Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Prikazuje vrtuljak od tri slajda odjednom.Koristite gumbe Prethodno i Sljedeće za pomicanje kroz tri slajda istovremeno ili koristite gumbe klizača na kraju za kretanje kroz tri slajda odjednom.
S razvojem novih ultra-mekanih materijala za medicinske uređaje i biomedicinske primjene, sveobuhvatna karakterizacija njihovih fizičkih i mehaničkih svojstava je i važna i izazovna.Primijenjena je tehnika nanoindentacije modificirane mikroskopije atomske sile (AFM) kako bi se karakterizirao izuzetno niski površinski modul nove lehfilcon A biomimetičke kontaktne leće od silikonskog hidrogela presvučene slojem četkastih struktura razgranatog polimera.Ova metoda omogućuje precizno određivanje kontaktnih točaka bez učinaka viskozne ekstruzije pri približavanju razgranatim polimerima.Osim toga, omogućuje određivanje mehaničkih karakteristika pojedinih elemenata četke bez učinka poroelastičnosti.To se postiže odabirom AFM sonde s dizajnom (veličina vrha, geometrija i brzina opruge) koji je posebno prikladan za mjerenje svojstava mekih materijala i bioloških uzoraka.Ova metoda poboljšava osjetljivost i točnost za točno mjerenje vrlo mekog materijala lehfilcon A, koji ima izuzetno nizak modul elastičnosti na površini (do 2 kPa) i izuzetno visoku elastičnost u unutarnjem (gotovo 100%) vodenom okruženju. .Rezultati površinske studije ne samo da su otkrili ultra-meka površinska svojstva lehfilcon A leće, već su također pokazali da je modul razgranatih polimernih četkica usporediv s modulom silicij-vodikove podloge.Ova tehnika karakterizacije površine može se primijeniti na druge ultra-meke materijale i medicinske uređaje.
Mehanička svojstva materijala dizajniranih za izravan kontakt sa živim tkivom često su određena biološkim okolišem.Savršeno podudaranje ovih svojstava materijala pomaže u postizanju željenih kliničkih karakteristika materijala bez izazivanja neželjenih staničnih odgovora1,2,3.Za homogene materijale u rasutom stanju, karakterizacija mehaničkih svojstava je relativno laka zbog dostupnosti standardnih postupaka i metoda ispitivanja (npr. mikroudubljivanje4,5,6).Međutim, za ultra-meke materijale kao što su gelovi, hidrogelovi, biopolimeri, žive stanice itd., ove ispitne metode općenito nisu primjenjive zbog ograničenja rezolucije mjerenja i nehomogenosti nekih materijala7.Tijekom godina, tradicionalne metode utiskivanja modificirane su i prilagođene za karakterizaciju širokog raspona mekih materijala, ali mnoge metode još uvijek pate od ozbiljnih nedostataka koji ograničavaju njihovu upotrebu8,9,10,11,12,13.Nedostatak specijaliziranih ispitnih metoda koje mogu točno i pouzdano karakterizirati mehanička svojstva supermekih materijala i površinskih slojeva ozbiljno ograničava njihovu upotrebu u različitim primjenama.
U našem prethodnom radu predstavili smo lehfilcon A (CL) kontaktnu leću, mekani heterogeni materijal sa svim svojstvima ultra-meke površine izvedenim iz potencijalno biomimetičkih dizajna inspiriranih površinom rožnice oka.Ovaj je biomaterijal razvijen cijepljenjem razgranatog, umreženog polimernog sloja poli(2-metakriloiloksietilfosforilkolina (MPC)) (PMPC) na silikonski hidrogel (SiHy) 15 dizajniran za medicinske uređaje temeljene na.Ovim procesom cijepljenja na površini se stvara sloj koji se sastoji od vrlo meke i visoko elastične razgranate polimerne četkaste strukture.Naš prethodni rad potvrdio je da biomimetička struktura lehfilcona A CL pruža superiorna površinska svojstva kao što su poboljšano vlaženje i sprječavanje obraštanja, povećana mazivost i smanjena stanična i bakterijska adhezija15,16.Osim toga, uporaba i razvoj ovog biomimetičkog materijala također sugerira daljnje širenje na druge biomedicinske uređaje.Stoga je ključno okarakterizirati površinska svojstva ovog ultra-mekog materijala i razumjeti njegovu mehaničku interakciju s okom kako bi se stvorila sveobuhvatna baza znanja za podršku budućim razvojima i primjenama.Većina komercijalno dostupnih SiHy kontaktnih leća sastoji se od homogene mješavine hidrofilnih i hidrofobnih polimera koji tvore jedinstvenu strukturu materijala17.Provedeno je nekoliko studija kako bi se ispitala njihova mehanička svojstva korištenjem tradicionalnih metoda ispitivanja kompresije, rastezanja i mikroudubljenja18,19,20,21.Međutim, novi biomimetički dizajn lehfilcona A CL čini ga jedinstvenim heterogenim materijalom u kojem se mehanička svojstva razgranatih polimernih četkicastih struktura značajno razlikuju od onih SiHy baznog supstrata.Stoga je vrlo teško točno kvantificirati ta svojstva korištenjem konvencionalnih metoda i metoda utiskivanja.Obećavajuća metoda koristi metodu ispitivanja nanoindentacije implementiranu u mikroskopiju atomske sile (AFM), metodu koja se koristi za određivanje mehaničkih svojstava mekih viskoelastičnih materijala kao što su biološke stanice i tkiva, kao i meki polimeri22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.U AFM nanoindentaciji, osnove ispitivanja nanoindentacije kombiniraju se s najnovijim napretkom u AFM tehnologiji kako bi se osigurala povećana osjetljivost mjerenja i testiranje širokog raspona inherentno supermekanih materijala31,32,33,34,35,36.Osim toga, tehnologija nudi druge važne prednosti korištenjem različitih geometrija.indentera i sonde te mogućnost ispitivanja u raznim tekućim medijima.
AFM nanoindentacija može se uvjetno podijeliti u tri glavne komponente: (1) oprema (senzori, detektori, sonde itd.);(2) mjerni parametri (kao što su sila, pomak, brzina, veličina rampe, itd.);(3) Obrada podataka (ispravak osnovne linije, procjena dodirne točke, prilagođavanje podataka, modeliranje, itd.).Značajan problem s ovom metodom je to što nekoliko studija u literaturi koje koriste AFM nanoindentaciju izvješćuju o vrlo različitim kvantitativnim rezultatima za isti tip uzorka/stanice/materijala37,38,39,40,41.Na primjer, Lekka et al.Proučavan je i uspoređen utjecaj geometrije AFM sonde na izmjereni Youngov modul uzoraka mehanički homogenog hidrogela i heterogenih ćelija.Izvještavaju da vrijednosti modula jako ovise o izboru konzole i obliku vrha, s najvišom vrijednošću za sondu u obliku piramide i najnižom vrijednošću od 42 za sferičnu sondu.Slično, Selhuber-Unkel et al.Pokazano je kako brzina indentera, veličina indentera i debljina uzoraka poliakrilamida (PAAM) utječu na Youngov modul mjeren ACM43 nanoindentacijom.Još jedan komplicirajući čimbenik je nedostatak standardnih materijala za ispitivanje iznimno niskog modula i besplatnih postupaka ispitivanja.Zbog toga je vrlo teško s pouzdanjem dobiti točne rezultate.Međutim, metoda je vrlo korisna za relativna mjerenja i usporedne procjene između sličnih vrsta uzoraka, na primjer korištenjem AFM nanoindentacije za razlikovanje normalnih stanica od stanica raka 44, 45 .
Pri ispitivanju mekih materijala s AFM nanoindentacijom, opće pravilo je da se koristi sonda s niskom konstantom opruge (k) koja se blisko podudara s modulom uzorka i polukuglastim/okruglim vrhom tako da prva sonda ne probije površinu uzorka na prvi kontakt s mekim materijalima.Također je važno da signal otklona koji generira sonda bude dovoljno jak da ga detektira sustav laserskog detektora24,34,46,47.U slučaju ultra mekih heterogenih stanica, tkiva i gelova, još jedan izazov je nadvladati adhezivnu silu između sonde i površine uzorka kako bi se osigurala ponovljiva i pouzdana mjerenja48,49,50.Sve do nedavno većina radova na AFM nanoindentaciji bila je usmjerena na proučavanje mehaničkog ponašanja bioloških stanica, tkiva, gelova, hidrogelova i biomolekula korištenjem relativno velikih sfernih sondi, koje se obično nazivaju koloidne sonde (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ovi vrhovi imaju radijus od 1 do 50 µm i obično se izrađuju od borosilikatnog stakla, polimetil metakrilata (PMMA), polistirena (PS), silicijevog dioksida (SiO2) i dijamantnog poput ugljika (DLC) .Iako je CP-AFM nanoindentacija često prvi izbor za karakterizaciju mekog uzorka, ona ima svoje probleme i ograničenja.Korištenje velikih sferičnih vrhova mikronske veličine povećava ukupnu kontaktnu površinu vrha s uzorkom i rezultira značajnim gubitkom prostorne rezolucije.Za meke, nehomogene uzorke, gdje se mehanička svojstva lokalnih elemenata mogu značajno razlikovati od prosjeka na širem području, CP utiskivanje može sakriti bilo kakvu nehomogenost svojstava na lokalnoj razini52.Koloidne sonde obično se izrađuju pričvršćivanjem koloidnih sfera mikronske veličine na konzole bez vrha pomoću epoksidnih ljepila.Sam proces proizvodnje prepun je mnogih problema i može dovesti do nedosljednosti u procesu kalibracije sonde.Osim toga, veličina i masa koloidnih čestica izravno utječu na glavne kalibracijske parametre konzole, kao što su rezonantna frekvencija, krutost opruge i osjetljivost na otklon56,57,58.Stoga, metode koje se uobičajeno koriste za konvencionalne AFM sonde, kao što je kalibracija temperature, možda neće pružiti točnu kalibraciju za CP, a druge metode mogu biti potrebne za izvođenje ovih korekcija57, 59, 60, 61. Tipični eksperimenti s utiskivanjem CP koriste velika odstupanja konzole za proučavati svojstva mekih uzoraka, što stvara još jedan problem pri kalibraciji nelinearnog ponašanja konzole pri relativno velikim odstupanjima62,63,64.Suvremene metode utiskivanja koloidne sonde obično uzimaju u obzir geometriju konzole koja se koristi za kalibraciju sonde, ali zanemaruju utjecaj koloidnih čestica, što stvara dodatnu nesigurnost u točnosti metode38,61.Slično tome, moduli elastičnosti izračunati prilagodbom kontaktnog modela izravno ovise o geometriji sonde za utiskivanje, a neusklađenost između karakteristika vrha i površine uzorka može dovesti do netočnosti27, 65, 66, 67, 68. Neki noviji radovi Spencera i sur.Istaknuti su čimbenici koje treba uzeti u obzir pri karakterizaciji mekih polimernih četkica primjenom CP-AFM metode nanoindentiranja.Izvijestili su da zadržavanje viskozne tekućine u polimernim četkicama kao funkcija brzine rezultira povećanjem opterećenja glave i stoga različitim mjerenjima svojstava ovisnih o brzini30,69,70,71.
U ovoj smo studiji karakterizirali površinski modul ultra-mekog visokoelastičnog materijala lehfilcon A CL koristeći modificiranu AFM metodu nanoindentiranja.S obzirom na svojstva i novu strukturu ovog materijala, raspon osjetljivosti tradicionalne metode utiskivanja očito je nedostatan za karakterizaciju modula ovog iznimno mekog materijala, pa je potrebno koristiti AFM nanoindentacijsku metodu s većom i nižom osjetljivošću.razini.Nakon pregleda nedostataka i problema postojećih tehnika nanoindentacije koloidne AFM sonde, pokazujemo zašto smo odabrali manju, posebno dizajniranu AFM sondu za uklanjanje osjetljivosti, pozadinske buke, preciznu točku kontakta, mjerenje modula brzine mekih heterogenih materijala kao što je zadržavanje tekućine ovisnost.i točnu kvantifikaciju.Osim toga, bili smo u mogućnosti točno izmjeriti oblik i dimenzije vrha udubljenja, što nam je omogućilo da koristimo model pristajanja konusne sfere za određivanje modula elastičnosti bez procjene kontaktne površine vrha s materijalom.Dvije implicitne pretpostavke koje su kvantificirane u ovom radu su potpuno elastična svojstva materijala i modul neovisan o dubini udubljenja.Koristeći ovu metodu, najprije smo testirali ultra-meke standarde s poznatim modulom kako bismo kvantificirali metodu, a zatim smo je upotrijebili za karakterizaciju površina dvaju različitih materijala kontaktnih leća.Očekuje se da će ova metoda karakterizacije AFM nanoindentacijskih površina s povećanom osjetljivošću biti primjenjiva na širok raspon biomimetičkih heterogenih ultramekih materijala s potencijalnom upotrebom u medicinskim uređajima i biomedicinskim primjenama.
Kontaktne leće Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Teksas, SAD) i njihove silikonske hidrogelne podloge odabrane su za pokuse nanoindentiranja.U eksperimentu je korišten posebno dizajnirani bajonet za objektiv.Za postavljanje leće za testiranje pažljivo je postavljena na kupolasto postolje, pazeći da unutra ne uđu mjehurići zraka, a zatim je pričvršćena rubovima.Rupa u učvršćenju na vrhu držača leće omogućuje pristup optičkom središtu leće za pokuse nanoudubljenja dok drži tekućinu na mjestu.Time leće ostaju potpuno hidratizirane.Kao ispitna otopina korišteno je 500 μl otopine za pakiranje kontaktnih leća.Za provjeru kvantitativnih rezultata, komercijalno dostupni neaktivirani poliakrilamidni (PAAM) hidrogelovi pripremljeni su iz sastava poliakrilamid-ko-metilen-bisakrilamida (100 mm Petrisoft Petrijeve zdjelice, Matrigen, Irvine, CA, SAD), poznatog modula elastičnosti od 1 kPa.Upotrijebite 4-5 kapi (približno 125 µl) fosfatno puferirane slane otopine (PBS tvrtke Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, SAD) i 1 kap otopine za kontaktne leće OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, SAD).) na sučelju AFM hidrogel-sonda.
Uzorci Lehfilcon A CL i SiHy supstrata vizualizirani su pomoću FEI Quanta 250 sustava skenirajućeg elektronskog mikroskopa s emisijom polja (FEG SEM) opremljenog detektorom skenirajućeg transmisionog elektronskog mikroskopa (STEM).Za pripremu uzoraka leće su najprije isprane vodom i izrezane u klinove u obliku pita.Da bi se postigao diferencijalni kontrast između hidrofilne i hidrofobne komponente uzoraka, kao boja korištena je 0,10% stabilizirana otopina RuO4 u koju su uzorci uronjeni 30 min.Bojanje lehfilcon A CL RuO4 važno je ne samo za postizanje poboljšanog diferencijalnog kontrasta, već također pomaže u očuvanju strukture razgranatih polimernih kistova u njihovom izvornom obliku, koji su zatim vidljivi na STEM slikama.Zatim su isprani i dehidrirani u nizu smjesa etanol/voda s rastućom koncentracijom etanola.Uzorci su zatim izliveni s EMBed 812/Araldite epoksidom, koji se stvrdnjavao preko noći na 70°C.Blokovi uzoraka dobiveni polimerizacijom smole izrezani su ultramikrotomom, a dobiveni tanki rezovi vizualizirani su STEM detektorom u niskom vakuumu na naponu ubrzanja od 30 kV.Isti SEM sustav korišten je za detaljnu karakterizaciju PFQNM-LC-A-CAL AFM sonde (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, SAD).SEM slike AFM sonde dobivene su u tipičnom režimu visokog vakuuma s naponom ubrzanja od 30 kV.Snimite slike pod različitim kutovima i povećanjima kako biste zabilježili sve detalje oblika i veličine vrha AFM sonde.Sve interesne dimenzije vrhova na slikama izmjerene su digitalno.
Mikroskop atomske sile Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, SAD) s načinom rada "PeakForce QNM in Fluid" korišten je za vizualizaciju i nanoindentaciju uzoraka lehfilcon A CL, SiHy supstrata i PAAm hidrogela.Za pokuse sa slikom, PEAKFORCE-HIRS-FA sonda (Bruker) s nominalnim polumjerom vrha od 1 nm korištena je za snimanje slika uzorka visoke rezolucije pri brzini skeniranja od 0,50 Hz.Sve slike su snimljene u vodenoj otopini.
Eksperimenti AFM nanoindentacije provedeni su pomoću sonde PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).AFM sonda ima silikonski vrh na nitridnoj konzoli debljine 345 nm, duljine 54 µm i širine 4,5 µm s rezonantnom frekvencijom od 45 kHz.Posebno je dizajniran za karakterizaciju i izvođenje kvantitativnih nanomehaničkih mjerenja na mekim biološkim uzorcima.Senzori su pojedinačno kalibrirani u tvornici s prethodno kalibriranim postavkama opruge.Konstante opruge sondi korištenih u ovoj studiji bile su u rasponu od 0,05–0,1 N/m.Kako bi se točno odredio oblik i veličina vrha, sonda je detaljno karakterizirana pomoću SEM-a.Na sl.Slika 1a prikazuje skenirani elektronski mikrograf visoke rezolucije i malog povećanja sonde PFQNM-LC-A-CAL, pružajući holistički prikaz dizajna sonde.Na sl.Slika 1b prikazuje uvećani pogled na vrh vrha sonde, pružajući informacije o obliku i veličini vrha.Na krajnjem kraju, igla je hemisfera promjera oko 140 nm (slika 1c).Ispod toga, vrh se sužava u stožasti oblik, dosežući izmjerenu duljinu od približno 500 nm.Izvan suženog područja, vrh je cilindričan i završava ukupnom duljinom vrha od 1,18 µm.Ovo je glavni funkcionalni dio vrha sonde.Osim toga, velika sferična polistirenska (PS) sonda (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, SAD) s promjerom vrha od 45 µm i konstantom opruge od 2 N/m također je korištena za ispitivanje kao koloidna sonda.s PFQNM-LC-A-CAL sondom od 140 nm za usporedbu.
Zabilježeno je da tekućina može biti zarobljena između AFM sonde i strukture polimerne četke tijekom nanoindentiranja, što će izvršiti silu prema gore na AFM sondu prije nego što doista dotakne površinu69.Ovaj učinak viskozne ekstruzije zbog zadržavanja tekućine može promijeniti prividnu točku kontakta, čime utječe na mjerenje modula površine.Kako bi se proučio učinak geometrije sonde i brzine utiskivanja na zadržavanje tekućine, krivulje sile utiskivanja iscrtane su za uzorke lehfilcon A CL korištenjem sonde promjera 140 nm pri konstantnim brzinama pomaka od 1 µm/s i 2 µm/s.promjer sonde 45 µm, fiksna postavka sile 6 nN postignuta pri 1 µm/s.Eksperimenti sa sondom promjera 140 nm provedeni su pri brzini utiskivanja od 1 µm/s i postavljenoj sili od 300 pN, odabranoj za stvaranje kontaktnog tlaka unutar fiziološkog raspona (1–8 kPa) gornjeg kapka.tlak 72. Mekani gotovi uzorci PAA hidrogela tlaka 1 kPa testirani su na silu utiskivanja od 50 pN pri brzini od 1 μm/s pomoću sonde promjera 140 nm.
Budući da je duljina konusnog dijela vrha sonde PFQNM-LC-A-CAL približno 500 nm, za bilo koju dubinu utiskivanja < 500 nm može se sa sigurnošću pretpostaviti da će geometrija sonde tijekom utiskivanja ostati vjerna svojoj oblik stošca.Osim toga, pretpostavlja se da će površina materijala koji se ispituje pokazati reverzibilni elastični odgovor, što će također biti potvrđeno u sljedećim odjeljcima.Stoga smo, ovisno o obliku i veličini vrha, odabrali model prilagodbe stošca i sfere koji su razvili Briscoe, Sebastian i Adams, koji je dostupan u softveru dobavljača, za obradu naših eksperimenata AFM nanoindentacije (NanoScope).Softver za analizu podataka o razdvajanju, Bruker) 73. Model opisuje odnos sile i pomaka F(δ) za stožac sa sfernim defektom na vrhu.Na sl.Slika 2 prikazuje geometriju kontakta tijekom interakcije krutog stošca sa sfernim vrhom, gdje je R radijus sferičnog vrha, a je kontaktni radijus, b je kontaktni radijus na kraju sferičnog vrha, δ je radijus kontakta.dubina udubljenja, θ je polukut stošca.SEM slika ove sonde jasno pokazuje da se sferični vrh promjera 140 nm tangencijalno spaja u stožac, tako da je ovdje b definiran samo kroz R, tj. b = R cos θ.Softver koji isporučuje dobavljač pruža odnos stožac-sfera za izračunavanje vrijednosti Youngovog modula (E) iz podataka o razdvajanju sile pod pretpostavkom a > b.Odnos:
gdje je F sila utiskivanja, E Youngov modul, ν Poissonov omjer.Kontaktni radijus a može se procijeniti pomoću:
Shema kontaktne geometrije krutog stošca sa sfernim vrhom utisnutog u materijal kontaktne leće Lefilcon s površinskim slojem razgranatih polimernih četkica.
Ako je a ≤ b, relacija se svodi na jednadžbu za konvencionalni sferni utiskivač;
Vjerujemo da će interakcija sonde za utiskivanje s razgranatom strukturom PMPC polimerne četke uzrokovati da kontaktni radijus a bude veći od sferičnog kontaktnog radijusa b.Stoga smo za sva kvantitativna mjerenja modula elastičnosti provedena u ovom istraživanju koristili ovisnost dobivenu za slučaj a > b.
Ultrameki biomimetički materijali proučavani u ovoj studiji sveobuhvatno su snimljeni pomoću skenirajuće transmisijske elektronske mikroskopije (STEM) presjeka uzorka i mikroskopije atomske sile (AFM) površine.Ova detaljna karakterizacija površine provedena je kao proširenje našeg prethodno objavljenog rada, u kojem smo utvrdili da dinamički razgranata polimerna četkasta struktura PMPC-modificirane lehfilcon A CL površine pokazuje slična mehanička svojstva kao izvorno tkivo rožnice 14 .Iz tog razloga, površine kontaktnih leća nazivamo biomimetičkim materijalima14.Na sl.Slike 3a,b prikazuju poprečne presjeke razgranatih PMPC polimernih četkastih struktura na površini lehfilcon A CL supstrata, odnosno netretiranog SiHy supstrata.Površine oba uzorka dodatno su analizirane pomoću AFM slika visoke rezolucije, što je dodatno potvrdilo rezultate STEM analize (sl. 3c, d).Uzete zajedno, ove slike daju približnu duljinu strukture razgranate polimerne četke PMPC na 300-400 nm, što je kritično za tumačenje AFM mjerenja nanoindentacije.Drugo ključno zapažanje izvedeno iz slika je da je ukupna površinska struktura CL biomimetičkog materijala morfološki različita od strukture SiHy supstrata.Ova razlika u njihovoj površinskoj morfologiji može postati očita tijekom njihove mehaničke interakcije s AFM sondom za utiskivanje i naknadno u izmjerenim vrijednostima modula.
STEM slike presjeka (a) lehfilcon A CL i (b) SiHy supstrata.Mjerna traka, 500 nm.AFM slike površine lehfilcon A CL supstrata (c) i osnovnog SiHy supstrata (d) (3 µm × 3 µm).
Bioinspirirani polimeri i strukture polimernih četkica inherentno su mekani i naširoko su proučavani i korišteni u raznim biomedicinskim primjenama74,75,76,77.Stoga je važno koristiti AFM metodu nanoindentiranja, kojom se mogu precizno i ​​pouzdano izmjeriti njihova mehanička svojstva.Ali u isto vrijeme, jedinstvena svojstva ovih ultra-mekih materijala, kao što su ekstremno nizak modul elastičnosti, visok sadržaj tekućine i visoka elastičnost, često otežavaju odabir pravog materijala, oblika i oblika sonde za utiskivanje.veličina.Ovo je važno kako indenter ne bi probio meku površinu uzorka, što bi dovelo do pogrešaka u određivanju točke dodira s površinom i područja kontakta.
Za to je bitno sveobuhvatno razumijevanje morfologije ultra-mekih biomimetičkih materijala (lehfilcon A CL).Podaci o veličini i strukturi razgranatih polimernih četkica dobiveni metodom snimanja daju osnovu za mehaničku karakterizaciju površine pomoću AFM tehnika nanoindentiranja.Umjesto mikronskih sfernih koloidnih sondi odabrali smo PFQNM-LC-A-CAL silicijev nitrid sondu (Bruker) s promjerom vrha od 140 nm, posebno dizajniranu za kvantitativno mapiranje mehaničkih svojstava bioloških uzoraka 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 Razlog za korištenje relativno oštrih sondi u usporedbi s konvencionalnim koloidnim sondama može se objasniti strukturnim značajkama materijala.Uspoređujući veličinu vrha sonde (~140 nm) s razgranatim polimernim četkicama na površini CL lehfilcona A, prikazanim na sl. 3a, može se zaključiti da je vrh dovoljno velik da dođe u izravan kontakt s tim strukturama četkica, koje smanjuje mogućnost da vrh probije kroz njih.Za ilustraciju ove točke, na slici 4 je STEM slika lehfilcona A CL i udubnog vrha AFM sonde (nacrtano u mjerilu).
Shematski prikaz STEM slike lehfilcon A CL i ACM sonde za udubljenje (nacrtano u mjerilu).
Osim toga, veličina vrha od 140 nm dovoljno je mala da se izbjegne rizik od bilo kojeg od učinaka ljepljive ekstruzije prethodno prijavljenih za polimerne četke proizvedene metodom nanoindentacije CP-AFM69,71.Pretpostavljamo da zbog posebnog stožasto-sferičnog oblika i relativno male veličine ovog AFM vrha (Sl. 1), priroda krivulje sile koju generira lehfilcon A CL nanoudubljenje neće ovisiti o brzini utiskivanja ili brzini punjenja/pražnjenja .Stoga na njega ne utječu poroelastični učinci.Kako bi se testirala ova hipoteza, lehfilcon A CL uzorci su uvučeni pri fiksnoj najvećoj sili pomoću PFQNM-LC-A-CAL sonde, ali pri dvije različite brzine, a rezultirajuće krivulje sile zatezanja i uvlačenja korištene su za iscrtavanje sile (nN) u razdvajanju (µm) prikazan je na slici 5a.Jasno je da se krivulje sile tijekom opterećenja i rasterećenja u potpunosti preklapaju i nema jasnih dokaza da smicanje sile na nultoj dubini utiskivanja raste s brzinom utiskivanja na slici, što sugerira da su pojedinačni elementi četke karakterizirani bez poroelastičnoga učinka.Nasuprot tome, učinci zadržavanja tekućine (učinci viskozne ekstruzije i poroelastičnosti) vidljivi su za AFM sondu promjera 45 µm pri istoj brzini utiskivanja i istaknuti su histerezom između krivulja istezanja i uvlačenja, kao što je prikazano na slici 5b.Ovi rezultati podržavaju hipotezu i sugeriraju da su sonde promjera 140 nm dobar izbor za karakterizaciju takvih mekih površina.
lehfilcon A CL krivulje sile utiskivanja pomoću ACM-a;(a) upotrebom sonde promjera 140 nm pri dvije brzine opterećenja, pokazujući odsutnost poroelastičnog učinka tijekom površinskog utiskivanja;(b) pomoću sondi promjera 45 µm i 140 nm.pokazuju učinke viskozne ekstruzije i poroelastičnosti za velike sonde u usporedbi s manjim sondama.
Za karakterizaciju ultramekih površina, metode AFM nanoindentiranja moraju imati najbolju sondu za proučavanje svojstava materijala koji se proučava.Uz oblik i veličinu vrha, osjetljivost AFM detektorskog sustava, osjetljivost na otklon vrha u ispitnom okruženju i krutost konzole igraju važnu ulogu u određivanju točnosti i pouzdanosti nanoindentiranja.mjerenja.Za naš AFM sustav, granica detekcije osjetljivog na položaj (PSD) je približno 0,5 mV i temelji se na prethodno kalibriranoj brzini opruge i izračunatoj osjetljivosti otklona tekućine sonde PFQNM-LC-A-CAL, što odgovara teorijska osjetljivost na opterećenje.manji je od 0,1 pN.Stoga ova metoda omogućuje mjerenje minimalne sile utiskivanja ≤ 0,1 pN bez ikakve periferne komponente šuma.Međutim, gotovo je nemoguće da AFM sustav smanji perifernu buku na ovu razinu zbog čimbenika kao što su mehaničke vibracije i dinamika fluida.Ovi čimbenici ograničavaju ukupnu osjetljivost metode AFM nanoindentacije i također rezultiraju signalom pozadinskog šuma od približno ≤ 10 pN.Za površinsku karakterizaciju, uzorci supstrata lehfilcon A CL i SiHy uvučeni su pod potpuno hidratiziranim uvjetima korištenjem sonde od 140 nm za SEM karakterizaciju, a rezultirajuće krivulje sile superponirane su između sile (pN) i tlaka.Dijagram razdvajanja (µm) prikazan je na slici 6a.U usporedbi sa SiHy baznom podlogom, lehfilcon A CL krivulja sile jasno pokazuje prijelaznu fazu koja počinje na točki kontakta s račvastom polimernom četkom i završava oštrom promjenom u nagibu koji označava kontakt vrha s podložnim materijalom.Ovaj prijelazni dio krivulje sile naglašava istinski elastično ponašanje razgranate polimerne četke na površini, što je dokazano krivuljom kompresije koja usko prati krivulju napetosti i kontrastom u mehaničkim svojstvima između strukture četke i glomaznog SiHy materijala.Kada se uspoređuje lefilcon.Razdvajanje prosječne duljine razgranate polimerne četke na STEM slici PCS-a (Sl. 3a) i krivulje njegove sile duž apscise na Sl. 3a.Slika 6a pokazuje da metoda može otkriti vrh i razgranati polimer koji doseže sam vrh površine.Kontakt između struktura četkica.Osim toga, blisko preklapanje krivulja sile ukazuje na to da nema učinka zadržavanja tekućine.U ovom slučaju nema apsolutno nikakvog prianjanja između igle i površine uzorka.Najviši dijelovi krivulja sile za dva uzorka preklapaju se, odražavajući sličnost mehaničkih svojstava materijala supstrata.
(a) AFM krivulje sile nanoindentacije za supstrate lehfilcon A CL i SiHy supstrate, (b) krivulje sile koje pokazuju procjenu kontaktne točke korištenjem metode praga pozadinske buke.
Kako bi se proučili finiji detalji krivulje sile, krivulja napetosti uzorka lehfilcon A CL ponovno je iscrtana na slici 6b s maksimalnom silom od 50 pN duž y-osi.Ovaj grafikon pruža važne informacije o izvornoj pozadinskoj buci.Šum je u rasponu od ±10 pN, što se koristi za točno određivanje kontaktne točke i izračunavanje dubine utiskivanja.Kao što je navedeno u literaturi, identifikacija kontaktnih točaka ključna je za točnu procjenu svojstava materijala kao što je modul85.Pristup koji uključuje automatsku obradu podataka krivulje sile pokazao je poboljšanu usklađenost između prilagođavanja podataka i kvantitativnih mjerenja za mekane materijale86.U ovom radu naš izbor dodirnih točaka je relativno jednostavan i objektivan, ali ima svoja ograničenja.Naš konzervativni pristup određivanju kontaktne točke može rezultirati malo precijenjenim vrijednostima modula za manje dubine utiskivanja (< 100 nm).Upotreba otkrivanja dodirnih točaka temeljenog na algoritmu i automatizirane obrade podataka mogli bi biti nastavak ovog rada u budućnosti kako bismo dodatno poboljšali našu metodu.Stoga, za intrinzičnu pozadinsku buku reda veličine ±10 pN, definiramo kontaktnu točku kao prvu podatkovnu točku na x-osi na slici 6b s vrijednošću od ≥10 pN.Zatim, u skladu s pragom buke od 10 pN, okomita linija na razini od ~0,27 µm označava točku kontakta s površinom, nakon čega se krivulja istezanja nastavlja sve dok supstrat ne dostigne dubinu udubljenja od ~270 nm.Zanimljivo, na temelju veličine razgranatih polimernih četkica (300–400 nm) izmjerenih metodom snimanja, dubina udubljenja uzorka CL lehfilcon A promatrana metodom praga pozadinske buke je oko 270 nm, što je vrlo blizu mjernu veličinu pomoću STEM-a.Ovi rezultati dodatno potvrđuju kompatibilnost i primjenjivost oblika i veličine vrha AFM sonde za utiskivanje ove vrlo mekane i vrlo elastične razgranate polimerne strukture četke.Ovi podaci također pružaju snažne dokaze koji podržavaju našu metodu korištenja pozadinske buke kao praga za precizno određivanje kontaktnih točaka.Stoga bi svi kvantitativni rezultati dobiveni matematičkim modeliranjem i prilagođavanjem krivulje sile trebali biti relativno točni.
Kvantitativna mjerenja metodama AFM nanoindentacije potpuno ovise o matematičkim modelima koji se koriste za odabir podataka i naknadnu analizu.Stoga je važno razmotriti sve čimbenike vezane uz izbor indentera, svojstva materijala i mehaniku njihove interakcije prije odabira određenog modela.U ovom slučaju, geometrija vrha pažljivo je karakterizirana korištenjem SEM mikrografija (slika 1), a na temelju rezultata, AFM nanoindentirajuća sonda promjera 140 nm s tvrdim konusom i sfernom geometrijom vrha dobar je izbor za karakterizaciju lehfilcon A CL79 uzoraka .Još jedan važan čimbenik koji treba pažljivo procijeniti je elastičnost polimernog materijala koji se ispituje.Iako početni podaci nanoindentiranja (sl. 5a i 6a) jasno ocrtavaju značajke preklapanja krivulja napetosti i kompresije, odnosno potpuni elastični oporavak materijala, iznimno je važno potvrditi čisto elastičnu prirodu kontakata. .U tu su svrhu izvedena dva uzastopna utiskivanja na istom mjestu na površini lehfilcon A CL uzorka brzinom utiskivanja od 1 µm/s u uvjetima pune hidratacije.Dobiveni podaci krivulje sile prikazani su na sl.7 i, kao što se i očekivalo, krivulje ekspanzije i kompresije dvaju otisaka gotovo su identične, ističući visoku elastičnost razgranate polimerne strukture četke.
Dvije krivulje sile utiskivanja na istom mjestu na površini lehfilcona A CL pokazuju idealnu elastičnost površine leće.
Na temelju informacija dobivenih iz SEM i STEM slika vrha sonde odnosno lehfilcon A CL površine, model konusne sfere razuman je matematički prikaz interakcije između vrha AFM sonde i mekog polimernog materijala koji se testira.Osim toga, za ovaj model konusne sfere, temeljne pretpostavke o elastičnim svojstvima utisnutog materijala vrijede za ovaj novi biomimetički materijal i koriste se za kvantificiranje modula elastičnosti.
Nakon sveobuhvatne evaluacije metode AFM nanoindentacije i njezinih komponenti, uključujući svojstva sonde za utiskivanje (oblik, veličina i krutost opruge), osjetljivost (pozadinski šum i procjena kontaktne točke) i modele prilagođavanja podataka (kvantitativna mjerenja modula), metoda je koristi se.karakterizirati komercijalno dostupne ultra-meke uzorke za provjeru kvantitativnih rezultata.Komercijalni poliakrilamidni (PAAM) hidrogel s modulom elastičnosti od 1 kPa testiran je u hidratiziranim uvjetima pomoću sonde od 140 nm.Pojedinosti o testiranju modula i proračunima navedeni su u Dodatnim informacijama.Rezultati su pokazali da je prosječni izmjereni modul bio 0,92 kPa, a %RSD i postotak (%) odstupanja od poznatog modula bili su manji od 10%.Ovi rezultati potvrđuju točnost i ponovljivost metode AFM nanoindentacije korištene u ovom radu za mjerenje modula ultramekih materijala.Površine lehfilcon A CL uzoraka i SiHy baznog supstrata dodatno su karakterizirane korištenjem iste AFM metode nanoindentiranja za proučavanje prividnog kontaktnog modula ultrameke površine kao funkcije dubine utiskivanja.Krivulje razdvajanja sile utiskivanja generirane su za tri uzorka svake vrste (n = 3; jedno utiskivanje po uzorku) pri sili od 300 pN, brzini od 1 µm/s i punoj hidrataciji.Krivulja raspodjele sile utiskivanja aproksimirana je pomoću modela konusne sfere.Kako bi se dobio modul ovisan o dubini udubljenja, dio krivulje sile od 40 nm širok je postavljen na svakom koraku od 20 nm počevši od točke kontakta, a izmjerene su vrijednosti modula na svakom koraku krivulje sile.Spin Cy i sur.Sličan pristup korišten je za karakterizaciju gradijenta modula polimernih četkica od poli(lauril metakrilata) (P12MA) korištenjem nanoindentacije koloidne AFM sonde i oni su u skladu s podacima koji koriste Hertzov kontaktni model.Ovaj pristup daje dijagram prividnog kontaktnog modula (kPa) u odnosu na dubinu udubljenja (nm), kao što je prikazano na slici 8, koja ilustrira prividni kontaktni modul/gradijent dubine.Izračunati modul elastičnosti uzorka CL lehfilcon A je u rasponu od 2-3 kPa unutar gornjih 100 nm uzorka, nakon čega počinje rasti s dubinom.S druge strane, pri ispitivanju SiHy baznog supstrata bez filma poput četke na površini, maksimalna dubina utiskivanja postignuta pri sili od 300 pN je manja od 50 nm, a vrijednost modula dobivena iz podataka je oko 400 kPa , što je usporedivo s vrijednostima Youngovog modula za rasute materijale.
Prividni kontaktni modul (kPa) u odnosu na dubinu utiskivanja (nm) za lehfilcon A CL i SiHy supstrate korištenjem AFM metode nanoindentiranja s geometrijom stožaste sfere za mjerenje modula.
Najgornja površina nove biomimetičke strukture četke od razgranatog polimera pokazuje iznimno nizak modul elastičnosti (2–3 kPa).To će odgovarati slobodnom visećem kraju rašljaste polimerne četke kao što je prikazano na STEM slici.Iako postoje neki dokazi o gradijentu modula na vanjskom rubu CL-a, glavni supstrat visokog modula je utjecajniji.Međutim, gornjih 100 nm površine nalazi se unutar 20% ukupne duljine razgranate polimerne četke, pa je razumno pretpostaviti da su izmjerene vrijednosti modula u ovom rasponu dubine udubljenja relativno točne i da nisu jako ovise o učinku donjeg objekta.
Zbog jedinstvenog biomimetičkog dizajna kontaktnih leća lehfilcon A, koje se sastoje od razgranatih PMPC polimernih četkastih struktura nacijepljenih na površinu SiHy supstrata, vrlo je teško pouzdano karakterizirati mehanička svojstva njihovih površinskih struktura korištenjem tradicionalnih metoda mjerenja.Ovdje predstavljamo naprednu AFM metodu nanoutiskivanja za precizno karakteriziranje ultra-mekih materijala kao što je lefilcon A s visokim sadržajem vode i iznimno velikom elastičnošću.Ova se metoda temelji na korištenju AFM sonde čija su veličina vrha i geometrija pažljivo odabrane kako bi odgovarale strukturnim dimenzijama ultra-mekih površinskih značajki koje treba otisnuti.Ova kombinacija dimenzija između sonde i strukture pruža povećanu osjetljivost, što nam omogućuje mjerenje niskog modula i inherentnih elastičnih svojstava razgranatih polimernih četkica, bez obzira na poroelastični učinak.Rezultati su pokazali da jedinstvene razgranate PMPC polimerne četkice karakteristične za površinu leće imaju iznimno nizak modul elastičnosti (do 2 kPa) i vrlo visoku elastičnost (gotovo 100%) kada su testirane u vodenom okruženju.Rezultati AFM nanoindentacije također su nam omogućili karakterizaciju prividnog kontaktnog modula/gradijenta dubine (30 kPa/200 nm) površine biomimetičke leće.Ovaj gradijent može biti posljedica razlike modula između razgranatih polimernih četkica i SiHy supstrata, ili razgranate strukture/gustoće polimernih četkica, ili njihove kombinacije.Međutim, potrebna su daljnja dubinska istraživanja kako bi se u potpunosti razumio odnos između strukture i svojstava, posebice učinak grananja četkica na mehanička svojstva.Slična mjerenja mogu pomoći u karakterizaciji mehaničkih svojstava površine drugih ultra mekih materijala i medicinskih uređaja.
Skupovi podataka generirani i/ili analizirani tijekom trenutne studije dostupni su od odgovarajućih autora na razuman zahtjev.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. i Haugen, HJ Biološke reakcije na fizikalna i kemijska svojstva površina biomaterijala.Kemijski.društvo.ur.49, 5178-5224 (2020).
Chen, FM i Liu, X. Poboljšanje biomaterijala ljudskog porijekla za tkivni inženjering.programiranje.polimer.znanost.53, 86 (2016).
Sadtler, K. i sur.Dizajn, klinička primjena i imunološki odgovor biomaterijala u regenerativnoj medicini.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK i Farr GM Poboljšana metoda za određivanje tvrdoće i modula elastičnosti pomoću eksperimenata utiskivanja s mjerenjima opterećenja i pomaka.J. Alma mater.spremnik.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Povijesno podrijetlo ispitivanja tvrdoće utiskivanja.alma mater.znanost.tehnologije.28, 1028-1044 (2012).
Broitman, E. Mjerenja tvrdoće utiskivanja na makro-, mikro- i nanoskali: Kritički osvrt.pleme.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD i Clapperich, SM Pogreške detekcije površine dovode do precjenjivanja modula u nanoindentiranju mekih materijala.J. Mecha.Ponašanje.Biomedicinska znanost.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR i Yahya M.Yu.Evaluacija metode nanoindentiranja za određivanje mehaničkih karakteristika heterogenih nanokompozita eksperimentalnim i računskim metodama.znanost.Kuća 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, i Owart, TS Mehanička karakterizacija mekih viskoelastičnih gelova utiskivanjem i inverznom analizom konačnih elemenata temeljenom na optimizaciji.J. Mecha.Ponašanje.Biomedicinska znanost.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J i Chaneler D. Optimizacija određivanja viskoelastičnosti korištenjem kompatibilnih mjernih sustava.Meka tvar 9, 5581-5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. i Pellillo, E. Nanoindentacija polimernih površina.J. Fizika.D. Prijavite se za fiziku.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. i Van Vliet KJ Karakterizacija viskoelastičnih mehaničkih svojstava visoko elastičnih polimera i bioloških tkiva korištenjem udarnog utiskivanja.Časopis za biomaterijale.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Procjena modula elastičnosti i adhezije mekih materijala korištenjem proširene Borodich-Galanov (BG) metode i dubokog utiskivanja.krzno.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. i sur.Morfologija i mehanička svojstva biomimetičkih polimernih površina silikonskih hidrogelnih kontaktnih leća u nanoskali.Langmuir 37, 13961-13967 (2021).