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चिकित्सा उपकरणों और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए नई अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्रियों के विकास के साथ, उनके भौतिक और यांत्रिक गुणों का व्यापक लक्षण वर्णन महत्वपूर्ण और चुनौतीपूर्ण दोनों है।एक संशोधित परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) नैनोइंडेंटेशन तकनीक को नए लेहफिलकॉन के बेहद कम सतह मापांक को चिह्नित करने के लिए लागू किया गया था, एक बायोमिमेटिक सिलिकॉन हाइड्रोजेल कॉन्टैक्ट लेंस को ब्रांच्ड पॉलिमर ब्रश संरचनाओं की एक परत के साथ लेपित किया गया था।यह विधि शाखित पॉलिमर के पास पहुंचने पर चिपचिपे बाहर निकालना के प्रभाव के बिना संपर्क बिंदुओं के सटीक निर्धारण की अनुमति देती है।इसके अलावा, यह पोरोइलास्टिसिटी के प्रभाव के बिना व्यक्तिगत ब्रश तत्वों की यांत्रिक विशेषताओं को निर्धारित करना संभव बनाता है।यह एक डिज़ाइन (टिप आकार, ज्यामिति और स्प्रिंग दर) के साथ एएफएम जांच का चयन करके प्राप्त किया जाता है जो नरम सामग्री और जैविक नमूनों के गुणों को मापने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है।यह विधि बहुत नरम सामग्री लेहफ़िलकॉन ए की सटीक माप के लिए संवेदनशीलता और सटीकता में सुधार करती है, जिसमें सतह क्षेत्र पर लोच का मापांक बेहद कम (2 केपीए तक) और आंतरिक (लगभग 100%) जलीय वातावरण में अत्यधिक उच्च लोच होता है। .सतह के अध्ययन के परिणामों ने न केवल लेहफिल्कॉन ए लेंस के अति-नरम सतह गुणों का खुलासा किया, बल्कि यह भी दिखाया कि शाखित बहुलक ब्रश का मापांक सिलिकॉन-हाइड्रोजन सब्सट्रेट के बराबर था।इस सतह लक्षण वर्णन तकनीक को अन्य अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्रियों और चिकित्सा उपकरणों पर लागू किया जा सकता है।
जीवित ऊतकों के साथ सीधे संपर्क के लिए डिज़ाइन की गई सामग्रियों के यांत्रिक गुण अक्सर जैविक पर्यावरण द्वारा निर्धारित होते हैं।इन भौतिक गुणों का सही मिलान प्रतिकूल सेलुलर प्रतिक्रियाओं 1,2,3 के बिना सामग्री की वांछित नैदानिक ​​​​विशेषताओं को प्राप्त करने में मदद करता है।थोक सजातीय सामग्रियों के लिए, मानक प्रक्रियाओं और परीक्षण विधियों (उदाहरण के लिए, माइक्रोइंडेंटेशन4,5,6) की उपलब्धता के कारण यांत्रिक गुणों का लक्षण वर्णन अपेक्षाकृत आसान है।हालाँकि, जैल, हाइड्रोजेल, बायोपॉलिमर, जीवित कोशिकाओं आदि जैसे अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्रियों के लिए, माप रिज़ॉल्यूशन सीमाओं और कुछ सामग्रियों की अमानवीयता के कारण ये परीक्षण विधियां आम तौर पर लागू नहीं होती हैं।पिछले कुछ वर्षों में, पारंपरिक इंडेंटेशन विधियों को नरम सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला को चिह्नित करने के लिए संशोधित और अनुकूलित किया गया है, लेकिन कई विधियां अभी भी गंभीर कमियों से ग्रस्त हैं जो उनके उपयोग को सीमित करती हैं8,9,10,11,12,13।विशेष परीक्षण विधियों की कमी जो सुपरसॉफ्ट सामग्रियों और सतह परतों के यांत्रिक गुणों को सटीक और विश्वसनीय रूप से चिह्नित कर सकती है, विभिन्न अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को गंभीर रूप से सीमित कर देती है।
हमारे पिछले काम में, हमने लेहफिल्कॉन ए (सीएल) कॉन्टैक्ट लेंस पेश किया था, जो आंख के कॉर्निया की सतह से प्रेरित संभावित बायोमिमेटिक डिजाइनों से प्राप्त सभी अल्ट्रा-सॉफ्ट सतह गुणों के साथ एक नरम विषम सामग्री है।इस बायोमटेरियल को चिकित्सा उपकरणों के लिए डिज़ाइन किए गए सिलिकॉन हाइड्रोजेल (SiHy) 15 पर पॉली (2-मेथैक्रिलोइलॉक्सीथाइलफॉस्फोरिलकोलाइन (एमपीसी)) (पीएमपीसी) की एक शाखाबद्ध, क्रॉस-लिंक्ड पॉलिमर परत को ग्राफ्ट करके विकसित किया गया था।यह ग्राफ्टिंग प्रक्रिया सतह पर एक परत बनाती है जिसमें बहुत नरम और अत्यधिक लोचदार शाखायुक्त पॉलिमरिक ब्रश संरचना होती है।हमारे पिछले काम ने पुष्टि की है कि लेहफिल्कॉन ए सीएल की बायोमिमेटिक संरचना बेहतर सतह गुण प्रदान करती है जैसे बेहतर गीलापन और गंदगी की रोकथाम, बढ़ी हुई चिकनाई, और कम कोशिका और जीवाणु आसंजन15,16।इसके अलावा, इस बायोमिमेटिक सामग्री का उपयोग और विकास अन्य बायोमेडिकल उपकरणों के और विस्तार का भी सुझाव देता है।इसलिए, भविष्य के विकास और अनुप्रयोगों का समर्थन करने के लिए एक व्यापक ज्ञान आधार बनाने के लिए इस अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्री की सतह के गुणों को चिह्नित करना और आंख के साथ इसकी यांत्रिक बातचीत को समझना महत्वपूर्ण है।अधिकांश व्यावसायिक रूप से उपलब्ध SiHy कॉन्टैक्ट लेंस हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक पॉलिमर के एक सजातीय मिश्रण से बने होते हैं जो एक समान सामग्री संरचना17 बनाते हैं।पारंपरिक संपीड़न, तन्यता और माइक्रोइंडेंटेशन परीक्षण विधियों18,19,20,21 का उपयोग करके उनके यांत्रिक गुणों की जांच करने के लिए कई अध्ययन किए गए हैं।हालाँकि, लेहफिल्कॉन ए सीएल का नया बायोमिमेटिक डिज़ाइन इसे एक अद्वितीय विषम सामग्री बनाता है जिसमें ब्रांच्ड पॉलिमर ब्रश संरचनाओं के यांत्रिक गुण SiHy बेस सब्सट्रेट से काफी भिन्न होते हैं।इसलिए, पारंपरिक और इंडेंटेशन विधियों का उपयोग करके इन गुणों को सटीक रूप से मापना बहुत मुश्किल है।एक आशाजनक विधि परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) में कार्यान्वित नैनोइंडेंटेशन परीक्षण विधि का उपयोग करती है, एक ऐसी विधि जिसका उपयोग नरम विस्कोलेस्टिक सामग्री जैसे कि जैविक कोशिकाओं और ऊतकों के साथ-साथ नरम पॉलिमर 22,23,24,25 के यांत्रिक गुणों को निर्धारित करने के लिए किया गया है। .,26,27,28,29,30.एएफएम नैनोइंडेंटेशन में, नैनोइंडेंटेशन परीक्षण के मूल सिद्धांतों को एएफएम प्रौद्योगिकी में नवीनतम प्रगति के साथ जोड़ा जाता है ताकि बढ़ी हुई माप संवेदनशीलता और अंतर्निहित सुपरसॉफ्ट सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला का परीक्षण प्रदान किया जा सके31,32,33,34,35,36।इसके अलावा, प्रौद्योगिकी विभिन्न ज्यामितियों के उपयोग के माध्यम से अन्य महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है।इंडेंटर और जांच और विभिन्न तरल मीडिया में परीक्षण की संभावना।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन को सशर्त रूप से तीन मुख्य घटकों में विभाजित किया जा सकता है: (1) उपकरण (सेंसर, डिटेक्टर, जांच, आदि);(2) माप पैरामीटर (जैसे बल, विस्थापन, गति, रैंप आकार, आदि);(3) डेटा प्रोसेसिंग (आधारभूत सुधार, स्पर्श बिंदु अनुमान, डेटा फिटिंग, मॉडलिंग, आदि)।इस पद्धति के साथ एक महत्वपूर्ण समस्या यह है कि एएफएम नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करने वाले साहित्य में कई अध्ययन एक ही नमूने/सेल/सामग्री प्रकार37,38,39,40,41 के लिए बहुत भिन्न मात्रात्मक परिणाम रिपोर्ट करते हैं।उदाहरण के लिए, लेक्का एट अल।यांत्रिक रूप से सजातीय हाइड्रोजेल और विषम कोशिकाओं के नमूनों के मापा यंग मापांक पर एएफएम जांच ज्यामिति के प्रभाव का अध्ययन और तुलना की गई।वे रिपोर्ट करते हैं कि मॉड्यूलस मान कैंटिलीवर चयन और टिप आकार पर अत्यधिक निर्भर हैं, पिरामिड के आकार की जांच के लिए उच्चतम मूल्य और गोलाकार जांच के लिए 42 का न्यूनतम मूल्य है।इसी तरह, सेल्हुबर-अनकेल एट अल।यह दिखाया गया है कि पॉलीएक्रिलामाइड (पीएएएम) नमूनों की इंडेंटर गति, इंडेंटर आकार और मोटाई एसीएम43 नैनोइंडेंटेशन द्वारा मापे गए यंग मापांक को कैसे प्रभावित करती है।एक अन्य जटिल कारक मानक अत्यंत निम्न मापांक परीक्षण सामग्री और निःशुल्क परीक्षण प्रक्रियाओं की कमी है।इससे आत्मविश्वास के साथ सटीक परिणाम प्राप्त करना बहुत कठिन हो जाता है।हालाँकि, यह विधि समान नमूना प्रकारों के बीच सापेक्ष माप और तुलनात्मक मूल्यांकन के लिए बहुत उपयोगी है, उदाहरण के लिए कैंसर कोशिकाओं 44, 45 से सामान्य कोशिकाओं को अलग करने के लिए एएफएम नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करना।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन के साथ नरम सामग्री का परीक्षण करते समय, अंगूठे का एक सामान्य नियम कम स्प्रिंग स्थिरांक (के) के साथ एक जांच का उपयोग करना है जो नमूना मापांक और एक अर्धगोलाकार/गोल टिप से निकटता से मेल खाता है ताकि पहली जांच नमूना सतहों को छेद न सके। नरम सामग्री के साथ पहला संपर्क।यह भी महत्वपूर्ण है कि जांच द्वारा उत्पन्न विक्षेपण संकेत इतना मजबूत हो कि लेजर डिटेक्टर सिस्टम24,34,46,47 द्वारा पता लगाया जा सके।अल्ट्रा-सॉफ्ट विषम कोशिकाओं, ऊतकों और जैल के मामले में, एक और चुनौती प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य और विश्वसनीय माप सुनिश्चित करने के लिए जांच और नमूना सतह के बीच चिपकने वाले बल को दूर करना है।हाल तक, एएफएम नैनोइंडेंटेशन पर अधिकांश काम अपेक्षाकृत बड़े गोलाकार जांचों का उपयोग करके जैविक कोशिकाओं, ऊतकों, जैल, हाइड्रोजेल और बायोमोलेक्यूल्स के यांत्रिक व्यवहार के अध्ययन पर केंद्रित है, जिन्हें आमतौर पर कोलाइडल जांच (सीपी) कहा जाता है।, 47, 51, 52, 53, 54, 55। इन युक्तियों की त्रिज्या 1 से 50 µm है और ये आमतौर पर बोरोसिलिकेट ग्लास, पॉलीमिथाइल मेथैक्रिलेट (पीएमएमए), पॉलीस्टाइनिन (पीएस), सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) और हीरे से बने होते हैं। कार्बन (डीएलसी) की तरह।यद्यपि सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन अक्सर नरम नमूना लक्षण वर्णन के लिए पहली पसंद है, इसकी अपनी समस्याएं और सीमाएं हैं।बड़े, माइक्रोन आकार के गोलाकार युक्तियों के उपयोग से नमूने के साथ टिप का कुल संपर्क क्षेत्र बढ़ जाता है और इसके परिणामस्वरूप स्थानिक संकल्प का महत्वपूर्ण नुकसान होता है।नरम, अमानवीय नमूनों के लिए, जहां स्थानीय तत्वों के यांत्रिक गुण व्यापक क्षेत्र में औसत से काफी भिन्न हो सकते हैं, सीपी इंडेंटेशन स्थानीय पैमाने पर गुणों में किसी भी असमानता को छिपा सकता है52।कोलाइडल जांच आम तौर पर एपॉक्सी चिपकने वाले का उपयोग करके टिपलेस कैंटिलीवर में माइक्रोन आकार के कोलाइडल क्षेत्रों को जोड़कर बनाई जाती है।विनिर्माण प्रक्रिया स्वयं कई समस्याओं से भरी है और जांच अंशांकन प्रक्रिया में विसंगतियां पैदा कर सकती है।इसके अलावा, कोलाइडल कणों का आकार और द्रव्यमान सीधे ब्रैकट के मुख्य अंशांकन मापदंडों को प्रभावित करते हैं, जैसे गुंजयमान आवृत्ति, वसंत कठोरता और विक्षेपण संवेदनशीलता56,57,58।इस प्रकार, पारंपरिक एएफएम जांच के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियां, जैसे तापमान अंशांकन, सीपी के लिए सटीक अंशांकन प्रदान नहीं कर सकती हैं, और इन सुधारों को करने के लिए अन्य तरीकों की आवश्यकता हो सकती है57, 59, 60, 61। विशिष्ट सीपी इंडेंटेशन प्रयोग बड़े विचलन ब्रैकट का उपयोग करते हैं नरम नमूनों के गुणों का अध्ययन करें, जो अपेक्षाकृत बड़े विचलन62,63,64 पर कैंटिलीवर के गैर-रैखिक व्यवहार को कैलिब्रेट करते समय एक और समस्या पैदा करता है।आधुनिक कोलाइडल जांच इंडेंटेशन विधियां आमतौर पर जांच को कैलिब्रेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कैंटिलीवर की ज्यामिति को ध्यान में रखती हैं, लेकिन कोलाइडल कणों के प्रभाव को नजरअंदाज करती हैं, जो विधि की सटीकता में अतिरिक्त अनिश्चितता पैदा करती है।इसी तरह, संपर्क मॉडल फिटिंग द्वारा गणना की गई लोचदार मॉड्यूली सीधे इंडेंटेशन जांच की ज्यामिति पर निर्भर होती है, और टिप और नमूना सतह विशेषताओं के बीच बेमेल से अशुद्धियां 27, 65, 66, 67, 68 हो सकती हैं। स्पेंसर एट अल द्वारा कुछ हालिया काम।सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके नरम पॉलिमर ब्रश को चिह्नित करते समय जिन कारकों को ध्यान में रखा जाना चाहिए, उन पर प्रकाश डाला गया है।उन्होंने बताया कि गति के कार्य के रूप में पॉलिमर ब्रश में चिपचिपे तरल पदार्थ के अवधारण के परिणामस्वरूप हेड लोडिंग में वृद्धि होती है और इसलिए गति पर निर्भर गुणों के विभिन्न माप30,69,70,71 होते हैं।
इस अध्ययन में, हमने संशोधित एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके अल्ट्रा-सॉफ्ट अत्यधिक लोचदार सामग्री लेहफिलकॉन ए सीएल की सतह मापांक की विशेषता बताई है।इस सामग्री के गुणों और नई संरचना को देखते हुए, पारंपरिक इंडेंटेशन विधि की संवेदनशीलता सीमा इस अत्यंत नरम सामग्री के मापांक को चिह्नित करने के लिए स्पष्ट रूप से अपर्याप्त है, इसलिए उच्च संवेदनशीलता और कम संवेदनशीलता के साथ एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करना आवश्यक है।स्तर।मौजूदा कोलाइडल एएफएम जांच नैनोइंडेंटेशन तकनीकों की कमियों और समस्याओं की समीक्षा करने के बाद, हम दिखाते हैं कि हमने संवेदनशीलता, पृष्ठभूमि शोर, संपर्क के सटीक बिंदु को खत्म करने, द्रव प्रतिधारण जैसे नरम विषम सामग्रियों के वेग मापांक को मापने के लिए एक छोटी, कस्टम-डिज़ाइन की गई एएफएम जांच क्यों चुनी। निर्भरता.और सटीक मात्रा निर्धारण.इसके अलावा, हम इंडेंटेशन टिप के आकार और आयामों को सटीक रूप से मापने में सक्षम थे, जिससे हमें सामग्री के साथ टिप के संपर्क क्षेत्र का आकलन किए बिना लोच के मापांक को निर्धारित करने के लिए शंकु-गोलाकार फिट मॉडल का उपयोग करने की अनुमति मिली।इस कार्य में जिन दो अंतर्निहित धारणाओं को परिमाणित किया गया है वे पूरी तरह से लोचदार सामग्री गुण और इंडेंटेशन गहराई-स्वतंत्र मापांक हैं।इस विधि का उपयोग करते हुए, हमने पहले विधि को मापने के लिए एक ज्ञात मापांक के साथ अल्ट्रा-सॉफ्ट मानकों का परीक्षण किया, और फिर दो अलग-अलग संपर्क लेंस सामग्रियों की सतहों को चिह्नित करने के लिए इस विधि का उपयोग किया।बढ़ी हुई संवेदनशीलता के साथ एएफएम नैनोइंडेंटेशन सतहों को चिह्नित करने की यह विधि चिकित्सा उपकरणों और बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में संभावित उपयोग के साथ बायोमिमेटिक विषम अल्ट्रासॉफ्ट सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू होने की उम्मीद है।
लेहफिल्कॉन ए कॉन्टैक्ट लेंस (एल्कॉन, फोर्ट वर्थ, टेक्सास, यूएसए) और उनके सिलिकॉन हाइड्रोजेल सब्सट्रेट्स को नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों के लिए चुना गया था।प्रयोग में एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए लेंस माउंट का उपयोग किया गया था।परीक्षण के लिए लेंस स्थापित करने के लिए, इसे सावधानीपूर्वक गुंबद के आकार के स्टैंड पर रखा गया, यह सुनिश्चित करते हुए कि कोई हवा का बुलबुला अंदर न जाए, और फिर किनारों के साथ इसे ठीक कर दिया गया।लेंस धारक के शीर्ष पर फिक्स्चर में एक छेद तरल को अपनी जगह पर रखते हुए नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों के लिए लेंस के ऑप्टिकल केंद्र तक पहुंच प्रदान करता है।इससे लेंस पूरी तरह हाइड्रेटेड रहते हैं।परीक्षण समाधान के रूप में 500 μl कॉन्टैक्ट लेंस पैकेजिंग समाधान का उपयोग किया गया था।मात्रात्मक परिणामों को सत्यापित करने के लिए, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध गैर-सक्रिय पॉलीएक्रिलामाइड (पीएएएम) हाइड्रोजेल को पॉलीएक्रिलामाइड-सह-मेथिलीन-बिसैक्रिलामाइड संरचना (100 मिमी पेट्रीसॉफ्ट पेट्री डिश, मैट्रिजेन, इरविन, सीए, यूएसए) से तैयार किया गया था, जो 1 का एक ज्ञात लोचदार मापांक है। केपीए.फॉस्फेट बफर्ड सेलाइन की 4-5 बूंदें (लगभग 125 μl) (कॉर्निंग लाइफ साइंसेज, टिवेसबरी, एमए, यूएसए से पीबीएस) और ओपीटीआई-फ्री प्योरमोइस्ट कॉन्टैक्ट लेंस सॉल्यूशन (एल्कोन, वाउड, टीएक्स, यूएसए) की 1 बूंद का उपयोग करें।) एएफएम हाइड्रोजेल-जांच इंटरफ़ेस पर।
स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसटीईएम) डिटेक्टर से लैस एफईआई क्वांटा 250 फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एफईजी एसईएम) प्रणाली का उपयोग करके लेहफिल्कॉन ए सीएल और सीएचवाई सब्सट्रेट के नमूने देखे गए।नमूने तैयार करने के लिए, लेंसों को पहले पानी से धोया गया और पाई के आकार के वेजेज में काटा गया।नमूनों के हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक घटकों के बीच अंतर को प्राप्त करने के लिए, RuO4 के 0.10% स्थिर समाधान को डाई के रूप में इस्तेमाल किया गया था, जिसमें नमूनों को 30 मिनट के लिए डुबोया गया था।लेहफिल्कॉन ए सीएल आरयूओ4 स्टेनिंग न केवल बेहतर अंतर कंट्रास्ट प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है, बल्कि ब्रांच्ड पॉलिमर ब्रश की संरचना को उनके मूल रूप में संरक्षित करने में भी मदद करता है, जो तब एसटीईएम छवियों पर दिखाई देते हैं।फिर उन्हें इथेनॉल सांद्रता बढ़ाने के साथ इथेनॉल/पानी के मिश्रण की एक श्रृंखला में धोया और निर्जलित किया गया।फिर नमूनों को EMBed 812/Araldite एपॉक्सी के साथ डाला गया, जो रात भर में 70°C पर ठीक हो गया।राल पोलीमराइजेशन द्वारा प्राप्त नमूना ब्लॉकों को अल्ट्रामाइक्रोटोम के साथ काटा गया था, और परिणामी पतले खंडों को 30 केवी के त्वरित वोल्टेज पर कम वैक्यूम मोड में एसटीईएम डिटेक्टर के साथ देखा गया था।पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल एएफएम जांच (ब्रूकर नैनो, सांता बारबरा, सीए, यूएसए) के विस्तृत लक्षण वर्णन के लिए उसी एसईएम प्रणाली का उपयोग किया गया था।एएफएम जांच की एसईएम छवियां 30 केवी के त्वरित वोल्टेज के साथ एक विशिष्ट उच्च वैक्यूम मोड में प्राप्त की गईं।एएफएम जांच टिप के आकार और आकार के सभी विवरण रिकॉर्ड करने के लिए विभिन्न कोणों और आवर्धन पर छवियां प्राप्त करें।छवियों में रुचि के सभी टिप आयामों को डिजिटल रूप से मापा गया था।
"फ्लुइड में पीकफोर्स क्यूएनएम" मोड के साथ एक डायमेंशन फास्टस्कैन बायो आइकन परमाणु बल माइक्रोस्कोप (ब्रूकर नैनो, सांता बारबरा, सीए, यूएसए) का उपयोग लेहफिलकॉन ए सीएल, सीएचवाई सब्सट्रेट और पीएएएम हाइड्रोजेल नमूनों को देखने और नैनोइंडेंट करने के लिए किया गया था।इमेजिंग प्रयोगों के लिए, 0.50 हर्ट्ज की स्कैन दर पर नमूने की उच्च रिज़ॉल्यूशन छवियों को कैप्चर करने के लिए 1 एनएम के नाममात्र टिप त्रिज्या के साथ एक PEAKFORCE-HIRS-FA जांच (ब्रूकर) का उपयोग किया गया था।सभी चित्र जलीय घोल में लिए गए थे।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन प्रयोग पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच (ब्रूकर) का उपयोग करके किए गए थे।एएफएम जांच में नाइट्राइड कैंटिलीवर पर 345 एनएम मोटी, 54 µm लंबी और 4.5 µm चौड़ी 45 kHz की गुंजयमान आवृत्ति के साथ एक सिलिकॉन टिप होती है।इसे विशेष रूप से नरम जैविक नमूनों पर मात्रात्मक नैनोमैकेनिकल माप को चिह्नित करने और निष्पादित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।सेंसर को फ़ैक्टरी में प्री-कैलिब्रेटेड स्प्रिंग सेटिंग्स के साथ व्यक्तिगत रूप से कैलिब्रेट किया जाता है।इस अध्ययन में प्रयुक्त जांच के स्प्रिंग स्थिरांक 0.05–0.1 N/m की सीमा में थे।टिप के आकार और आकार को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए, जांच को एसईएम का उपयोग करके विस्तार से चित्रित किया गया था।अंजीर पर.चित्र 1ए पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच का एक उच्च रिज़ॉल्यूशन, कम आवर्धन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ दिखाता है, जो जांच डिजाइन का समग्र दृश्य प्रदान करता है।अंजीर पर.1बी जांच टिप के शीर्ष का एक बड़ा दृश्य दिखाता है, जो टिप के आकार और आकार के बारे में जानकारी प्रदान करता है।चरम सिरे पर, सुई लगभग 140 एनएम व्यास वाला एक गोलार्ध है (चित्र 1सी)।इसके नीचे, टिप एक शंक्वाकार आकार में सिकुड़ती है, जो लगभग 500 एनएम की मापी गई लंबाई तक पहुंचती है।टेपरिंग क्षेत्र के बाहर, टिप बेलनाकार है और 1.18 µm की कुल टिप लंबाई में समाप्त होती है।यह जांच टिप का मुख्य कार्यात्मक भाग है।इसके अलावा, 45 µm के टिप व्यास और 2 N/m के स्प्रिंग स्थिरांक के साथ एक बड़े गोलाकार पॉलीस्टाइन (PS) जांच (नोवास्कैन टेक्नोलॉजीज, इंक., बून, आयोवा, यूएसए) का उपयोग कोलाइडल जांच के रूप में परीक्षण के लिए भी किया गया था।तुलना के लिए पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल 140 एनएम जांच के साथ।
यह बताया गया है कि नैनोइंडेंटेशन के दौरान एएफएम जांच और पॉलिमर ब्रश संरचना के बीच तरल फंस सकता है, जो वास्तव में सतह को छूने से पहले एएफएम जांच पर एक ऊपर की ओर बल लगाएगा।द्रव प्रतिधारण के कारण यह चिपचिपा बाहर निकालना प्रभाव संपर्क के स्पष्ट बिंदु को बदल सकता है, जिससे सतह मापांक माप प्रभावित हो सकता है।द्रव प्रतिधारण पर जांच ज्यामिति और इंडेंटेशन गति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, 1 µm/s और 2 µm/s की निरंतर विस्थापन दर पर 140 एनएम व्यास जांच का उपयोग करके लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों के लिए इंडेंटेशन बल वक्र प्लॉट किए गए थे।जांच व्यास 45 µm, निश्चित बल सेटिंग 6 nN 1 µm/s पर प्राप्त किया गया।140 एनएम व्यास वाली एक जांच के साथ प्रयोग 1 µm/s की इंडेंटेशन गति और 300 pN के एक सेट बल पर किए गए, ऊपरी पलक की शारीरिक सीमा (1-8 kPa) के भीतर संपर्क दबाव बनाने के लिए चुना गया।दबाव 72. 1 केपीए के दबाव के साथ पीएए हाइड्रोजेल के नरम तैयार नमूनों का 140 एनएम के व्यास के साथ एक जांच का उपयोग करके 1 μm/s की गति पर 50 पीएन के इंडेंटेशन बल के लिए परीक्षण किया गया था।
चूंकि पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच की नोक के शंक्वाकार भाग की लंबाई लगभग 500 एनएम है, किसी भी इंडेंटेशन गहराई <500 एनएम के लिए यह सुरक्षित रूप से माना जा सकता है कि इंडेंटेशन के दौरान जांच की ज्यामिति इसके अनुरूप रहेगी। शंकु आकार।इसके अलावा, यह माना जाता है कि परीक्षण के तहत सामग्री की सतह एक प्रतिवर्ती लोचदार प्रतिक्रिया प्रदर्शित करेगी, जिसकी पुष्टि निम्नलिखित अनुभागों में भी की जाएगी।इसलिए, टिप के आकार और आकार के आधार पर, हमने अपने एएफएम नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों (नैनोस्कोप) को संसाधित करने के लिए ब्रिस्को, सेबेस्टियन और एडम्स द्वारा विकसित शंकु-गोलाकार फिटिंग मॉडल को चुना, जो विक्रेता के सॉफ़्टवेयर में उपलब्ध है।पृथक्करण डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर, ब्रुकर) 73. मॉडल गोलाकार शीर्ष दोष वाले शंकु के लिए बल-विस्थापन संबंध F(δ) का वर्णन करता है।अंजीर पर.चित्र 2 एक गोलाकार टिप के साथ एक कठोर शंकु की परस्पर क्रिया के दौरान संपर्क ज्यामिति को दर्शाता है, जहां R गोलाकार टिप की त्रिज्या है, a संपर्क त्रिज्या है, b गोलाकार टिप के अंत में संपर्क त्रिज्या है, δ है संपर्क त्रिज्या.इंडेंटेशन गहराई, θ शंकु का आधा कोण है।इस जांच की एसईएम छवि स्पष्ट रूप से दिखाती है कि 140 एनएम व्यास गोलाकार टिप स्पर्शरेखा से एक शंकु में विलीन हो जाती है, इसलिए यहां बी को केवल आर के माध्यम से परिभाषित किया गया है, यानी बी = आर कॉस θ।विक्रेता द्वारा प्रदत्त सॉफ़्टवेयर बल पृथक्करण डेटा से यंग के मापांक (ई) मानों की गणना करने के लिए एक शंकु-गोलाकार संबंध प्रदान करता है, जिसे > बी माना जाता है।संबंध:
जहां F इंडेंटेशन बल है, E यंग का मापांक है, ν पॉइसन का अनुपात है।संपर्क त्रिज्या a का उपयोग करके अनुमान लगाया जा सकता है:
शाखित पॉलिमर ब्रश की सतह परत के साथ लेफ़िलकॉन संपर्क लेंस की सामग्री में दबाए गए एक गोलाकार टिप के साथ एक कठोर शंकु की संपर्क ज्यामिति की योजना।
यदि a ≤ b, तो संबंध पारंपरिक गोलाकार इंडेंटर के समीकरण में कम हो जाता है;
हमारा मानना ​​है कि पीएमपीसी पॉलीमर ब्रश की शाखित संरचना के साथ इंडेंटिंग जांच की परस्पर क्रिया के कारण संपर्क त्रिज्या ए गोलाकार संपर्क त्रिज्या बी से अधिक हो जाएगी।इसलिए, इस अध्ययन में किए गए लोचदार मापांक के सभी मात्रात्मक मापों के लिए, हमने मामले ए > बी के लिए प्राप्त निर्भरता का उपयोग किया।
इस अध्ययन में अध्ययन किए गए अल्ट्रासॉफ्ट बायोमिमेटिक सामग्रियों को नमूना क्रॉस सेक्शन के स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसटीईएम) और सतह के परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) का उपयोग करके व्यापक रूप से चित्रित किया गया था।यह विस्तृत सतह लक्षण वर्णन हमारे पहले प्रकाशित काम के विस्तार के रूप में किया गया था, जिसमें हमने निर्धारित किया था कि पीएमपीसी-संशोधित लेहफिलकॉन ए सीएल सतह की गतिशील रूप से शाखित पॉलिमरिक ब्रश संरचना ने मूल कॉर्नियल ऊतक 14 के समान यांत्रिक गुणों का प्रदर्शन किया था।इस कारण से, हम संपर्क लेंस सतहों को बायोमिमेटिक सामग्री14 कहते हैं।अंजीर पर.3ए,बी क्रमशः लेहफिलकॉन ए सीएल सब्सट्रेट और एक अनुपचारित SiHy सब्सट्रेट की सतह पर शाखित पीएमपीसी पॉलिमर ब्रश संरचनाओं के क्रॉस सेक्शन दिखाते हैं।उच्च-रिज़ॉल्यूशन एएफएम छवियों का उपयोग करके दोनों नमूनों की सतहों का आगे विश्लेषण किया गया, जिसने एसटीईएम विश्लेषण (छवि 3 सी, डी) के परिणामों की और पुष्टि की।एक साथ लेने पर, ये छवियां 300-400 एनएम पर पीएमपीसी शाखित पॉलिमर ब्रश संरचना की अनुमानित लंबाई देती हैं, जो एएफएम नैनोइंडेंटेशन माप की व्याख्या करने के लिए महत्वपूर्ण है।छवियों से प्राप्त एक अन्य महत्वपूर्ण अवलोकन यह है कि सीएल बायोमिमेटिक सामग्री की समग्र सतह संरचना SiHy सब्सट्रेट सामग्री से रूपात्मक रूप से भिन्न है।उनकी सतह आकृति विज्ञान में यह अंतर इंडेंटिंग एएफएम जांच के साथ उनकी यांत्रिक बातचीत के दौरान और बाद में मापा मापांक मूल्यों में स्पष्ट हो सकता है।
(ए) लेहफिलकॉन ए सीएल और (बी) सीएचवाई सब्सट्रेट की क्रॉस-अनुभागीय एसटीईएम छवियां।स्केल बार, 500 एनएम.लेहफ़िलकॉन ए सीएल सब्सट्रेट (सी) और बेस SiHy सब्सट्रेट (डी) (3 µm × 3 µm) की सतह की एएफएम छवियां।
बायोइंस्पायर्ड पॉलिमर और पॉलिमर ब्रश संरचनाएं स्वाभाविक रूप से नरम होती हैं और इनका व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है और विभिन्न बायोमेडिकल अनुप्रयोगों74,75,76,77 में उपयोग किया गया है।इसलिए, एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करना महत्वपूर्ण है, जो उनके यांत्रिक गुणों को सटीक और विश्वसनीय रूप से माप सकता है।लेकिन साथ ही, इन अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्रियों के अद्वितीय गुण, जैसे बेहद कम लोचदार मापांक, उच्च तरल सामग्री और उच्च लोच, अक्सर इंडेंटिंग जांच की सही सामग्री, आकार और आकार चुनना मुश्किल बना देते हैं।आकार।यह महत्वपूर्ण है ताकि इंडेंटर नमूने की नरम सतह को छेद न दे, जिससे सतह के साथ संपर्क के बिंदु और संपर्क के क्षेत्र को निर्धारित करने में त्रुटियां हो सकती हैं।
इसके लिए, अल्ट्रा-सॉफ्ट बायोमिमेटिक सामग्री (लेहफिल्कॉन ए सीएल) की आकृति विज्ञान की व्यापक समझ आवश्यक है।इमेजिंग विधि का उपयोग करके प्राप्त शाखित पॉलिमर ब्रश के आकार और संरचना के बारे में जानकारी एएफएम नैनोइंडेंटेशन तकनीकों का उपयोग करके सतह के यांत्रिक लक्षण वर्णन के लिए आधार प्रदान करती है।माइक्रोन आकार के गोलाकार कोलाइडल जांच के बजाय, हमने 140 एनएम के टिप व्यास के साथ पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल सिलिकॉन नाइट्राइड जांच (ब्रूकर) को चुना, जो विशेष रूप से जैविक नमूनों 78, 79, 80 के यांत्रिक गुणों की मात्रात्मक मानचित्रण के लिए डिज़ाइन किया गया है। , 81, 82, 83, 84 पारंपरिक कोलाइडल जांच की तुलना में अपेक्षाकृत तेज जांच का उपयोग करने के औचित्य को सामग्री की संरचनात्मक विशेषताओं द्वारा समझाया जा सकता है।चित्र 3ए में दिखाए गए सीएल लेहफिलकॉन ए की सतह पर शाखायुक्त पॉलिमर ब्रश के साथ जांच टिप आकार (~ 140 एनएम) की तुलना करने पर, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि टिप इन ब्रश संरचनाओं के सीधे संपर्क में आने के लिए काफी बड़ी है, जो उनमें टिप के छेद होने की संभावना कम हो जाती है।इस बिंदु को स्पष्ट करने के लिए, चित्र 4 में लेहफिल्कॉन ए सीएल की एक एसटीईएम छवि और एएफएम जांच की इंडेंटिंग टिप (पैमाने पर खींची गई) है।
लेहफिल्कॉन ए सीएल और एसीएम इंडेंटेशन जांच की एसटीईएम छवि दिखाने वाला योजनाबद्ध (पैमाने पर खींचा गया)।
इसके अलावा, 140 एनएम का टिप आकार सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि69,71 द्वारा उत्पादित पॉलिमर ब्रश के लिए पहले बताए गए किसी भी चिपचिपे एक्सट्रूज़न प्रभाव के जोखिम से बचने के लिए काफी छोटा है।हम मानते हैं कि विशेष शंकु-गोलाकार आकार और इस एएफएम टिप (चित्र 1) के अपेक्षाकृत छोटे आकार के कारण, लेहफिलकॉन ए सीएल नैनोइंडेंटेशन द्वारा उत्पन्न बल वक्र की प्रकृति इंडेंटेशन गति या लोडिंग/अनलोडिंग गति पर निर्भर नहीं करेगी। .इसलिए, यह पोरोइलास्टिक प्रभाव से प्रभावित नहीं होता है।इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों को पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच का उपयोग करके एक निश्चित अधिकतम बल पर इंडेंट किया गया था, लेकिन दो अलग-अलग वेगों पर, और परिणामी तन्यता और पीछे हटने वाले बल वक्र का उपयोग बल (एनएन) को प्लॉट करने के लिए किया गया था। पृथक्करण में (µm) चित्र 5ए में दिखाया गया है।यह स्पष्ट है कि लोडिंग और अनलोडिंग के दौरान बल वक्र पूरी तरह से ओवरलैप होते हैं, और इस बात का कोई स्पष्ट प्रमाण नहीं है कि शून्य इंडेंटेशन गहराई पर बल कतरनी चित्र में इंडेंटेशन गति के साथ बढ़ती है, यह सुझाव देती है कि व्यक्तिगत ब्रश तत्वों को पोरोइलास्टिक प्रभाव के बिना चित्रित किया गया था।इसके विपरीत, द्रव प्रतिधारण प्रभाव (चिपचिपा एक्सट्रूज़न और पोरोइलास्टिसिटी प्रभाव) समान इंडेंटेशन गति पर 45 माइक्रोन व्यास एएफएम जांच के लिए स्पष्ट होते हैं और खिंचाव और पीछे हटने वाले वक्रों के बीच हिस्टैरिसीस द्वारा हाइलाइट किए जाते हैं, जैसा कि चित्र 5 बी में दिखाया गया है।ये परिणाम परिकल्पना का समर्थन करते हैं और सुझाव देते हैं कि 140 एनएम व्यास जांच ऐसी नरम सतहों को चिह्नित करने के लिए एक अच्छा विकल्प है।
लेहफ़िलकॉन एसीएम का उपयोग करके ए सीएल इंडेंटेशन बल घटता है;(ए) दो लोडिंग दरों पर 140 एनएम के व्यास के साथ एक जांच का उपयोग करना, सतह इंडेंटेशन के दौरान पोरोइलास्टिक प्रभाव की अनुपस्थिति को प्रदर्शित करना;(बी) 45 µm और 140 एनएम के व्यास के साथ जांच का उपयोग करना।छोटी जांच की तुलना में बड़ी जांच के लिए चिपचिपा एक्सट्रूज़न और पोरोइलास्टिसिटी के प्रभाव दिखाते हैं।
अल्ट्रासॉफ्ट सतहों को चिह्नित करने के लिए, एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधियों में अध्ययन के तहत सामग्री के गुणों का अध्ययन करने के लिए सर्वोत्तम जांच होनी चाहिए।टिप आकार और आकार के अलावा, एएफएम डिटेक्टर सिस्टम की संवेदनशीलता, परीक्षण वातावरण में टिप विक्षेपण की संवेदनशीलता, और कैंटिलीवर कठोरता नैनोइंडेंटेशन की सटीकता और विश्वसनीयता निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।माप.हमारे एएफएम सिस्टम के लिए, स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर (पीएसडी) का पता लगाने की सीमा लगभग 0.5 एमवी है और यह पूर्व-कैलिब्रेटेड स्प्रिंग दर और पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच की गणना की गई द्रव विक्षेपण संवेदनशीलता पर आधारित है, जो से मेल खाती है। सैद्धांतिक भार संवेदनशीलता।0.1 pN से कम है.इसलिए, यह विधि किसी भी परिधीय शोर घटक के बिना न्यूनतम इंडेंटेशन बल ≤ 0.1 पीएन की माप की अनुमति देती है।हालाँकि, यांत्रिक कंपन और द्रव गतिशीलता जैसे कारकों के कारण एएफएम प्रणाली के लिए परिधीय शोर को इस स्तर तक कम करना लगभग असंभव है।ये कारक एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि की समग्र संवेदनशीलता को सीमित करते हैं और इसके परिणामस्वरूप लगभग ≤ 10 पीएन का पृष्ठभूमि शोर संकेत भी मिलता है।सतह के लक्षण वर्णन के लिए, लेहफिलकॉन ए सीएल और सीएचवाई सब्सट्रेट नमूनों को एसईएम लक्षण वर्णन के लिए 140 एनएम जांच का उपयोग करके पूरी तरह से हाइड्रेटेड स्थितियों के तहत इंडेंट किया गया था, और परिणामी बल वक्र बल (पीएन) और दबाव के बीच सुपरइम्पोज़ किए गए थे।पृथक्करण प्लॉट (µm) चित्र 6ए में दिखाया गया है।SiHy बेस सब्सट्रेट की तुलना में, लेहफिलकॉन ए सीएल बल वक्र स्पष्ट रूप से एक संक्रमणकालीन चरण दिखाता है जो फोर्क्ड पॉलिमर ब्रश के साथ संपर्क के बिंदु से शुरू होता है और अंतर्निहित सामग्री के साथ टिप के ढलान अंकन संपर्क में तेज बदलाव के साथ समाप्त होता है।बल वक्र का यह संक्रमणकालीन भाग सतह पर शाखित पॉलिमर ब्रश के वास्तविक लोचदार व्यवहार को उजागर करता है, जैसा कि तनाव वक्र का बारीकी से अनुसरण करने वाले संपीड़न वक्र और ब्रश संरचना और भारी SiHy सामग्री के बीच यांत्रिक गुणों में अंतर से स्पष्ट होता है।लेफिल्कॉन की तुलना करते समय।पीसीएस (चित्र 3ए) की एसटीईएम छवि में एक शाखित पॉलिमर ब्रश की औसत लंबाई को अलग करना और चित्र 3ए में एब्सिस्सा के साथ इसका बल वक्र।6ए से पता चलता है कि विधि सतह के शीर्ष तक पहुंचने वाले टिप और शाखित बहुलक का पता लगाने में सक्षम है।ब्रश संरचनाओं के बीच संपर्क.इसके अलावा, बल वक्रों का करीबी ओवरलैप कोई तरल प्रतिधारण प्रभाव नहीं दर्शाता है।इस मामले में, सुई और नमूने की सतह के बीच बिल्कुल कोई आसंजन नहीं है।दो नमूनों के लिए बल वक्र के सबसे ऊपरी भाग ओवरलैप होते हैं, जो सब्सट्रेट सामग्री के यांत्रिक गुणों की समानता को दर्शाते हैं।
(ए) लेहफिलकॉन ए सीएल सबस्ट्रेट्स और सीएचवाई सबस्ट्रेट्स के लिए एएफएम नैनोइंडेंटेशन बल वक्र, (बी) पृष्ठभूमि शोर थ्रेशोल्ड विधि का उपयोग करके संपर्क बिंदु अनुमान दिखाने वाले बल वक्र।
बल वक्र के बारीक विवरण का अध्ययन करने के लिए, लेहफिलकॉन ए सीएल नमूने के तनाव वक्र को y-अक्ष के साथ 50 पीएन के अधिकतम बल के साथ चित्र 6 बी में फिर से प्लॉट किया गया है।यह ग्राफ़ मूल पृष्ठभूमि शोर के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।शोर ±10 पीएन की सीमा में है, जिसका उपयोग संपर्क बिंदु को सटीक रूप से निर्धारित करने और इंडेंटेशन गहराई की गणना करने के लिए किया जाता है।जैसा कि साहित्य में बताया गया है, मापांक85 जैसे भौतिक गुणों का सटीक आकलन करने के लिए संपर्क बिंदुओं की पहचान महत्वपूर्ण है।बल वक्र डेटा के स्वचालित प्रसंस्करण से जुड़े एक दृष्टिकोण ने नरम सामग्रियों86 के लिए डेटा फिटिंग और मात्रात्मक माप के बीच एक बेहतर फिट दिखाया है।इस कार्य में, संपर्क के बिंदुओं का हमारा चुनाव अपेक्षाकृत सरल और उद्देश्यपूर्ण है, लेकिन इसकी अपनी सीमाएँ हैं।संपर्क के बिंदु को निर्धारित करने के लिए हमारे रूढ़िवादी दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप छोटी इंडेंटेशन गहराई (<100 एनएम) के लिए मॉड्यूलस मान थोड़ा अधिक हो सकता है।हमारी पद्धति को और बेहतर बनाने के लिए एल्गोरिदम-आधारित टचपॉइंट डिटेक्शन और स्वचालित डेटा प्रोसेसिंग का उपयोग भविष्य में इस कार्य को जारी रख सकता है।इस प्रकार, ±10 पीएन के क्रम पर आंतरिक पृष्ठभूमि शोर के लिए, हम संपर्क बिंदु को ≥10 पीएन के मान के साथ चित्र 6बी में एक्स-अक्ष पर पहले डेटा बिंदु के रूप में परिभाषित करते हैं।फिर, 10 पीएन की शोर सीमा के अनुसार, ~0.27 µm के स्तर पर एक ऊर्ध्वाधर रेखा सतह के साथ संपर्क के बिंदु को चिह्नित करती है, जिसके बाद स्ट्रेचिंग वक्र तब तक जारी रहता है जब तक कि सब्सट्रेट ~270 एनएम की इंडेंटेशन गहराई को पूरा नहीं कर लेता।दिलचस्प बात यह है कि, इमेजिंग विधि का उपयोग करके मापे गए ब्रंचयुक्त पॉलिमर ब्रश फीचर्स (300-400 एनएम) के आकार के आधार पर, पृष्ठभूमि शोर थ्रेशोल्ड विधि का उपयोग करके देखे गए सीएल लेहफिलकॉन ए नमूने की इंडेंटेशन गहराई लगभग 270 एनएम है, जो बहुत करीब है STEM के साथ माप का आकार।ये परिणाम इस बहुत नरम और अत्यधिक लोचदार शाखायुक्त पॉलिमर ब्रश संरचना के इंडेंटेशन के लिए एएफएम जांच टिप के आकार और आकार की अनुकूलता और प्रयोज्यता की पुष्टि करते हैं।यह डेटा संपर्क बिंदुओं को इंगित करने के लिए पृष्ठभूमि शोर को एक सीमा के रूप में उपयोग करने की हमारी पद्धति का समर्थन करने के लिए मजबूत सबूत भी प्रदान करता है।इस प्रकार, गणितीय मॉडलिंग और बल वक्र फिटिंग से प्राप्त कोई भी मात्रात्मक परिणाम अपेक्षाकृत सटीक होना चाहिए।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधियों द्वारा मात्रात्मक माप पूरी तरह से डेटा चयन और उसके बाद के विश्लेषण के लिए उपयोग किए जाने वाले गणितीय मॉडल पर निर्भर हैं।इसलिए, किसी विशेष मॉडल को चुनने से पहले इंडेंटर की पसंद, भौतिक गुणों और उनकी बातचीत के यांत्रिकी से संबंधित सभी कारकों पर विचार करना महत्वपूर्ण है।इस मामले में, टिप ज्यामिति को एसईएम माइक्रोग्राफ (छवि 1) का उपयोग करके सावधानीपूर्वक चित्रित किया गया था, और परिणामों के आधार पर, एक कठोर शंकु और गोलाकार टिप ज्यामिति के साथ 140 एनएम व्यास एएफएम नैनोइंडेंटिंग जांच लेहफिलकॉन ए सीएल79 नमूनों को चिह्नित करने के लिए एक अच्छा विकल्प है। .एक अन्य महत्वपूर्ण कारक जिसका सावधानीपूर्वक मूल्यांकन करने की आवश्यकता है वह है परीक्षण की जा रही बहुलक सामग्री की लोच।यद्यपि नैनोइंडेंटेशन का प्रारंभिक डेटा (चित्र 5ए और 6ए) तनाव और संपीड़न वक्रों के ओवरलैपिंग की विशेषताओं को स्पष्ट रूप से रेखांकित करता है, यानी, सामग्री की पूर्ण लोचदार पुनर्प्राप्ति, संपर्कों की विशुद्ध रूप से लोचदार प्रकृति की पुष्टि करना बेहद महत्वपूर्ण है। .इसके लिए, पूर्ण जलयोजन स्थितियों के तहत 1 μm/s की इंडेंटेशन दर पर लेहफ़िलकॉन ए सीएल नमूने की सतह पर एक ही स्थान पर दो क्रमिक इंडेंटेशन किए गए थे।परिणामी बल वक्र डेटा अंजीर में दिखाया गया है।7 और, जैसा कि अपेक्षित था, दोनों प्रिंटों का विस्तार और संपीड़न वक्र लगभग समान हैं, जो शाखित पॉलिमर ब्रश संरचना की उच्च लोच को उजागर करते हैं।
लेहफिलकॉन ए सीएल की सतह पर एक ही स्थान पर दो इंडेंटेशन बल वक्र लेंस सतह की आदर्श लोच का संकेत देते हैं।
क्रमशः जांच टिप और लेहफिलकॉन ए सीएल सतह की एसईएम और एसटीईएम छवियों से प्राप्त जानकारी के आधार पर, शंकु-गोलाकार मॉडल एएफएम जांच टिप और परीक्षण किए जा रहे नरम बहुलक सामग्री के बीच बातचीत का एक उचित गणितीय प्रतिनिधित्व है।इसके अलावा, इस शंकु-गोले मॉडल के लिए, मुद्रित सामग्री के लोचदार गुणों के बारे में मूलभूत धारणाएं इस नई बायोमिमेटिक सामग्री के लिए सही हैं और लोचदार मापांक को मापने के लिए उपयोग की जाती हैं।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि और उसके घटकों के व्यापक मूल्यांकन के बाद, जिसमें इंडेंटेशन जांच गुण (आकार, आकार और स्प्रिंग कठोरता), संवेदनशीलता (पृष्ठभूमि शोर और संपर्क बिंदु अनुमान), और डेटा फिटिंग मॉडल (मात्रात्मक मापांक माप) शामिल हैं, विधि थी इस्तेमाल किया गया।मात्रात्मक परिणामों को सत्यापित करने के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अल्ट्रा-सॉफ्ट नमूनों को चिह्नित करें।1 kPa के लोचदार मापांक के साथ एक वाणिज्यिक पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) हाइड्रोजेल का 140 एनएम जांच का उपयोग करके हाइड्रेटेड परिस्थितियों में परीक्षण किया गया था।मॉड्यूल परीक्षण और गणना का विवरण अनुपूरक सूचना में प्रदान किया गया है।परिणामों से पता चला कि मापा गया औसत मापांक 0.92 kPa था, और ज्ञात मापांक से %RSD और प्रतिशत (%) विचलन 10% से कम था।ये परिणाम अल्ट्रासॉफ्ट सामग्रियों के मॉड्यूल को मापने के लिए इस काम में उपयोग की जाने वाली एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि की सटीकता और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्यता की पुष्टि करते हैं।इंडेंटेशन गहराई के एक फ़ंक्शन के रूप में अल्ट्रासॉफ्ट सतह के स्पष्ट संपर्क मापांक का अध्ययन करने के लिए लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों और SiHy बेस सब्सट्रेट की सतहों को उसी एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके चित्रित किया गया था।300 पीएन के बल, 1 µm/s की गति और पूर्ण जलयोजन पर प्रत्येक प्रकार के तीन नमूनों (n = 3; प्रति नमूना एक इंडेंटेशन) के लिए इंडेंटेशन बल पृथक्करण वक्र उत्पन्न किए गए थे।शंकु-गोले मॉडल का उपयोग करके इंडेंटेशन बल साझाकरण वक्र का अनुमान लगाया गया था।इंडेंटेशन गहराई पर निर्भर मापांक प्राप्त करने के लिए, बल वक्र का 40 एनएम चौड़ा हिस्सा संपर्क के बिंदु से शुरू करके 20 एनएम की प्रत्येक वृद्धि पर सेट किया गया था, और बल वक्र के प्रत्येक चरण पर मापांक के मूल्यों को मापा गया था।स्पिन साइ एट अल.कोलाइडल एएफएम जांच नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करके पॉली (लॉरिल मेथैक्रिलेट) (पी12एमए) पॉलिमर ब्रश के मापांक ढाल को चिह्नित करने के लिए एक समान दृष्टिकोण का उपयोग किया गया है, और वे हर्ट्ज संपर्क मॉडल का उपयोग करके डेटा के अनुरूप हैं।यह दृष्टिकोण स्पष्ट संपर्क मापांक (केपीए) बनाम इंडेंटेशन गहराई (एनएम) का एक प्लॉट प्रदान करता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, जो स्पष्ट संपर्क मापांक/गहराई ढाल को दर्शाता है।सीएल लेहफिलकॉन ए नमूने की गणना की गई लोचदार मापांक नमूने के ऊपरी 100 एनएम के भीतर 2-3 केपीए की सीमा में है, जिसके आगे यह गहराई के साथ बढ़ना शुरू हो जाता है।दूसरी ओर, जब सतह पर ब्रश जैसी फिल्म के बिना SiHy बेस सब्सट्रेट का परीक्षण किया जाता है, तो 300 pN के बल पर प्राप्त अधिकतम इंडेंटेशन गहराई 50 एनएम से कम होती है, और डेटा से प्राप्त मापांक मान लगभग 400 kPa होता है , जो थोक सामग्रियों के लिए यंग के मापांक के मूल्यों के बराबर है।
मापांक को मापने के लिए शंकु-गोलाकार ज्यामिति के साथ एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके लेहफिलकॉन ए सीएल और सीएचवाई सब्सट्रेट के लिए स्पष्ट संपर्क मापांक (केपीए) बनाम इंडेंटेशन गहराई (एनएम)।
नवीन बायोमिमेटिक ब्रांच्ड पॉलिमर ब्रश संरचना की सबसे ऊपरी सतह लोच का बेहद कम मापांक (2-3 केपीए) प्रदर्शित करती है।यह फोर्क्ड पॉलिमर ब्रश के मुक्त लटकते सिरे से मेल खाएगा जैसा कि STEM छवि में दिखाया गया है।जबकि सीएल के बाहरी किनारे पर मापांक ढाल के कुछ सबूत हैं, मुख्य उच्च मापांक सब्सट्रेट अधिक प्रभावशाली है।हालाँकि, सतह का शीर्ष 100 एनएम शाखित बहुलक ब्रश की कुल लंबाई के 20% के भीतर है, इसलिए यह मान लेना उचित है कि इस इंडेंटेशन गहराई सीमा में मापांक के मापा मान अपेक्षाकृत सटीक हैं और दृढ़ता से नहीं नीचे की वस्तु के प्रभाव पर निर्भर करता है।
लेहफ़िलकॉन ए कॉन्टैक्ट लेंस के अनूठे बायोमिमेटिक डिज़ाइन के कारण, जिसमें SiHy सबस्ट्रेट्स की सतह पर ग्राफ्ट किए गए शाखायुक्त पीएमपीसी पॉलिमर ब्रश संरचनाएं शामिल हैं, पारंपरिक माप विधियों का उपयोग करके उनकी सतह संरचनाओं के यांत्रिक गुणों को विश्वसनीय रूप से चिह्नित करना बहुत मुश्किल है।यहां हम उच्च जल सामग्री और अत्यधिक उच्च लोच के साथ लेफिलकॉन ए जैसी अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्री को सटीक रूप से चिह्नित करने के लिए एक उन्नत एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि प्रस्तुत करते हैं।यह विधि एएफएम जांच के उपयोग पर आधारित है जिसकी टिप का आकार और ज्यामिति को अंकित किए जाने वाले अल्ट्रा-सॉफ्ट सतह सुविधाओं के संरचनात्मक आयामों से मेल खाने के लिए सावधानीपूर्वक चुना जाता है।जांच और संरचना के बीच आयामों का यह संयोजन बढ़ी हुई संवेदनशीलता प्रदान करता है, जिससे हमें पोरोइलास्टिक प्रभाव की परवाह किए बिना, शाखित बहुलक ब्रश तत्वों के कम मापांक और अंतर्निहित लोचदार गुणों को मापने की अनुमति मिलती है।परिणामों से पता चला कि जब जलीय वातावरण में परीक्षण किया गया तो लेंस की सतह की विशेषता वाले अद्वितीय शाखित पीएमपीसी पॉलिमर ब्रश में बेहद कम लोचदार मापांक (2 केपीए तक) और बहुत उच्च लोच (लगभग 100%) था।एएफएम नैनोइंडेंटेशन के परिणामों ने हमें बायोमिमेटिक लेंस सतह के स्पष्ट संपर्क मापांक/गहराई ढाल (30 केपीए/200 एनएम) को चिह्नित करने की भी अनुमति दी।यह ग्रेडिएंट शाखित पॉलिमर ब्रश और SiHy सब्सट्रेट के बीच मापांक अंतर, या पॉलिमर ब्रश की शाखित संरचना/घनत्व, या उसके संयोजन के कारण हो सकता है।हालाँकि, संरचना और गुणों के बीच संबंधों को पूरी तरह से समझने के लिए और गहन अध्ययन की आवश्यकता है, विशेष रूप से यांत्रिक गुणों पर ब्रश शाखाओं के प्रभाव को।इसी तरह के माप अन्य अल्ट्रा-सॉफ्ट सामग्रियों और चिकित्सा उपकरणों की सतह के यांत्रिक गुणों को चिह्नित करने में मदद कर सकते हैं।
वर्तमान अध्ययन के दौरान उत्पन्न और/या विश्लेषण किए गए डेटासेट उचित अनुरोध पर संबंधित लेखकों से उपलब्ध हैं।
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