Mèsi paske w vizite Nature.com.W ap itilize yon vèsyon navigatè ak sipò CSS limite.Pou pi bon eksperyans, nou rekòmande pou w sèvi ak yon navigatè ki ajou (oswa enfim mòd konpatibilite nan Internet Explorer).Anplis de sa, asire sipò kontinyèl, nou montre sit la san estil ak JavaScript.
Montre yon Carousel twa glisad alafwa.Sèvi ak bouton Previous ak Next pou deplase nan twa glisad alafwa, oswa itilize bouton kurseur nan fen a pou w deplase nan twa glisad alafwa.
Ak devlopman nan nouvo materyèl ultra-mou pou aparèy medikal ak aplikasyon byomedikal, karakterizasyon konplè nan pwopriyete fizik ak mekanik yo se tou de enpòtan ak defi.Yo te aplike yon teknik nanoindentation modifye mikwoskòp fòs atomik (AFM) pou karakterize modil sifas ki ba anpil nouvo lehfilcon Yon lantiy kontak idwojèl silicone biomimetic kouvwi ak yon kouch estrikti bwòs polymère branch.Metòd sa a pèmèt detèminasyon egzak pwen kontak san efè ekstrizyon gluan lè w ap apwoche polymère branch.Anplis de sa, li fè li posib pou detèmine karakteristik mekanik eleman bwòs endividyèl yo san efè poroelastisite.Sa a se reyalize lè w chwazi yon sond AFM ak yon konsepsyon (gwosè pwent, jeyometri ak pousantaj prentan) ki patikilyèman apwopriye pou mezire pwopriyete materyèl mou ak echantiyon byolojik.Metòd sa a amelyore sansiblite ak presizyon pou mezi egzat nan materyèl la trè mou lehfilcon A, ki gen yon modil trè ba nan elastisite sou sifas la (jiska 2 kPa) ak yon elastisite trè wo nan anviwònman an akeuz entèn (prèske 100%). .Rezilta etid sifas la pa sèlman revele pwopriyete sifas ultra-mou nan lantiy lehfilcon A, men tou, te montre ke modil bwòs polymère branch yo te konparab ak sa ki nan substra Silisyòm-idwojèn.Teknik karakterizasyon sifas sa a ka aplike nan lòt materyèl ultra-mou ak aparèy medikal.
Pwopriyete mekanik materyèl ki fèt pou kontak dirèk ak tisi vivan yo souvan detèmine pa anviwònman byolojik la.Match pafè a nan pwopriyete materyèl sa yo ede reyalize karakteristik klinik yo vle nan materyèl la san yo pa lakòz negatif repons selilè1,2,3.Pou materyèl omojèn esansyèl, karakterizasyon pwopriyete mekanik relativman fasil akòz disponiblite pwosedi estanda ak metòd tès (egzanp, microindentation4,5,6).Sepandan, pou materyèl ultra-mou tankou jèl, idrogel, biopolymers, selil k ap viv, elatriye, metòd tès sa yo jeneralman pa aplikab akòz limit rezolisyon mezi ak inhomogeneity nan kèk materyèl7.Pandan ane yo, metòd tradisyonèl indentation yo te modifye ak adapte yo karakterize yon pakèt materyèl mou, men anpil metòd toujou soufri de enpèfeksyon grav ki limite itilizasyon yo8,9,10,11,12,13.Mank nan metòd tès espesyalize ki ka byen ak seryezman karakterize pwopriyete yo mekanik nan materyèl supersoft ak kouch sifas grav limite itilizasyon yo nan aplikasyon divès kalite.
Nan travay anvan nou an, nou te prezante lantiy kontak lehfilcon A (CL), yon materyèl mou eterojèn ak tout pwopriyete sifas ultra-mou ki sòti nan desen potansyèlman biomimetik enspire pa sifas korn je a.Biomateryèl sa a te devlope pa greffe yon branch, kwa-lye polymère wèbsayt] poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) sou yon hydrogel silicone (SiHy) 15 ki fèt pou aparèy medikal ki baze sou.Pwosesis grèf sa a kreye yon kouch sou sifas ki fòme ak yon estrikti bwòs polymère ramifié trè mou ak trè elastik.Travay anvan nou an te konfime ke estrikti biomimetik lehfilcon A CL bay pwopriyete siperyè sifas tankou amelyore pipi ak prevansyon fouling, ogmante lubrisite, ak redwi adezyon selil ak bakteri15,16.Anplis de sa, itilizasyon ak devlopman materyèl biomimetik sa a tou sijere plis ekspansyon nan lòt aparèy byomedikal.Se poutèt sa, li enpòtan pou karakterize pwopriyete sifas materyèl sa a ultra-mou epi konprann entèraksyon mekanik li yo ak je a yo nan lòd yo kreye yon baz konesans konplè pou sipòte devlopman nan lavni ak aplikasyon yo.Pifò lantiy kontak SiHy ki disponib nan komès yo konpoze de yon melanj omojèn nan polymère idrofil ak idrofob ki fòme yon estrikti materyèl inifòm17.Plizyè etid yo te fèt pou mennen ankèt sou pwopriyete mekanik yo lè l sèvi avèk metòd tès tradisyonèl konpresyon, tensile ak mikroindentation18,19,20,21.Sepandan, nouvo konsepsyon biomimetik lehfilcon A CL fè li yon materyèl inik etewojèn kote pwopriyete mekanik estrikti bwòs polymère branch yo diferan anpil ak sa ki nan substra baz SiHy.Se poutèt sa, li trè difisil pou byen mezire pwopriyete sa yo lè l sèvi avèk metòd konvansyonèl ak indentation.Yon metòd pwomèt sèvi ak metòd tès nanoindentation aplike nan mikwoskopi fòs atomik (AFM), yon metòd ki te itilize pou detèmine pwopriyete mekanik materyèl viscoelastic mou tankou selil byolojik ak tisi, osi byen ke polymère mou22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.Nan AFM nanoindentation, fondamantal nan tès nanoindentation yo konbine avèk dènye pwogrè yo nan teknoloji AFM bay ogmante sansiblite mezi ak tès nan yon pakèt materyèl natirèlman supersoft31,32,33,34,35,36.Anplis de sa, teknoloji a ofri lòt avantaj enpòtan atravè itilizasyon diferan jeyometri.indenter ak pwofonde ak posibilite pou fè tès nan divès medya likid.
Nanoindentation AFM ka divize an twa konpozan prensipal: (1) ekipman (detèktè, detektè, sond, elatriye);(2) paramèt mezi (tankou fòs, deplasman, vitès, gwosè ranp, elatriye);(3) Pwosesis done (koreksyon debaz, estimasyon pwen manyen, fitting done, modèl, elatriye).Yon pwoblèm enpòtan ak metòd sa a se ke plizyè etid nan literati lè l sèvi avèk AFM nanoindentation rapòte rezilta quantitative trè diferan pou menm echantiyon / selil / kalite materyèl 37,38,39,40,41.Pou egzanp, Lekka et al.Enfliyans jeyometri pwofonde AFM sou modil Young ki mezire echantiyon idwojèl mekanikman omojèn ak selil eterojèn yo te etidye ak konpare.Yo rapòte ke valè modil yo trè depann sou seleksyon cantilever ak fòm pwent, ak valè ki pi wo a pou yon sond ki gen fòm piramid ak valè ki pi ba a nan 42 pou yon sond esferik.Menm jan an tou, Selhuber-Unkel et al.Li te montre kouman vitès indenter, gwosè indenter ak epesè echantiyon polyacrylamide (PAAM) afekte modil Young la mezire pa nanoindentation ACM43.Yon lòt faktè konplike se mank de estanda materyèl tès modil trè ba ak pwosedi tès gratis.Sa fè li trè difisil pou jwenn rezilta egzat ak konfyans.Sepandan, metòd la trè itil pou mezi relatif ak evalyasyon konparatif ant kalite echantiyon menm jan an, pou egzanp lè l sèvi avèk AFM nanoindentation pou fè distenksyon ant selil nòmal ak selil kansè yo 44, 45 .
Lè w teste materyèl mou ak nanoindentation AFM, yon règ jeneral se sèvi ak yon pwofonde ki gen yon konstan prentan ki ba (k) ki byen matche ak modil echantiyon an ak yon pwent emisferik / wonn pou premye sond la pa pèse sifas echantiyon yo sou. premye kontak ak materyèl mou.Li enpòtan tou ke siyal la devyasyon ki te pwodwi pa pwofonde a dwe fò ase yo dwe detekte pa sistèm nan detektè lazè24,34,46,47.Nan ka ultra-mou selil etewojèn, tisi ak jèl, yon lòt defi se simonte fòs la adezif ant pwofonde a ak sifas echantiyon an asire mezi repwodiktif ak serye48,49,50.Jiska dènyèman, pifò travay sou AFM nanoindentation te konsantre sou etid konpòtman mekanik selil byolojik, tisi, jèl, idrogel, ak biomolekil lè l sèvi avèk sond esferik relativman gwo, souvan refere yo kòm sond koloidal (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Konsèy sa yo gen yon reyon 1 a 50 µm epi yo souvan fèt ak borosilicate vè, polymethyl metaacrylate (PMMA), polystyrène (PS), silikon diyoksid (SiO2) ak dyaman-. tankou kabòn (DLC).Malgre ke CP-AFM nanoindentation se souvan premye chwa pou karakterizasyon echantiyon mou, li gen pwoblèm pwòp li yo ak limit.Itilizasyon gwo pwent esferik ki menm gwosè ak micron ogmante zòn kontak total pwent la ak echantiyon an epi rezilta nan yon pèt enpòtan nan rezolisyon espasyal.Pou espesimèn mou, ki pa omojèn, kote pwopriyete mekanik eleman lokal yo ka diferan anpil de mwayèn sou yon zòn ki pi laj, indentation CP ka kache nenpòt inomojèn nan pwopriyete sou yon echèl lokal52.Sond koloidal yo tipikman fèt pa atache esfè koloidal ki menm gwosè ak mikron nan cantilever tipless lè l sèvi avèk adezif epoksidik.Pwosesis fabrikasyon an tèt li chaje ak anpil pwoblèm epi li ka mennen nan enkonsistans nan pwosesis kalibrasyon ankèt la.Anplis de sa, gwosè a ak mas nan patikil koloidal dirèkteman afekte paramèt kalibrasyon prensipal yo nan cantilever a, tankou frekans sonan, rèd prentan, ak sansiblite devyasyon56,57,58.Kidonk, metòd souvan itilize pou sond AFM konvansyonèl yo, tankou kalibrasyon tanperati, ka pa bay yon kalibrasyon egzat pou CP, ak lòt metòd yo ka oblije fè koreksyon sa yo57, 59, 60, 61. Eksperyans tipik indentation CP itilize gwo devyasyon cantilever pou etidye pwopriyete yo nan echantiyon mou, ki kreye yon lòt pwoblèm lè kalibre konpòtman an ki pa lineyè nan cantilever a nan devyasyon relativman gwo62,63,64.Metòd modèn pwofonde koloidal pwofonde anjeneral pran an kont jeyometri nan cantilever yo itilize pou kalibre ankèt la, men inyore enfliyans nan patikil koloidal, ki kreye ensètitid adisyonèl nan presizyon nan metòd la38,61.Menm jan an tou, modil elastik kalkile pa fitting modèl kontak yo depann dirèkteman sou jeyometri nan pwofonde nan indentation, ak dezakò ant pwent ak karakteristik sifas echantiyon ka mennen nan inexactitudes27, 65, 66, 67, 68. Gen kèk travay resan pa Spencer et al.Faktè ki ta dwe pran an kont lè karakterize bwòs polymère mou lè l sèvi avèk metòd nanoindentation CP-AFM yo make.Yo rapòte ke retansyon nan yon likid gluan nan bwòs polymère kòm yon fonksyon nan rezilta vitès nan yon ogmantasyon nan loading tèt yo e pakonsekan mezi diferan nan vitès depann pwopriyete30,69,70,71.
Nan etid sa a, nou te karakterize modil sifas ultra-mou trè elastik materyèl lehfilcon A CL lè l sèvi avèk yon metòd modifye nanoindentation AFM.Bay pwopriyete yo ak nouvo estrikti nan materyèl sa a, seri a sansiblite nan metòd la indentation tradisyonèl se klèman ensifizan karakterize modil la nan materyèl sa a trè mou, kidonk li nesesè yo sèvi ak yon metòd nanoindentation AFM ak pi wo sansiblite ak pi ba sansiblite.nivo.Apre revize enpèfeksyon yo ak pwoblèm nan teknik nanoindentation pwofonde koloidal AFM ki deja egziste, nou montre poukisa nou te chwazi yon pwofonde AFM ki pi piti, ki fèt sou koutim pou elimine sansiblite, bri background, pwen kontak identifier, mezire modil vitès nan materyèl mou eterojèn tankou retansyon likid. depandans.ak quantifikasyon egzat.Anplis de sa, nou te kapab mezire avèk presizyon fòm ak dimansyon pwent endentasyon an, sa ki pèmèt nou sèvi ak modèl anfòm kòn-esfè pou detèmine modil elastisite san yo pa evalye zòn kontak pwent la ak materyèl la.De sipozisyon implicite ki quantifye nan travay sa a se pwopriyete materyèl konplètman elastik ak modil pwofondè-endepandan endentasyon an.Sèvi ak metòd sa a, nou premye teste estanda ultra-mou ak yon modil li te ye pou quantifier metòd la, ak Lè sa a, itilize metòd sa a pou karakterize sifas de materyèl lantiy kontak diferan.Metòd sa a pou karakterize sifas AFM nanoindentation ak ogmante sansiblite espere aplikab nan yon pakèt materyèl biomimetic eterojèn ultrasoft ak itilizasyon potansyèl nan aparèy medikal ak aplikasyon byomedikal.
Lantiy kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) ak substrats idrogel silicone yo te chwazi pou eksperyans nanoindentation.Yo te itilize yon monte lantiy ki fèt espesyalman nan eksperyans la.Pou enstale lantiy la pou fè tès la, li te ak anpil atansyon mete sou kanpe la ki gen fòm bòl, asire w ke pa gen okenn bul lè antre nan, ak Lè sa a, fiks ak bor yo.Yon twou nan aparèy la nan tèt la nan detantè lantiy la bay aksè nan sant la optik nan lantiy la pou eksperyans nanoindentation pandan y ap kenbe likid la an plas.Sa a kenbe lantiy yo konplètman idrate.Yo te itilize 500 μl nan solisyon anbalaj lantiy kontak kòm yon solisyon tès.Pou verifye rezilta quantitative yo, yo te prepare idwojèl polyacrylamide ki pa aktive (PAAM) ki disponib nan komèsyal nan yon konpozisyon polyacrylamid-co-methylene-bisacrylamide (100 mm Petrisoft Petri asyèt, Matrigen, Irvine, CA, USA), yon modil elastik li te ye nan 1. kPa.Sèvi ak 4-5 gout (apeprè 125 µl) saline tampon fosfat (PBS ki soti nan Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) ak 1 gout solisyon lantiy kontak OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA).) nan koòdone idrogel-sond AFM.
Echantiyon Lehfilcon A CL ak SiHy substrats yo te vizyalize lè l sèvi avèk yon FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) sistèm ekipe ak yon detektè Scanning Transmission Electron Microscope (STEM).Pou prepare echantiyon yo, lantiy yo te premye lave ak dlo epi koupe an kwen ki gen fòm tat.Pou reyalize yon diferans diferans ant eleman yo idrofil ak idrofob nan echantiyon yo, yo te itilize yon solisyon 0.10% estabilize nan RuO4 kòm yon lank, nan ki echantiyon yo te benyen pou 30 min.Lehfilcon A CL RuO4 tach la enpòtan non sèlman pou reyalize diferansye amelyore, men tou, ede prezève estrikti bwòs polymère branch yo nan fòm orijinal yo, ki Lè sa a, vizib sou imaj STEM.Lè sa a, yo te lave ak dezidrate nan yon seri melanj etanòl / dlo ak ogmante konsantrasyon etanòl.Lè sa a, echantiyon yo te jete ak EMBed 812/Araldite epoksidik, ki geri lannwit lan nan 70 ° C.Blòk echantiyon yo te jwenn nan polimerizasyon résine yo te koupe ak yon ultramicrotome, ak seksyon mens ki kapab lakòz yo te vizyalize ak yon detektè STEM nan mòd vakyòm ki ba nan yon vòltaj akselere nan 30 kV.Yo te itilize menm sistèm SEM pou karakterizasyon detaye pwofonde PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Imaj SEM nan pwofonde AFM yo te jwenn nan yon mòd tipik vakyòm segondè ak yon vòltaj akselere nan 30 kV.Jwenn imaj nan diferan ang ak agrandisman pou anrejistre tout detay sou fòm ak gwosè pwent ankèt AFM la.Tout pwent dimansyon enterè nan imaj yo te mezire nimerik.
Yo te itilize yon mikwoskòp fòs atomik Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) ak mòd "PeakForce QNM nan likid" pou visualiser ak nanoindentate lehfilcon A CL, SiHy substrate, ak PAAm idrogel echantiyon yo genyen.Pou eksperyans D, yo te itilize yon pwofonde PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) ak yon reyon pwent nominal 1 nm pou pran imaj segondè rezolisyon echantiyon an nan yon pousantaj eskanè 0.50 Hz.Tout imaj yo te pran nan solisyon akeuz.
Eksperyans nanoindentation AFM yo te pote soti lè l sèvi avèk yon pwofonde PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Sond AFM a gen yon pwent Silisyòm sou yon cantilever nitrure 345 nm epesè, 54 µm longè ak 4.5 µm lajè ak yon frekans sonorite 45 kHz.Li fèt espesyalman pou karakterize ak fè mezi quantitative nanomekanik sou echantiyon byolojik mou.Detèktè yo kalibre endividyèlman nan faktori a ak anviwònman prentan pre-kalibre.Konstan prentan yo nan sond yo itilize nan etid sa a te nan seri a nan 0.05-0.1 N / m.Pou detèmine avèk presizyon fòm ak gwosè pwent la, yo te karakterize pwofonde a an detay lè l sèvi avèk SEM.Sou fig.Figi 1a montre yon rezolisyon ki wo, mikwograf elektwon ki ba agrandisman nan sond PFQNM-LC-A-CAL la, ki bay yon gade holistic sou konsepsyon ankèt la.Sou fig.1b montre yon gade elaji nan tèt pwent ankèt la, bay enfòmasyon sou fòm ak gwosè pwent la.Nan fen ekstrèm, zegwi a se yon emisfè sou 140 nm an dyamèt (figi 1c).Anba sa a, pwent la diminye nan yon fòm konik, rive nan yon longè mezire apeprè 500 nm.Deyò rejyon an koni, pwent la se silendrik epi li fini nan yon longè total pwent 1.18 µm.Sa a se pati prensipal fonksyonèl pwent ankèt la.Anplis de sa, yon gwo sond esferik polystyrène (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) ak yon dyamèt pwent 45 µm ak yon konstan prentan 2 N / m te itilize tou pou tès kòm yon pwofonde koloidal.ak PFQNM-LC-A-CAL 140 nm pwofonde pou konparezon.
Li te rapòte ke likid ka kwense ant pwofonde AFM la ak estrikti bwòs polymère a pandan nanoindentation, ki pral egzèse yon fòs anwo sou pwofonde AFM la anvan li aktyèlman manyen sifas la69.Efè ekstrizyon gluan sa a akòz retansyon likid ka chanje pwen kontak aparan, kidonk afekte mezi modil sifas yo.Pou etidye efè jeyometri pwofonde ak vitès indentation sou retansyon likid, koub fòs indentation yo te trase pou echantiyon lehfilcon A CL lè l sèvi avèk yon pwofonde dyamèt 140 nm nan pousantaj deplasman konstan 1 µm/s ak 2 µm/s.dyamèt sonde 45 µm, fikse fòs fikse 6 nN reyalize nan 1 µm/s.Eksperyans ak yon pwofonde 140 nm an dyamèt yo te pote soti nan yon vitès indentation nan 1 µm / s ak yon fòs mete nan 300 pN, chwazi yo kreye yon presyon kontak nan seri a fizyolojik (1-8 kPa) nan po je anwo a.presyon 72. Yo te teste echantiyon mou pare yo nan idwojèl PAA ak yon presyon 1 kPa pou yon fòs endentasyon 50 pN nan yon vitès 1 μm/s lè l sèvi avèk yon sond ki gen yon dyamèt 140 nm.
Depi longè pati konik pwent ankèt PFQNM-LC-A-CAL la se apeprè 500 nm, pou nenpòt pwofondè indentation < 500 nm li ka sipoze san danje ke jeyometri pwofonde a pandan endentasyon an ap rete fidèl ak li. fòm kòn.Anplis de sa, li sipoze ke sifas la nan materyèl la anba tès pral montre yon repons elastik revèsib, ki pral konfime tou nan seksyon sa yo.Se poutèt sa, tou depann de fòm ak gwosè pwent la, nou te chwazi modèl la Fitting kòn-esfè devlope pa Briscoe, Sebastian ak Adams, ki disponib nan lojisyèl vandè a, nan pwosesis eksperyans AFM nanoindentation nou an (NanoScope).Lojisyèl analiz done separasyon, Bruker) 73. Modèl la dekri relasyon fòs-deplasman F(δ) pou yon kòn ki gen yon defo apex esferik.Sou fig.Figi 2 montre jeyometri kontak pandan entèraksyon yon kòn rijid ak yon pwent esferik, kote R se reyon pwent esferik la, a se reyon kontak la, b se reyon kontak nan fen pwent esferik la, δ se reyon an. reyon kontak.pwofondè endentasyon, θ se mwatye ang kòn lan.Imaj SEM pwofonde sa a montre klèman ke pwent esferik 140 nm dyamèt la rantre tanjansyèlman nan yon kòn, kidonk isit la b defini sèlman atravè R, sa vle di b = R cos θ.Lojisyèl machann yo bay la bay yon relasyon kòn-esfè pou kalkile valè modil Young (E) apati done separasyon fòs yo sipoze a > b.Relasyon:
kote F se fòs endentasyon, E se modil Young, ν se rapò Poisson.Reyon kontak a ka estime lè l sèvi avèk:
Scheme jeyometri kontak yon kòn rijid ak yon pwent esferik peze nan materyèl yon lantiy kontak Lefilcon ak yon kouch sifas bwòs polymère branch.
Si a ≤ b, relasyon an diminye nan ekwasyon pou yon pwofondè esferik konvansyonèl;
Nou kwè ke entèraksyon an nan pwofonde nan indentation ak estrikti a branche nan bwòs polymère PMPC a pral lakòz reyon kontak a pi gran pase reyon kontak esferik b.Se poutèt sa, pou tout mezi quantitative modil elastik ki fèt nan etid sa a, nou itilize depandans yo jwenn pou ka a > b.
Materyèl biomimetic ultrasoft etidye nan etid sa a te konplè imaj lè l sèvi avèk mikwoskospi elektwonik transmisyon optik (STEM) nan seksyon transvèsal echantiyon an ak mikwoskòp fòs atomik (AFM) nan sifas la.Karakterizasyon sifas detaye sa a te fèt kòm yon ekstansyon travay nou te pibliye deja, kote nou te detèmine ke estrikti bwòs polymère ramifiée dynamique de lehfilcon A CL ki te modifye PMPC te montre pwopwiyete mekanik menm jan an pou tissus corneal natif-natal 14.Pou rezon sa a, nou refere a sifas lantiy kontak kòm materyèl biomimetic14.Sou fig.3a, b montre seksyon transvèsal estrikti bwòs polymère PMPC branch sou sifas yon substra lehfilcon A CL ak yon substra SiHy ki pa trete, respektivman.Sifas tou de echantiyon yo te analize plis lè l sèvi avèk imaj AFM wo rezolisyon, ki te konfime plis rezilta analiz STEM (figi 3c, d).Ansanm, imaj sa yo bay yon longè apwoksimatif nan estrikti a bwòs polymère branch PMPC nan 300-400 nm, ki se kritik pou entèprete mezi nanoindentation AFM.Yon lòt obsèvasyon kle ki sòti nan imaj yo se ke estrikti sifas an jeneral nan materyèl la byomimetik CL se mòfolojikman diferan de sa yo ki nan materyèl la substra SiHy.Diferans sa a nan mòfoloji sifas yo ka vin aparan pandan entèraksyon mekanik yo ak pwofonde indenting AFM la epi answit nan valè modil yo mezire.
Imaj STEM kwa-seksyonèl nan (a) lehfilcon A CL ak (b) SiHy substra.Ba echèl, 500 nm.Imaj AFM nan sifas lehfilcon A CL substra (c) ak baz SiHy substrate (d) (3 µm × 3 µm).
Polymère bioinspired ak estrikti bwòs polymère yo natirèlman mou epi yo te lajman etidye ak itilize nan divès aplikasyon byomedikal74,75,76,77.Se poutèt sa, li enpòtan yo sèvi ak metòd la nanoindentation AFM, ki ka avèk presizyon ak fyab mezire pwopriyete mekanik yo.Men, an menm tan an, pwopriyete yo inik nan materyèl ultra-mou sa yo, tankou modil elastik ki ba anpil, kontni likid segondè ak elastisite segondè, souvan fè li difisil yo chwazi bon materyèl la, fòm ak fòm nan pwofonde nan indenting.gwosè.Sa a enpòtan pou indenter la pa pèse sifas mou echantiyon an, ki ta mennen nan erè nan detèmine pwen kontak ak sifas la ak zòn nan kontak.
Pou sa, yon konpreyansyon konplè sou mòfoloji ultra-mou materyèl biomimetic (lehfilcon A CL) esansyèl.Enfòmasyon sou gwosè a ak estrikti nan bwòs polymère branch yo jwenn lè l sèvi avèk metòd la D bay baz la pou karakterizasyon mekanik sifas la lè l sèvi avèk teknik nanoindentation AFM.Olye de sond koloidal esferik ki menm gwosè ak mikro, nou te chwazi pwofonde nitrure Silisyòm PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) ak yon dyamèt pwent 140 nm, ki fèt espesyalman pou kat quantitative pwopriyete mekanik echantiyon byolojik 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 Ka rezon pou itilize sond relativman byen file konpare ak sond koloidal konvansyonèl yo ka eksplike pa karakteristik estriktirèl materyèl la.Konpare gwosè pwent ankèt la (~ 140 nm) ak bwòs polymère branch yo sou sifas CL lehfilcon A, yo montre nan Fig. 3a, li ka konkli ke pwent la se gwo ase yo antre an kontak dirèk ak estrikti sa yo bwòs, ki diminye chans pou pwent an pèse nan yo.Pou ilistre pwen sa a, nan Fig. 4 se yon imaj STEM nan lehfilcon A CL a ak pwent nan endentasyon nan sond AFM la (trase nan echèl).
Chema ki montre imaj STEM nan lehfilcon A CL ak yon pwofonde indentation ACM (desine nan echèl).
Anplis de sa, gwosè pwent 140 nm piti ase pou evite risk pou nenpòt nan efè ekstrizyon kolan te rapòte deja pou bwòs polymère ki te pwodwi pa metòd nanoindentation CP-AFM69,71.Nou sipoze ke akòz fòm espesyal kòn-esferik la ak gwosè relativman ti pwent AFM sa a (figi 1), nati koub fòs ki te pwodwi pa lehfilcon A CL nanoindentation pa pral depann de vitès la indentation oswa vitès chaj / dechaje. .Se poutèt sa, li pa afekte pa efè poroelastic.Pou teste ipotèz sa a, echantiyon lehfilcon A CL yo te endente nan yon fòs maksimòm fiks lè l sèvi avèk yon pwofonde PFQNM-LC-A-CAL, men nan de vitès diferan, epi yo te itilize koub fòs traction ak retraksyon ki kapab lakòz yo pou trase fòs la (nN) nan separasyon (µm) yo montre nan Figi 5a.Li klè ke koub fòs yo pandan chaje ak dechaje konplètman sipèpoze, epi pa gen okenn prèv klè ke taye fòs la nan pwofondè indentation zewo ogmante ak vitès indentation nan figi a, sijere ke eleman yo bwòs endividyèl yo te karakterize san yon efè poroelastic.Kontrèman, efè retansyon likid (ekstrusyon gluan ak efè poroelastisite) yo evidan pou sond AFM 45 µm dyamèt la nan menm vitès indentation epi yo make pa isterèz ki genyen ant koub detire ak retrè, jan yo montre nan Figi 5b.Rezilta sa yo sipòte ipotèz la epi sijere ke sond 140 nm dyamèt yo se yon bon chwa pou karakterize sifas mou sa yo.
lehfilcon Yon koub fòs endentasyon CL lè l sèvi avèk ACM;(a) lè l sèvi avèk yon pwofonde ki gen yon dyamèt 140 nm nan de vitès chaj, ki montre absans yon efè poroelastik pandan sifas indentation;(b) lè l sèvi avèk sond ki gen yon dyamèt 45 µm ak 140 nm.s montre efè visqueux extrusion ak poroelasticity pou gwo sond konpare li a pi piti sond.
Pou karakterize sifas ultrasoft, metòd nanoindentation AFM yo dwe gen pi bon ankèt pou etidye pwopriyete materyèl ki anba etid la.Anplis de fòm ak gwosè pwent, sansiblite sistèm detektè AFM la, sansiblite nan devyasyon pwent nan anviwònman tès la, ak rèd cantilever jwe yon wòl enpòtan nan detèmine presizyon ak fyab nan nanoindentation.mezi.Pou sistèm AFM nou an, limit deteksyon an Pozisyon sansib detektè (PSD) se apeprè 0.5 mV epi li baze sou to prentan pre-kalibre ak sansiblite defleksyon likid kalkile pwofonde PFQNM-LC-A-CAL la, ki koresponn ak la. sansiblite chaj teyorik.se mwens pase 0.1 pN.Se poutèt sa, metòd sa a pèmèt mezi yon fòs indentation minimòm ≤ 0.1 pN san okenn eleman bri periferik.Sepandan, li prèske enposib pou yon sistèm AFM diminye bri periferik nan nivo sa a akòz faktè tankou vibrasyon mekanik ak dinamik likid.Faktè sa yo limite sansiblite jeneral metòd nanoindentation AFM la epi tou lakòz yon siyal bri background apeprè ≤ 10 pN.Pou karakterizasyon sifas, echantiyon substra lehfilcon A CL ak SiHy yo te endente anba kondisyon konplètman idrate lè l sèvi avèk yon pwofonde 140 nm pou karakterizasyon SEM, ak koub fòs ki kapab lakòz yo te supèrpoze ant fòs (pN) ak presyon.Yo montre trase separasyon an (µm) nan Figi 6a.Konpare ak substrate baz SiHy la, koub fòs lehfilcon A CL montre klèman yon faz tranzisyon ki kòmanse nan pwen kontak ak bwòs polymère fouchèt la epi ki fini ak yon chanjman byen file nan pant ki make kontak pwent an ak materyèl ki kache a.Pati tranzisyon sa a nan koub fòs la mete aksan sou konpòtman an vrèman elastik nan bwòs la polymère branch sou sifas la, jan sa pwouve pa koub la konpresyon byen swiv koub la tansyon ak kontras nan pwopriyete mekanik ant estrikti nan bwòs ak ankonbran materyèl SiHy.Lè w konpare lefilcon.Separasyon longè mwayèn yon bwòs polymère branch nan imaj STEM nan PCS la (figi 3a) ak koub fòs li yo ansanm abscis la nan figi 3a.6a montre ke metòd la kapab detekte pwent an ak polymère branch lan rive nan tèt la nan sifas la.Kontak ant estrikti bwòs yo.Anplis de sa, sipèpoze fèmen nan koub fòs yo endike pa gen okenn efè retansyon likid.Nan ka sa a, pa gen absoliman okenn adezyon ant zegwi a ak sifas echantiyon an.Seksyon ki pi wo yo nan koub fòs yo pou de echantiyon yo sipèpoze, reflete resanblans nan pwopriyete yo mekanik nan materyèl yo substra.
(a) koub fòs nanoindentation AFM pou substrats lehfilcon A CL ak substrats SiHy, (b) koub fòs ki montre estimasyon pwen kontak lè l sèvi avèk metòd papòt bri background.
Yo nan lòd yo etidye detay yo pi rafine nan koub fòs la, koub tansyon an nan echantiyon lehfilcon A CL re-trase nan Fig. 6b ak yon fòs maksimòm de 50 pN sou aks y-a.Graf sa a bay enfòmasyon enpòtan sou bri orijinal la.Bri a se nan seri ± 10 pN, ki itilize pou detèmine avèk presizyon pwen kontak la epi kalkile pwofondè endentasyon an.Jan nou te rapòte nan literati a, idantifikasyon pwen kontak enpòtan anpil pou evalye pwopriyete materyèl yo tankou modil85.Yon apwòch ki enplike pwosesis otomatik done koub fòs yo te montre yon anfòm amelyore ant fitting done ak mezi quantitative pou materyèl mou86.Nan travay sa a, chwa nou an nan pwen kontak se relativman senp ak objektif, men li gen limit li yo.Apwòch konsèvatif nou an pou detèmine pwen kontak la ka lakòz yon ti kras surestime valè modil pou pi piti pwofondè endentasyon (< 100 nm).Itilizasyon deteksyon touchpoint ki baze sou algorithm ak otomatik done pwosesis ta ka yon kontinyasyon nan travay sa a nan lavni an plis amelyore metòd nou an.Kidonk, pou bri background intrinsèque sou lòd ± 10 pN, nou defini pwen kontak la kòm premye pwen done sou aks x nan Figi 6b ak yon valè ≥10 pN.Lè sa a, an akò ak papòt bri 10 pN, yon liy vètikal nan nivo ~ 0.27 µm make pwen kontak ak sifas la, apre sa koub la etann kontinye jiskaske substra a satisfè pwofondè endentasyon ~ 270 nm.Enteresan, ki baze sou gwosè a nan karakteristik yo bwòs polymère branch (300-400 nm) mezire lè l sèvi avèk metòd la D, pwofondè nan indentation nan CL lehfilcon A echantiyon obsève lè l sèvi avèk metòd la papòt bri background se sou 270 nm, ki se trè pre. gwosè mezi a ak STEM.Rezilta sa yo plis konfime konpatibilite ak aplikab fòm ak gwosè pwent ankèt AFM pou endentasyon estrikti bwòs polymère ramifié sa a trè mou ak trè elastik.Done sa yo bay tou prèv solid pou sipòte metòd nou an pou itilize bri background kòm yon papòt pou idantifye pwen kontak yo.Kidonk, nenpòt rezilta quantitative yo jwenn nan modèl matematik ak fòs koub Fitting ta dwe relativman egzat.
Mezi kantitatif pa metòd AFM nanoindentation yo konplètman depann sou modèl matematik yo itilize pou seleksyon done ak analiz ki vin apre.Se poutèt sa, li enpòtan yo konsidere tout faktè ki gen rapò ak chwa pou yo indenter, pwopriyete materyèl ak mekanik yo nan entèraksyon yo anvan yo chwazi yon modèl patikilye.Nan ka sa a, jeyometri pwent an te ak anpil atansyon karakterize lè l sèvi avèk mikrograf SEM (figi 1), epi ki baze sou rezilta yo, 140 nm dyamèt AFM nanoindenting sond la ak yon kòn difisil ak jeyometri pwent esferik se yon bon chwa pou karakterize echantiyon lehfilcon A CL79. .Yon lòt faktè enpòtan ki bezwen ak anpil atansyon evalye se elastisite nan materyèl la polymère yo te teste.Malgre ke done yo inisyal nan nanoindentation (figi 5a ak 6a) klèman dekri karakteristik sa yo nan sipèpoze nan koub yo tansyon ak konpresyon, sa vle di, rekiperasyon an konplè elastik nan materyèl la, li trè enpòtan konfime nati a piman elastik nan kontak yo. .Pou sa ka fèt, yo te fè de indentation siksesif nan menm kote sou sifas echantiyon lehfilcon A CL a nan yon pousantaj indentation de 1 µm/s nan kondisyon hydrasyon konplè.Done koub fòs ki kapab lakòz yo montre nan fig.7 epi, jan yo espere, koub ekspansyon ak konpresyon nan de simagri yo prèske idantik, mete aksan sou elastisite nan segondè nan estrikti a bwòs polymère branch.
De koub fòs endentasyon nan menm kote sou sifas lehfilcon A CL endike elastisite ideyal la nan sifas lantiy la.
Ki baze sou enfòmasyon yo jwenn nan SEM ak STEM imaj nan pwent an pwofonde ak lehfilcon A CL sifas, respektivman, modèl la kòn-esfè se yon reprezantasyon matematik rezonab nan entèraksyon ki genyen ant pwent an pwofonde AFM ak materyèl la polymère mou yo te teste.Anplis de sa, pou modèl kòn-esfè sa a, sipozisyon fondamantal yo sou pwopriyete elastik materyèl ki anprent la kenbe verite pou nouvo materyèl biomimetik sa a epi yo itilize pou quantifier modil elastik la.
Apre yon evalyasyon konplè sou metòd AFM nanoindentation ak konpozan li yo, ki gen ladan pwopriyete pwofonde indentation (fòm, gwosè, ak rèd prentan), sansiblite (bri background ak estimasyon pwen kontak), ak modèl fitting done (mezi modil kantitatif), metòd la te itilize.karakterize echantiyon ultra-mou ki disponib nan komès pou verifye rezilta quantitative yo.Yo te teste yon idwojèl polyacrylamid komèsyal (PAAM) ak yon modil elastik 1 kPa nan kondisyon idrate lè l sèvi avèk yon sond 140 nm.Yo bay detay sou tès modil ak kalkil yo nan Enfòmasyon Siplemantè yo.Rezilta yo te montre ke modil an mwayèn mezire te 0.92 kPa, ak % RSD ak pousantaj (%) devyasyon nan modil li te ye a te mwens pase 10%.Rezilta sa yo konfime presizyon ak repwodiksyon metòd AFM nanoindentation yo itilize nan travay sa a pou mezire modil materyèl ultrasoft yo.Sifas yo nan echantiyon lehfilcon A CL yo ak substrate baz SiHy yo te plis karakterize lè l sèvi avèk menm metòd la nanoindentation AFM yo etidye modil la kontak aparan nan sifas la ultrasoft kòm yon fonksyon nan pwofondè indentation.Koub separasyon fòs endentasyon yo te pwodwi pou twa espesimèn chak kalite (n = 3; yon indentation pou chak echantiyon) nan yon fòs 300 pN, yon vitès 1 µm/s, ak idratasyon konplè.Yo te apwoche koub pataje fòs endentasyon an lè l sèvi avèk yon modèl kòn-esfè.Pou jwenn modil ki depann sou pwofondè indentation, yo te mete yon pati 40 nm lajè nan koub fòs la nan chak ogmantasyon de 20 nm apati pwen kontak la, ak mezire valè modil la nan chak etap nan koub fòs la.Spin Cy et al.Yo te itilize yon apwòch menm jan an pou karakterize gradyan modil polymère bwòs polymère (lauryl methacrylate) (P12MA) lè l sèvi avèk nanoindentation pwofonde koloidal AFM, epi yo konsistan avèk done lè l sèvi avèk modèl kontak Hertz.Apwòch sa a bay yon trase modil kontak aparan (kPa) kont pwofondè endentasyon (nm), jan yo montre nan Figi 8, ki montre modil kontak aparan / gradyan pwofondè.Modil elastik kalkile echantiyon CL lehfilcon A se nan ranje 2-3 kPa nan 100 nm anwo echantiyon an, pi lwen pase li kòmanse ogmante ak pwofondè.Nan lòt men an, lè w teste substra baz SiHy san yon fim bwòs ki tankou sou sifas la, pwofondè maksimòm indentation reyalize nan yon fòs 300 pN se mwens pase 50 nm, ak valè modil yo jwenn nan done yo se apeprè 400 kPa. , ki se konparab ak valè yo nan modil Young pou materyèl esansyèl.
Modil kontak aparan (kPa) kont pwofondè indentation (nm) pou substrats lehfilcon A CL ak SiHy lè l sèvi avèk metòd nanoindentation AFM ak jeyometri kòn-esfè pou mezire modil.
Sifas ki pi wo a nan estrikti bwòs polymère ramifye biomimetik la montre yon modil elastisite ki ba anpil (2-3 kPa).Sa a pral matche ak fen pandye gratis nan bwòs polymère a fouchèt jan yo montre nan imaj la STEM.Pandan ke gen kèk prèv nan yon gradyan modil nan kwen an deyò nan CL la, prensipal substra modil segondè a gen plis enfliyans.Sepandan, tèt 100 nm nan sifas la se nan 20% nan longè total bwòs polymère branch lan, kidonk li rezonab pou asime ke valè yo mezire nan modil la nan seri pwofondè endentasyon sa a yo relativman egzat epi yo pa fòtman. depann sou efè objè anba a.
Akòz inik konsepsyon byomimetik nan lantiy kontak lehfilcon A, ki gen ladan estrikti bwòs polymère PMPC branch grefon sou sifas substrats SiHy, li trè difisil pou karakterize seryezman pwopriyete mekanik estrikti sifas yo lè l sèvi avèk metòd tradisyonèl mezi.Isit la nou prezante yon metòd avanse nanoindentation AFM pou karakterize avèk presizyon materyèl ultra-mou tankou lefilcon A ak kontni dlo segondè ak elastisite trè wo.Metòd sa a baze sou itilizasyon yon sond AFM ki gen gwosè pwent ak jeyometri ak anpil atansyon chwazi pou matche ak dimansyon estriktirèl karakteristik sifas ultra-mou yo dwe enprime.Konbinezon dimansyon sa a ant pwofonde ak estrikti bay ogmante sansiblite, sa ki pèmèt nou mezire modil ki ba ak pwopriyete elastik nannan nan eleman bwòs polymère branch, kèlkeswa efè poroelastik.Rezilta yo te montre ke inik bwòs polymère PMPC branch karakteristik sifas lantiy la te gen yon modil elastik ki ba anpil (jiska 2 kPa) ak elastisite trè wo (prèske 100%) lè yo teste nan yon anviwònman akeuz.Rezilta yo nan AFM nanoindentation tou pèmèt nou karakterize modil kontak aparan / gradyan pwofondè (30 kPa / 200 nm) nan sifas la lantiy byomimetik.Gradyan sa a ka akòz diferans modil ant bwòs polymère branch yo ak substra SiHy la, oswa estrikti nan branch / dansite bwòs polymère yo, oswa yon konbinezon ladan l.Sepandan, plis etid apwofondi yo bezwen konprann konplètman relasyon ki genyen ant estrikti ak pwopriyete, espesyalman efè a nan branch bwòs sou pwopriyete mekanik.Mezi menm jan an ka ede karakterize pwopriyete mekanik sifas lòt materyèl ultra-mou ak aparèy medikal.
Ansanm done ki te pwodwi ak/oswa analize pandan etid aktyèl la disponib nan men otè respektif yo sou demann rezonab.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. ak Haugen, HJ Reyaksyon byolojik nan pwopriyete fizik ak chimik nan sifas nan biomateryèl.Chimik.sosyete a.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM ak Liu, X. Amelyorasyon nan biomateryèl moun ki sòti pou jeni tisi.pwogramasyon.polymère.syans la.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Konsepsyon, aplikasyon klinik, ak repons iminitè nan biomateryèl nan medikaman rejeneratif.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK ak Farr GM Yon metòd amelyore pou detèmine dite ak modil elastik lè l sèvi avèk eksperyans endentasyon ak mezi chaj ak deplasman.J. Alma mater.tank depo.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Orijin istorik tès dite indentation.alma matyè.syans la.teknoloji.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Mezi dite Indentation nan Macro-, Mikwo-, ak Nanoscale: Yon revizyon kritik.branch fanmi.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD ak Clapperich, SM Sifas deteksyon erè mennen nan modil surestimasyon nan nanoindentation nan materyèl mou.J. Mecha.Konpòtman.Syans byomedikal.alma matyè.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR ak Yahya M.Yu.Evalyasyon nan metòd nanoindentation pou detèmine karakteristik mekanik nanocomposites etewojèn lè l sèvi avèk metòd eksperimantal ak enfòmatik.syans la.House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, ak Owart, TS Karakterizasyon mekanik nan jèl viscoelastic mou pa indentation ak optimize ki baze sou analiz envès eleman fini.J. Mecha.Konpòtman.Syans byomedikal.alma matyè.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J ak Chaneler D. Optimizasyon detèminasyon viskoelastisite lè l sèvi avèk sistèm mezi konpatib.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. ak Pellillo, E. Nanoindentation nan sifas polymère.J. Fizik.D. Aplike pou fizik.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. ak Van Vliet KJ Karakterizasyon pwopriyete viscoelastic mekanik polymères trè elastik ak tisi byolojik lè l sèvi avèk indentation chòk.Journal of Biomaterials.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evalyasyon modil elastik ak travay adezyon materyèl mou lè l sèvi avèk metòd pwolonje Borodich-Galanov (BG) ak gwo twou san fon.fouri.alma matyè.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Nanoskal mòfoloji ak pwopriyete mekanik nan sifas polymère biomimetic nan lantiy kontak idwojèl silicone.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).