solapan por completo, e non hai evidencia clara de que a forza cortante a profundidade de indentación cero aumente coa velocidade de indentación na figura, o que suxire que os elementos individuais do cepillo se caracterizaron sen un efecto poroelástico.Pola contra, os efectos de retención de fluídos (extrusión viscosa e efectos de poroelasticidade) son evidentes para a sonda AFM de 45 µm de diámetro á mesma velocidade de indentación e destacan pola histérese entre as curvas de estiramento e retracción, como se mostra na Figura 5b.Estes resultados apoian a hipótese e suxiren que as sondas de 140 nm de diámetro son unha boa opción para caracterizar estas superficies brandas.
Curvas de forza de sangría lehfilcon A CL usando ACM;(a) utilizando unha sonda cun diámetro de 140 nm a dúas velocidades de carga, demostrando a ausencia dun efecto poroelástico durante a indentación superficial;(b) utilizando sondas cun diámetro de 45 µm e 140 nm.s mostran os efectos da extrusión viscosa e a poroelasticidade para sondas grandes en comparación coas sondas máis pequenas.
Para caracterizar superficies ultrasuave, os métodos de nanoindentación AFM deben ter a mellor sonda para estudar as propiedades do material obxecto de estudo.Ademais da forma e tamaño da punta, a sensibilidade do sistema detector AFM, a sensibilidade á deflexión da punta no ambiente de proba e a rixidez do cantilever xogan un papel importante na determinación da precisión e fiabilidade da nanoindentación.medicións.Para o noso sistema AFM, o límite de detección do detector sensible á posición (PSD) é de aproximadamente 0,5 mV e baséase na taxa de resorte precalibrada e na sensibilidade de deflexión do fluído calculada da sonda PFQNM-LC-A-CAL, que corresponde ao Sensibilidade de carga teórica.é inferior a 0,1 pN.Polo tanto, este método permite medir unha forza de indentación mínima ≤ 0,1 pN sen ningún compoñente de ruído periférico.Non obstante, é case imposible para un sistema AFM reducir o ruído periférico a este nivel debido a factores como a vibración mecánica e a dinámica de fluídos.Estes factores limitan a sensibilidade global do método de nanoindentación AFM e tamén dan como resultado un sinal de ruído de fondo de aproximadamente ≤ 10 pN.Para a caracterización da superficie, as mostras de substrato de lehfilcon A CL e SiHy foron sangradas en condicións totalmente hidratadas usando unha sonda de 140 nm para a caracterización SEM, e as curvas de forza resultantes superpoñendo entre forza (pN) e presión.A gráfica de separación (µm) móstrase na Figura 6a.En comparación co substrato de base SiHy, a curva de forza de lehfilcon A CL mostra claramente unha fase de transición que comeza no punto de contacto co cepillo de polímero bifurcado e remata cun cambio brusco no contacto marcando a pendente da punta co material subxacente.Esta parte de transición da curva de forza destaca o comportamento verdadeiramente elástico do cepillo de polímero ramificado na superficie, como o demostra a curva de compresión que segue de preto a curva de tensión e o contraste nas propiedades mecánicas entre a estrutura do cepillo e o material SiHy voluminoso.Ao comparar lefilcon.Separación da lonxitude media dun pincel de polímero ramificado na imaxe STEM do PCS (Fig. 3a) e a súa curva de forza ao longo da abscisa da Fig. 3a.A figura 6a mostra que o método é capaz de detectar a punta e o polímero ramificado chegando á parte superior da superficie.Contacto entre estruturas de xesta.Ademais, a superposición estreita das curvas de forza indica que non hai ningún efecto de retención de líquidos.Neste caso, non hai absolutamente ningunha adhesión entre a agulla e a superficie da mostra.As seccións máis altas das curvas de forza para as dúas mostras se solapan, reflectindo a semellanza das propiedades mecánicas dos materiais do substrato.
(a) Curvas de forza de nanoindentación AFM para substratos de lehfilcon A CL e substratos de SiHy, (b) curvas de forza que mostran a estimación do punto de contacto mediante o método do limiar do ruído de fondo.
Co fin de estudar os detalles máis finos da curva de forza, a curva de tensión da mostra de lehfilcon A CL repártase na figura 6b cunha forza máxima de 50 pN ao longo do eixe y.Este gráfico ofrece información importante sobre o ruído de fondo orixinal.O ruído está no rango de ± 10 pN, que se usa para determinar con precisión o punto de contacto e calcular a profundidade da sangría.Como se informa na literatura, a identificación de puntos de contacto é fundamental para avaliar con precisión as propiedades do material como o módulo 85.Un enfoque que implica o procesamento automático de datos da curva de forza mostrou un mellor axuste entre o axuste dos datos e as medicións cuantitativas para materiais brandos86.Neste traballo, a nosa elección de puntos de contacto é relativamente sinxela e obxectiva, pero ten as súas limitacións.O noso enfoque conservador para determinar o punto de contacto pode producir valores de módulo lixeiramente sobreestimados para profundidades de sangría máis pequenas (< 100 nm).O uso da detección de puntos de contacto baseado en algoritmos e do procesamento automatizado de datos podería ser unha continuación deste traballo no futuro para mellorar aínda máis o noso método.Así, para o ruído de fondo intrínseco da orde de ± 10 pN, definimos o punto de contacto como o primeiro punto de datos no eixe x na Figura 6b cun valor ≥10 pN.Entón, de acordo co limiar de ruído de 10 pN, unha liña vertical a un nivel de ~ 0,27 µm marca o punto de contacto coa superficie, despois do cal a curva de estiramento continúa ata que o substrato alcanza a profundidade de sangría de ~ 270 nm.Curiosamente, en función do tamaño das características do cepillo de polímero ramificado (300-400 nm) medidos mediante o método de imaxe, a profundidade de sangría da mostra CL lehfilcon A observada mediante o método do limiar do ruído de fondo é duns 270 nm, o que está moi preto de o tamaño da medida con STEM.Estes resultados confirman aínda máis a compatibilidade e aplicabilidade da forma e tamaño da punta da sonda AFM para a sangría desta estrutura de cepillo de polímero ramificado moi suave e altamente elástico.Estes datos tamén proporcionan probas contundentes para apoiar o noso método de utilizar o ruído de fondo como limiar para identificar puntos de contacto.Así, calquera resultado cuantitativo obtido a partir do modelado matemático e do axuste da curva de forza debe ser relativamente preciso.
As medicións cuantitativas mediante métodos de nanoindentación AFM dependen completamente dos modelos matemáticos utilizados para a selección de datos e a posterior análise.Polo tanto, é importante ter en conta todos os factores relacionados coa elección do indentador, as propiedades do material e a mecánica da súa interacción antes de escoller un modelo en particular.Neste caso, a xeometría da punta caracterizouse coidadosamente mediante micrografías SEM (Fig. 1), e baseándose nos resultados, a sonda de nanoindentación AFM de 140 nm de diámetro cun cono duro e xeometría de punta esférica é unha boa opción para caracterizar mostras de lehfilcon A CL79. .Outro factor importante que debe ser avaliado coidadosamente é a elasticidade do material polimérico que se está a probar.Aínda que os datos iniciais da nanoindentación (Figs. 5a e 6a) describen claramente as características da superposición das curvas de tensión e compresión, é dicir, a recuperación elástica completa do material, é extremadamente importante confirmar a natureza puramente elástica dos contactos. .Para este fin, realizáronse dúas sangrías sucesivas no mesmo lugar na superficie da mostra de lehfilcon A CL a unha taxa de sangría de 1 µm/s en condicións de hidratación completa.Os datos da curva de forza resultante móstranse na fig.7 e, como era de esperar, as curvas de expansión e compresión das dúas impresións son case idénticas, destacando a alta elasticidade da estrutura do cepillo de polímero ramificado.
Dúas curvas de forza de indentación no mesmo lugar na superficie de lehfilcon A CL indican a elasticidade ideal da superficie da lente.
En base á información obtida das imaxes SEM e STEM da punta da sonda e da superficie de lehfilcon A CL, respectivamente, o modelo de cono-esfera é unha representación matemática razoable da interacción entre a punta da sonda AFM e o material polímero brando que se está a probar.Ademais, para este modelo de cono-esfera, os supostos fundamentais sobre as propiedades elásticas do material impreso son certas para este novo material biomimético e úsanse para cuantificar o módulo elástico.
Despois dunha avaliación exhaustiva do método de nanoindentación AFM e os seus compoñentes, incluíndo as propiedades da sonda de sangría (forma, tamaño e rixidez do resorte), a sensibilidade (estimación do ruído de fondo e do punto de contacto) e os modelos de axuste de datos (medicións de módulo cuantitativo), o método foi usado.caracterizar mostras ultrablandas dispoñibles no comercio para verificar resultados cuantitativos.Probouse un hidroxel comercial de poliacrilamida (PAAM) cun módulo elástico de 1 kPa en condicións hidratadas usando unha sonda de 140 nm.Os detalles das probas e cálculos do módulo ofrécense na Información complementaria.Os resultados mostraron que o módulo medio medido foi de 0,92 kPa, e o %RSD e a porcentaxe (%) de desviación do módulo coñecido foron inferiores ao 10%.Estes resultados confirman a precisión e reproducibilidade do método de nanoindentación AFM utilizado neste traballo para medir os módulos de materiais ultrabrandos.As superficies das mostras de lehfilcon A CL e do substrato de base SiHy caracterizáronse aínda máis usando o mesmo método de nanoindentación AFM para estudar o módulo de contacto aparente da superficie ultrasuave en función da profundidade da sangría.Xeráronse curvas de separación da forza de sangría para tres exemplares de cada tipo (n = 3; unha sangría por mostra) cunha forza de 300 pN, unha velocidade de 1 µm/s e unha hidratación total.A curva de compartición da forza de indentación aproximouse mediante un modelo de cono-esfera.Para obter un módulo dependente da profundidade da sangría, estableceuse unha parte de 40 nm de ancho da curva de forza en cada incremento de 20 nm a partir do punto de contacto e mediron os valores do módulo en cada paso da curva de forza.Spin Cy et al.Utilizouse un enfoque similar para caracterizar o gradiente de módulo de cepillos de polímero de poli(metacrilato de laurilo) (P12MA) mediante nanoindentación con sonda AFM coloidal, e son consistentes cos datos que utilizan o modelo de contacto de Hertz.Este enfoque proporciona un gráfico do módulo de contacto aparente (kPa) en función da profundidade de sangría (nm), como se mostra na Figura 8, que ilustra o módulo de contacto aparente/gradiente de profundidade.O módulo elástico calculado da mostra CL lehfilcon A está no intervalo de 2-3 kPa dentro dos 100 nm superiores da mostra, máis aló dos cales comeza a aumentar coa profundidade.Por outra banda, ao probar o substrato de base SiHy sen unha película tipo pincel na superficie, a profundidade máxima de sangría conseguida cunha forza de 300 pN é inferior a 50 nm e o valor do módulo obtido a partir dos datos é duns 400 kPa. , que é comparable aos valores do módulo de Young para materiais a granel.
Módulo de contacto aparente (kPa) vs profundidade de indentación (nm) para substratos de lehfilcon A CL e SiHy mediante o método de nanoindentación AFM con xeometría de cono-esfera para medir o módulo.
A superficie superior da nova estrutura de cepillo de polímero ramificado biomimético presenta un módulo de elasticidade extremadamente baixo (2-3 kPa).Isto coincidirá co extremo colgante libre do cepillo de polímero bifurcado como se mostra na imaxe STEM.Aínda que hai algunha evidencia dun gradiente de módulo no bordo exterior do CL, o principal substrato de alto módulo é máis influente.Non obstante, os 100 nm superiores da superficie están dentro do 20% da lonxitude total do cepillo de polímero ramificado, polo que é razoable supoñer que os valores medidos do módulo neste intervalo de profundidade de sangría son relativamente precisos e non depende do efecto do obxecto inferior.
Debido ao deseño biomimético único das lentes de contacto lehfilcon A, que consiste en estruturas de cepillo de polímero PMPC ramificados enxertadas na superficie dos substratos de SiHy, é moi difícil caracterizar de forma fiable as propiedades mecánicas das súas estruturas de superficie utilizando métodos de medición tradicionais.Aquí presentamos un método avanzado de nanoindentación AFM para caracterizar con precisión materiais ultrabrandos como o lefilcon A con alto contido en auga e elasticidade extremadamente alta.Este método baséase no uso dunha sonda AFM cuxo tamaño de punta e xeometría son escollidos coidadosamente para que coincidan coas dimensións estruturais das características da superficie ultrasuave que se van imprimir.Esta combinación de dimensións entre sonda e estrutura proporciona unha maior sensibilidade, o que nos permite medir o baixo módulo e as propiedades elásticas inherentes dos elementos de cepillo de polímero ramificado, independentemente dos efectos poroelásticos.Os resultados mostraron que os exclusivos cepillos de polímero PMPC ramificados característicos da superficie da lente tiñan un módulo elástico extremadamente baixo (ata 2 kPa) e unha elasticidade moi alta (case o 100%) cando se probaron nun ambiente acuoso.Os resultados da nanoindentación AFM tamén nos permitiron caracterizar o módulo de contacto aparente/gradiente de profundidade (30 kPa/200 nm) da superficie da lente biomimética.Este gradiente pode deberse á diferenza de módulo entre os cepillos de polímero ramificado e o substrato SiHy, ou á estrutura/densidade ramificada dos cepillos de polímero, ou a unha combinación dos mesmos.Non obstante, son necesarios máis estudos en profundidade para comprender completamente a relación entre a estrutura e as propiedades, especialmente o efecto da ramificación do cepillo sobre as propiedades mecánicas.Medidas semellantes poden axudar a caracterizar as propiedades mecánicas da superficie doutros materiais ultra brandos e dispositivos médicos.
Os conxuntos de datos xerados e/ou analizados durante o estudo actual están dispoñibles dos respectivos autores previa solicitude razoable.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. e Haugen, HJ Reaccións biolóxicas ás propiedades físicas e químicas das superficies dos biomateriais.Química.sociedade.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM e Liu, X. Mellora de biomateriais de orixe humana para a enxeñaría de tecidos.programación.polímero.a ciencia.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Deseño, implementación clínica e resposta inmune de biomateriais en medicina rexenerativa.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK e Farr GM Un método mellorado para determinar a dureza e o módulo elástico mediante experimentos de sangría con medidas de carga e desprazamento.J. Alma mater.tanque de almacenamento.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Orixes históricas das probas de dureza de sangría.alma mater.a ciencia.tecnoloxías.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Medidas de dureza da sangría a escala macro, micro e nanoescala: unha revisión crítica.tribo.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD e Clapperich, SM Os erros de detección de superficie conducen a unha sobreestimación do módulo na nanoindentación de materiais brandos.J. Mecha.Comportamento.Ciencias Biomédicas.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR e Yahya M.Yu.Avaliación do método de nanoindentación para determinar as características mecánicas de nanocompostos heteroxéneos mediante métodos experimentais e computacionais.a ciencia.Casa 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR e Owart, TS. Caracterización mecánica de xeles viscoelásticos brandos mediante a análise de elementos finitos inversos baseada en indentación e optimización.J. Mecha.Comportamento.Ciencias Biomédicas.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J e Chaneler D. Optimización da determinación da viscoelasticidade mediante sistemas de medición compatibles.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. e Pellillo, E. Nanoindentation of polymeric surfaces.J. Física.D. Solicitar física.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. e Van Vliet KJ Caracterización das propiedades mecánicas viscoelásticas de polímeros altamente elásticos e tecidos biolóxicos mediante indentación por choque.Revista de Biomateriais.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Avaliación do módulo elástico e do traballo de adhesión de materiais brandos mediante o método estendido de Borodich-Galanov (BG) e unha sangría profunda.peles.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Morfoloxía a nanoescala e propiedades mecánicas de superficies poliméricas biomiméticas de lentes de contacto de hidroxel de silicona.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).