Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Egyszerre három diából álló körhinta jeleníti meg.Az Előző és a Következő gombokkal egyszerre három dián lépkedhet, vagy a végén lévő csúszkagombokkal egyszerre három dián.
Az orvosi eszközökhöz és az orvosbiológiai alkalmazásokhoz használt új ultralágy anyagok kifejlesztésével ezek fizikai és mechanikai tulajdonságainak átfogó jellemzése fontos és kihívást jelent.Az új lehfilcon A biomimetikus szilikon-hidrogél kontaktlencse rendkívül alacsony felületi modulusát egy módosított atomerőmikroszkópos (AFM) nanoindentációs technikával jellemezték, amelyet elágazó polimer ecsetszerkezetekkel vontak be.Ez a módszer lehetővé teszi az érintkezési pontok pontos meghatározását viszkózus extrudálás hatása nélkül, amikor elágazó polimerekhez közelítünk.Ezenkívül lehetővé teszi az egyes kefeelemek mechanikai jellemzőinek meghatározását a poroelaszticitás hatása nélkül.Ezt egy olyan AFM szonda kiválasztásával érik el, amelynek kialakítása (csúcsméret, geometria és rugóerő) különösen alkalmas lágy anyagok és biológiai minták tulajdonságainak mérésére.Ez a módszer javítja az érzékenységet és a pontosságot a nagyon puha anyag, a lehfilcon A pontos mérésére, amelynek rugalmassági modulusa rendkívül alacsony a felületen (akár 2 kPa), és rendkívül nagy rugalmassággal rendelkezik a belső (majdnem 100%-os) vizes környezetben. .A felületi vizsgálat eredményei nemcsak a lehfilcon A lencse ultrapuha felületi tulajdonságait tárták fel, hanem azt is, hogy az elágazó polimer ecsetek modulusa összevethető a szilícium-hidrogén hordozóéval.Ez a felületkarakterizálási technika más ultralágy anyagokra és orvosi eszközökre is alkalmazható.
Az élő szövettel való közvetlen érintkezésre tervezett anyagok mechanikai tulajdonságait gyakran a biológiai környezet határozza meg.Ezen anyagtulajdonságok tökéletes illeszkedése segít elérni az anyag kívánt klinikai jellemzőit anélkül, hogy káros sejtválaszokat okozna1,2,3.Az ömlesztett homogén anyagok esetében a mechanikai tulajdonságok jellemzése viszonylag egyszerű a standard eljárások és vizsgálati módszerek (pl. mikrobehúzás4,5,6) elérhetősége miatt.Az ultralágy anyagok, például gélek, hidrogélek, biopolimerek, élő sejtek stb. esetében azonban ezek a vizsgálati módszerek általában nem alkalmazhatók a mérési felbontás korlátai és egyes anyagok inhomogenitása miatt7.Az évek során a hagyományos behúzási módszereket módosították és adaptálták a puha anyagok széles körének jellemzésére, de sok módszer még mindig súlyos hiányosságokkal küzd, amelyek korlátozzák a felhasználásukat8,9,10,11,12,13.A szuperlágy anyagok és felületi rétegek mechanikai tulajdonságait pontosan és megbízhatóan jellemezhető speciális vizsgálati módszerek hiánya erősen korlátozza alkalmazásukat a különböző alkalmazásokban.
Korábbi munkánkban bemutattuk a lehfilcon A (CL) kontaktlencsét, egy lágy, heterogén anyagot, amely minden ultralágy felületi tulajdonsággal rendelkezik, amely a szem szaruhártya felülete által ihletett, potenciálisan biomimetikus kialakításokból származik.Ezt a bioanyagot úgy fejlesztették ki, hogy egy poli(2-metakriloiloxietil-foszforilkolin (MPC))) (PMPC) elágazó láncú, térhálósított polimer réteget oltottak szilikon-hidrogélre (SiHy) 15, amelyet orvosi eszközökhöz terveztek.Ez az ojtási eljárás egy réteget hoz létre a felületen, amely egy nagyon puha és nagyon rugalmas elágazó polimer kefeszerkezetből áll.Korábbi munkáink megerősítették, hogy a lehfilcon A CL biomimetikus szerkezete kiváló felületi tulajdonságokat biztosít, például javítja a nedvesedést és a szennyeződés megelőzését, megnöveli a kenőképességet, valamint csökkenti a sejt- és baktériumtapadást15,16.Ezen túlmenően ennek a biomimetikus anyagnak a használata és fejlesztése további terjeszkedést sugall más orvosbiológiai eszközökre is.Ezért kritikus fontosságú ennek az ultralágy anyagnak a felületi tulajdonságainak jellemzése és a szemmel való mechanikai kölcsönhatásának megértése annak érdekében, hogy átfogó tudásbázist hozzunk létre a jövőbeli fejlesztések és alkalmazások támogatásához.A legtöbb kereskedelemben kapható SiHy kontaktlencse hidrofil és hidrofób polimerek homogén keverékéből áll, amelyek egységes anyagszerkezetet alkotnak17.Számos tanulmányt végeztek mechanikai tulajdonságaik vizsgálatára hagyományos kompressziós, szakítós és mikrobenyomódásos vizsgálati módszerekkel18,19,20,21.A lehfilcon A CL új biomimetikus kialakítása azonban egyedülálló heterogén anyaggá teszi, amelyben az elágazó polimer kefeszerkezetek mechanikai tulajdonságai jelentősen eltérnek a SiHy alaphordozóétól.Ezért nagyon nehéz pontosan számszerűsíteni ezeket a tulajdonságokat hagyományos és behúzási módszerekkel.Ígéretes módszer az atomerőmikroszkópiában (AFM) megvalósított nanobenyomódásos vizsgálati módszer, amely olyan lágy viszkoelasztikus anyagok mechanikai tulajdonságainak meghatározására szolgál, mint a biológiai sejtek és szövetek, valamint a lágy polimerek22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Az AFM nanobehúzásban a nanobehúzás tesztelésének alapjait az AFM technológia legújabb vívmányaival kombinálják, hogy megnövelt mérési érzékenységet és az eredendően szuperlágy anyagok széles skálájának tesztelését biztosítsák31,32,33,34,35,36.Emellett a technológia más fontos előnyöket is kínál a különböző geometriák használatával.behúzás és szonda, valamint különféle folyékony közegekben történő tesztelés lehetősége.
Az AFM nanoindentáció feltételesen három fő komponensre osztható: (1) berendezések (érzékelők, detektorok, szondák stb.);(2) mérési paraméterek (például erő, elmozdulás, sebesség, rámpaméret stb.);(3) Adatfeldolgozás (alapkorrekció, érintési pont becslés, adatillesztés, modellezés stb.).Jelentős probléma ezzel a módszerrel, hogy az irodalomban számos, AFM nanoindentációt alkalmazó tanulmány nagyon eltérő kvantitatív eredményeket közöl ugyanazon minta/sejt/anyagtípus esetében37,38,39,40,41.Például Lekka és mtsai.Vizsgálták és összehasonlították az AFM szonda geometriájának hatását a mért Young-modulusra mechanikailag homogén hidrogél és heterogén sejtek mintáiban.Beszámoltak arról, hogy a modulusértékek nagymértékben függnek a konzol kiválasztásától és a csúcs alakjától, a legmagasabb érték a piramis alakú szondánál, a legalacsonyabb érték pedig 42 a gömb alakú szondánál.Hasonlóképpen Selhuber-Unkel et al.Kimutatták, hogy a poliakrilamid (PAAM) minták behúzási sebessége, behúzási mérete és vastagsága hogyan befolyásolja az ACM43 nanoindentációval mért Young-modulust.Egy másik bonyolító tényező a szabványos rendkívül alacsony modulusú vizsgálati anyagok és az ingyenes vizsgálati eljárások hiánya.Ez nagyon megnehezíti a magabiztos eredmények elérését.A módszer azonban nagyon hasznos a relatív mérésekhez és a hasonló mintatípusok összehasonlító értékeléséhez, például AFM nanoindentáció használatával a normál sejtek megkülönböztetésére a rákos sejtektől 44, 45 .
Puha anyagok AFM nanobenyomódással történő tesztelésekor általános ökölszabály az, hogy alacsony rugóállandójú (k) szondát használjunk, amely szorosan illeszkedik a minta modulusához, és félgömb alakú/kerek hegyet használunk, hogy az első szonda ne szúrja át a minta felületeit. első érintkezés puha anyagokkal.Az is fontos, hogy a szonda által generált eltérítési jel elég erős legyen ahhoz, hogy a lézerdetektorrendszer észlelje24,34,46,47.Ultralágy heterogén sejtek, szövetek és gélek esetében további kihívást jelent a szonda és a minta felülete közötti tapadási erő leküzdése a reprodukálható és megbízható mérések biztosítása érdekében48, 49, 50.Egészen a közelmúltig az AFM nanoindentációval kapcsolatos legtöbb munka a biológiai sejtek, szövetek, gélek, hidrogélek és biomolekulák mechanikai viselkedésének vizsgálatára összpontosított viszonylag nagy gömb alakú szondák segítségével, amelyeket kolloidszondáknak (CP-knek) neveznek., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ezeknek a hegyeknek a sugara 1-50 µm, és általában boroszilikát üvegből, polimetil-metakrilátból (PMMA), polisztirolból (PS), szilícium-dioxidból (SiO2) és gyémánt- mint a szén (DLC) .Bár a CP-AFM nanoindentáció gyakran az első választás a lágy minták jellemzésére, ennek megvannak a maga problémái és korlátai.A nagy, mikron méretű, gömb alakú hegyek használata növeli a csúcs teljes érintkezési felületét a mintával, és jelentős térbeli felbontáscsökkenést eredményez.Lágy, inhomogén próbatesteknél, ahol a lokális elemek mechanikai tulajdonságai jelentősen eltérhetnek az átlagtól szélesebb területen, a CP bemélyedés elrejtheti a tulajdonságok lokális léptékű inhomogenitását52.A kolloid szondákat általában úgy készítik, hogy mikron méretű kolloid gömböket rögzítenek hegy nélküli konzolokhoz epoxi ragasztók segítségével.Maga a gyártási folyamat számos problémával jár, és következetlenségekhez vezethet a szonda kalibrálási folyamatában.Ezenkívül a kolloid részecskék mérete és tömege közvetlenül befolyásolja a konzol fő kalibrációs paramétereit, például a rezonanciafrekvenciát, a rugómerevséget és az eltérítési érzékenységet56,57,58.Így a hagyományos AFM szondákhoz általánosan használt módszerek, például a hőmérséklet-kalibrálás, nem biztos, hogy pontos kalibrálást biztosítanak a CP-hez, és más módszerekre is szükség lehet e korrekciók végrehajtásához57, 59, 60, 61. A tipikus CP bemélyedési kísérletek nagy eltéréseket használnak a konzollal. lágy minták tulajdonságainak tanulmányozása, ami újabb problémát jelent a konzol nemlineáris viselkedésének kalibrálásakor viszonylag nagy eltéréseknél62,63,64.A modern kolloidszonda bemélyedési eljárások általában figyelembe veszik a szonda kalibrálásához használt konzol geometriáját, de figyelmen kívül hagyják a kolloid részecskék hatását, ami további bizonytalanságot okoz a módszer pontosságában38,61.Hasonlóképpen, az érintkezési modell illesztésével számított rugalmassági modulusok közvetlenül függenek a bemélyedés szonda geometriájától, és a csúcs és a minta felületi jellemzői közötti eltérések pontatlanságokhoz vezethetnek27, 65, 66, 67, 68. Spencer és munkatársai néhány újabb munkája.Kiemeljük azokat a tényezőket, amelyeket figyelembe kell venni a lágy polimer ecsetek CP-AFM nanoindentációs módszerrel történő jellemzésekor.Beszámoltak arról, hogy a viszkózus folyadék visszatartása a polimer kefékben a sebesség függvényében a fejterhelés növekedését eredményezi, és ezáltal a sebességtől függő tulajdonságok eltérő mérését eredményezi30,69,70,71.
Ebben a tanulmányban az ultrapuha, rendkívül rugalmas lehfilcon A CL anyag felületi modulusát jellemeztük módosított AFM nanoindentációs módszerrel.Ennek az anyagnak a tulajdonságait és új szerkezetét tekintve a hagyományos benyomódási módszer érzékenységi tartománya egyértelműen nem elegendő e rendkívül puha anyag modulusának jellemzésére, ezért szükséges egy nagyobb érzékenységű és kisebb érzékenységű AFM nanobenyomódási módszer alkalmazása.szint.A meglévő kolloid AFM szonda nanoindentációs technikák hiányosságainak és problémáinak áttekintése után megmutatjuk, miért választottunk egy kisebb, egyedi tervezésű AFM szondát az érzékenység, a háttérzaj, a pontos érintkezési pont kiküszöbölésére, a lágy heterogén anyagok, például a folyadékvisszatartás sebességi modulusának mérésére. függőség.és pontos számszerűsítés.Ezenkívül pontosan meg tudtuk mérni a bemélyedés hegyének alakját és méreteit, lehetővé téve a kúp-gömb illeszkedési modell használatát a rugalmassági modulus meghatározásához anélkül, hogy felmérnénk a hegy érintkezési felületét az anyaggal.Ebben a munkában számszerűsített két implicit feltevés a teljesen rugalmas anyagtulajdonságok és a benyomódási mélységtől független modulus.Ezzel a módszerrel először ismert modulusú ultralágy standardokat teszteltünk a módszer számszerűsítésére, majd ezzel a módszerrel jellemeztük két különböző kontaktlencse anyag felületét.Ez a megnövelt érzékenységű AFM nanoindentációs felületek jellemzésének módszere várhatóan a biomimetikus heterogén ultralágy anyagok széles skálájára alkalmazható, és potenciálisan alkalmazható orvosi eszközökben és orvosbiológiai alkalmazásokban.
A nanoindentációs kísérletekhez Lehfilcon A kontaktlencséket (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) és azok szilikon-hidrogél szubsztrátjait választottuk.A kísérlet során speciálisan kialakított lencsetartót használtak.A teszteléshez az objektívet óvatosan a kupola alakú állványra helyezték, ügyelve arra, hogy légbuborékok ne kerüljenek bele, majd a szélekkel rögzítették.A lencsetartó tetején lévő rögzítőben lévő lyuk hozzáférést biztosít a lencse optikai középpontjához a nanoindentációs kísérletekhez, miközben a folyadékot a helyén tartja.Így a lencsék teljesen hidratáltak maradnak.Tesztoldatként 500 μl kontaktlencse csomagolóoldatot használtunk.A kvantitatív eredmények igazolására a kereskedelemben kapható, nem aktivált poliakrilamid (PAAM) hidrogéleket állítottuk elő poliakrilamid-ko-metilén-bizakrilamid összetételből (100 mm-es Petrisoft Petri-csészék, Matrigen, Irvine, CA, USA), amely ismert rugalmassági modulusa 1 kPa.Használjon 4-5 csepp (körülbelül 125 µl) foszfáttal pufferolt sóoldatot (PBS, Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) és 1 csepp OPTI-FREE Puremoist kontaktlencse oldatot (Alcon, Vaud, TX, USA).) az AFM hidrogél-szonda interfészén.
A Lehfilcon A CL és SiHy szubsztrátum mintáit FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) rendszerrel tettük láthatóvá, amely pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóp (STEM) detektorral volt felszerelve.A minták elkészítéséhez a lencséket először vízzel mostuk és pite alakú ékekre vágtuk.A minták hidrofil és hidrofób komponensei közötti eltérő kontraszt eléréséhez festékként 0,10%-os stabilizált RuO4 oldatot használtunk, melybe a mintákat 30 percre merítettük.A lehfilcon A CL RuO4 festés nem csak a jobb differenciális kontraszt elérése érdekében fontos, hanem segít megőrizni az elágazó polimer ecsetek szerkezetét eredeti formájukban, amelyek aztán a STEM képeken láthatók.Ezután mossuk és dehidratáljuk etanol/víz elegyben, növekvő etanolkoncentráció mellett.A mintákat ezután EMBed 812/Araldite epoxival öntöttük, amely egy éjszakán át 70 °C-on kikeményedett.A gyantapolimerizációval nyert mintablokkokat ultramikrotommal vágtuk, és a keletkezett vékony metszeteket STEM detektorral, alacsony vákuum üzemmódban, 30 kV-os gyorsítófeszültség mellett tettük láthatóvá.Ugyanezt a SEM rendszert használták a PFQNM-LC-A-CAL AFM szonda (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) részletes jellemzésére.Az AFM szonda SEM-képeit tipikus nagyvákuum üzemmódban, 30 kV-os gyorsítófeszültséggel készítettük.Készítsen képeket különböző szögekből és nagyításokból, hogy rögzítse az AFM szondacsúcs alakjának és méretének összes részletét.A képeken szereplő összes csúcsméretet digitálisan mértük.
Dimension FastScan Bio Icon atomerőmikroszkópot (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) „PeakForce QNM in Fluid” móddal használtak a lehfilcon A CL, SiHy szubsztrát és PAAm hidrogél minták vizualizálására és nanobevágására.A képalkotó kísérletekhez 1 nm névleges csúcssugarú PEAKFORCE-HIRS-FA szondát (Bruker) használtunk a minta nagy felbontású képeinek rögzítésére 0,50 Hz-es pásztázási frekvenciával.Minden kép vizes oldatban készült.
Az AFM nanoindentációs kísérleteket PFQNM-LC-A-CAL szondával (Bruker) végeztük.Az AFM szonda szilíciumvéggel rendelkezik egy 345 nm vastag, 54 µm hosszú és 4,5 µm széles nitrid konzolon, 45 kHz rezonanciafrekvenciával.Kifejezetten lágy biológiai minták jellemzésére és kvantitatív nanomechanikai mérések elvégzésére készült.Az érzékelőket gyárilag egyedileg kalibrálják, előre kalibrált rugóbeállításokkal.A vizsgálatban használt szondák rugóállandói 0,05-0,1 N/m tartományban voltak.A csúcs alakjának és méretének pontos meghatározásához a szondát SEM segítségével részletesen jellemeztük.ábrán.Az 1a. ábra a PFQNM-LC-A-CAL szonda nagy felbontású, kis nagyítású pásztázó elektronmikroszkópos felvételét mutatja, amely holisztikus képet ad a szonda kialakításáról.ábrán.Az 1b. ábra a szondacsúcs tetejének kinagyított nézetét mutatja, amely információt ad a csúcs alakjáról és méretéről.A tű szélső végén körülbelül 140 nm átmérőjű félgömb (1c. ábra).Ez alatt a csúcs kúp alakúra keskenyedik, és eléri a körülbelül 500 nm mért hosszúságot.A keskenyedő tartományon kívül a hegy hengeres, és a csúcs teljes hossza 1,18 µm.Ez a szonda csúcsának fő funkcionális része.Ezenkívül egy nagy gömb alakú polisztirol (PS) szondát (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA), amelynek csúcsátmérője 45 µm és rugóállandója 2 N/m, szintén kolloid szondaként teszteltük.összehasonlítás céljából PFQNM-LC-A-CAL 140 nm-es szondával.
Beszámoltak arról, hogy folyadék szorulhat az AFM szonda és a polimer kefe szerkezete közé a nanobenyomódás során, ami felfelé ható erőt fejt ki az AFM szondára, mielőtt az ténylegesen érintené a felületet69.Ez a folyadékvisszatartás miatti viszkózus extrudálási hatás megváltoztathatja a látszólagos érintkezési pontot, ezáltal befolyásolva a felületi modulus mérését.A szonda geometriájának és a bemélyedési sebességnek a folyadékretencióra gyakorolt ​​hatásának tanulmányozására lehfilcon A CL mintákra bemélyedési erőgörbéket rajzoltunk 140 nm átmérőjű szondával 1 µm/s és 2 µm/s állandó elmozdulási sebesség mellett.szonda átmérője 45 µm, fix erőbeállítás 6 nN 1 µm/s-nál.A 140 nm átmérőjű szondával végzett kísérleteket 1 µm/s benyomódási sebességgel és 300 pN beállított erővel végeztük, úgy választottuk meg, hogy a felső szemhéj fiziológiás tartományában (1-8 kPa) érintkező nyomást hozzunk létre.nyomás 72. 1 kPa nyomású PAA hidrogél lágy, kész mintáit 140 nm átmérőjű szondával 50 pN benyomódási erőre teszteltük 1 μm/s sebességgel.
Mivel a PFQNM-LC-A-CAL szonda csúcsának kúpos részének hossza hozzávetőleg 500 nm, minden 500 nm-nél kisebb bemélyedés esetén nyugodtan feltételezhető, hogy a szonda geometriája a bemélyedés során hű marad a sajátjához. kúp alakú.Ezenkívül feltételezzük, hogy a vizsgált anyag felülete reverzibilis rugalmas választ fog mutatni, amit a következő szakaszok is megerősítenek.Ezért a csúcs alakjától és méretétől függően a Briscoe, Sebastian és Adams által kifejlesztett kúpgömb illesztési modellt választottuk, amely elérhető a gyártó szoftverében, AFM nanoindentációs kísérleteink (NanoScope) feldolgozásához.Elválasztási adatelemző szoftver, Bruker) 73. A modell leírja az F(δ) erő-elmozdulás összefüggést gömbcsúcshibás kúp esetén.ábrán.A 2. ábrán látható az érintkezési geometria merev kúp és gömb alakú csúcs kölcsönhatása során, ahol R a gömbcsúcs sugara, a az érintkezési sugár, b az érintkezési sugár a gömbcsúcs végén, δ a érintkezési sugár.bemélyedés mélysége, θ a kúp félszöge.Ennek a szondának a SEM képe jól mutatja, hogy a 140 nm átmérőjű gömbcsúcs érintőlegesen egy kúpba olvad össze, tehát itt b csak R-en keresztül definiálható, azaz b = R cos θ.A szállító által szállított szoftver kúp-gömb összefüggést biztosít a Young-modulus (E) értékek kiszámításához az erőelválasztási adatokból, feltételezve, hogy a > b.Kapcsolat:
ahol F a benyomódási erő, E a Young-modulus, ν a Poisson-hányados.Az a érintkezési sugár a következőképpen becsülhető meg:
A Lefilcon kontaktlencse anyagába préselt, gömb alakú hegyű merev kúp érintkezési geometriájának vázlata elágazó polimer ecsetek felületi rétegével.
Ha a ≤ b, az összefüggés redukálódik a hagyományos gömb alakú behúzás egyenletére;
Úgy gondoljuk, hogy a bemélyedő szonda és a PMPC polimer kefe elágazó szerkezetének kölcsönhatása miatt az a érintkezési sugár nagyobb lesz, mint a b gömb érintkezési sugár.Ezért a jelen tanulmányban elvégzett összes rugalmassági modulus kvantitatív mérésénél az a > b esetre kapott függést használtuk.
A jelen tanulmányban vizsgált ultralágy biomimetikus anyagokat átfogóan leképeztük a minta keresztmetszetének pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópiával (STEM) és a felület atomerő-mikroszkópjával (AFM).Ezt a részletes felületkarakterizálást korábban publikált munkánk kiterjesztéseként végeztük, amelyben megállapítottuk, hogy a PMPC-módosított lehfilcon A CL felület dinamikusan elágazó polimer kefeszerkezete hasonló mechanikai tulajdonságokat mutat, mint a natív szaruhártya szövet 14 .Emiatt a kontaktlencse felületeket biomimetikus anyagoknak nevezzük14.ábrán.A 3a, b ábrák elágazó PMPC polimer kefeszerkezetek keresztmetszete látható egy lehfilcon A CL hordozó felületén, illetve egy kezeletlen SiHy hordozó felületén.Mindkét minta felületét tovább elemeztük nagy felbontású AFM-képekkel, ami tovább erősítette a STEM analízis eredményeit (3c, d ábra).Összességében ezek a képek a PMPC elágazó polimer kefe szerkezetének hozzávetőleges hosszát adják 300–400 nm-en, ami kritikus az AFM nanoindentációs mérések értelmezéséhez.A képekből származó másik kulcsfontosságú megfigyelés az, hogy a CL biomimetikus anyag teljes felületi szerkezete morfológiailag eltér a SiHy szubsztrátum anyagától.Ez a különbség a felületi morfológiájukban a bemélyedő AFM szondával való mechanikai kölcsönhatás során, majd a mért modulusértékekben válik nyilvánvalóvá.
Keresztmetszeti STEM képek (a) lehfilcon A CL és (b) SiHy szubsztrátról.Skála, 500 nm.AFM képek a lehfilcon A CL hordozó (c) és az alap SiHy szubsztrát (d) felületéről (3 µm × 3 µm).
A bioinspirált polimerek és polimer kefe szerkezetek eredendően lágyak, és széles körben tanulmányozták és használják különféle orvosbiológiai alkalmazásokban74, 75, 76, 77.Ezért fontos az AFM nanoindentációs módszer alkalmazása, amellyel pontosan és megbízhatóan mérhető a mechanikai tulajdonságaik.Ugyanakkor ezeknek az ultralágy anyagoknak az egyedülálló tulajdonságai, mint például a rendkívül alacsony rugalmassági modulus, a magas folyadéktartalom és a nagy rugalmasság gyakran megnehezítik a megfelelő anyag, forma és forma kiválasztását a bemélyedő szondának.méret.Ez azért fontos, hogy a bemélyedés ne szúrja át a minta puha felületét, ami hibákhoz vezetne a felülettel való érintkezési pont és az érintkezési terület meghatározása során.
Ehhez elengedhetetlen az ultralágy biomimetikus anyagok (lehfilcon A CL) morfológiájának átfogó ismerete.A képalkotó módszerrel nyert, elágazó polimer kefék méretére és szerkezetére vonatkozó információk alapot adnak a felület AFM nanoindentációs technikával történő mechanikai jellemzéséhez.A mikron méretű gömb alakú kolloid szondák helyett a PFQNM-LC-A-CAL szilícium-nitrid szondát (Bruker) választottuk, amelynek csúcsátmérője 140 nm, amelyet kifejezetten a biológiai minták mechanikai tulajdonságainak kvantitatív feltérképezésére terveztek 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 A viszonylag éles szondák használatának oka a hagyományos kolloid szondákhoz képest az anyag szerkezeti jellemzőivel magyarázható.Ha összehasonlítjuk a szondacsúcs méretét (~140 nm) a CL lehfilcon A felületén lévő elágazó polimer kefékkel, a 3a. ábrán látható módon megállapítható, hogy a csúcs elég nagy ahhoz, hogy közvetlenül érintkezzen ezekkel a kefeszerkezetekkel, amelyek csökkenti annak esélyét, hogy a hegy átfúrja őket.Ennek szemléltetésére a 4. ábrán a lehfilcon A CL STEM-képe és az AFM szonda bemélyedő csúcsa látható (méretarányra rajzolva).
A lehfilcon A CL STEM-képét és egy ACM bemélyedésszondát bemutató vázlat (méretarányra rajzolva).
Ezenkívül a 140 nm-es csúcsméret elég kicsi ahhoz, hogy elkerülje a korábban a CP-AFM nanoindentációs módszerrel előállított polimer keféknél leírt ragadós extrudálási hatások kockázatát69,71.Feltételezzük, hogy ennek az AFM csúcsnak a speciális kúpos gömb alakja és viszonylag kis mérete miatt (1. ábra) a lehfilcon A CL nanobenyomódás által generált erőgörbe jellege nem függ a behúzási sebességtől vagy a be-/kirakodási sebességtől. .Ezért nem befolyásolja a poroelasztikus hatás.Ennek a hipotézisnek a tesztelésére a lehfilcon A CL mintákat rögzített maximális erővel benyomtuk egy PFQNM-LC-A-CAL szondával, de két különböző sebességgel, és a kapott húzó- és visszahúzóerő görbéket használtuk az erő (nN) ábrázolására. elválasztásban (µm) látható az 5a. ábrán.Jól látható, hogy az erőgörbék a be- és kirakodás során teljesen átfedik egymást, és nincs egyértelmű bizonyíték arra, hogy a nulla bemélyedési mélységnél az erőnyírás a bemélyedési sebességgel nő az ábrán, ami arra utal, hogy az egyes kefeelemeket poroelasztikus hatás nélkül jellemezték.Ezzel szemben a folyadékvisszatartási hatások (viszkózus extrudálás és poroelaszticitási hatások) nyilvánvalóak a 45 µm átmérőjű AFM szondánál azonos bemélyedési sebesség mellett, és ezeket kiemeli a nyújtási és visszahúzási görbék közötti hiszterézis, amint azt az 5b. ábra mutatja.Ezek az eredmények alátámasztják a hipotézist, és arra utalnak, hogy a 140 nm átmérőjű szondák jó választás az ilyen puha felületek jellemzésére.
lehfilcon A CL bemélyedési erőgörbék ACM használatával;a) 140 nm átmérőjű szondát használnak két terhelési sebesség mellett, bizonyítva a poroelasztikus hatás hiányát a felületi benyomódás során;(b) 45 µm és 140 nm átmérőjű szondák felhasználásával.s mutatják a viszkózus extrudálás és a poroelaszticitás hatásait nagy szondák esetén a kisebb szondákhoz képest.
Az ultralágy felületek jellemzéséhez az AFM nanoindentációs módszereknek rendelkezniük kell a legjobb szondával a vizsgált anyag tulajdonságainak tanulmányozására.A nanobenyomódás pontosságának és megbízhatóságának meghatározásában a csúcsforma és -méret mellett fontos szerepet játszik az AFM detektorrendszer érzékenysége, a tesztkörnyezetben a csúcs elhajlására való érzékenység, valamint a konzolos merevség.mérések.AFM rendszerünk esetében a helyzetérzékeny érzékelő (PSD) érzékelési határa körülbelül 0,5 mV, és a PFQNM-LC-A-CAL szonda előre kalibrált rugósebessége és számított folyadékeltérítési érzékenységén alapul, amely megfelel a elméleti terhelésérzékenység.kisebb, mint 0,1 pN.Ezért ez a módszer lehetővé teszi a minimális benyomódási erő mérését ≤ 0,1 pN perifériás zajkomponens nélkül.Azonban szinte lehetetlen, hogy egy AFM rendszer a perifériás zajt erre a szintre csökkentse olyan tényezők miatt, mint a mechanikai rezgések és a folyadékdinamika.Ezek a tényezők korlátozzák az AFM nanoindentációs módszer általános érzékenységét, és körülbelül ≤ 10 pN háttérzajjelet eredményeznek.A felület jellemzéséhez a lehfilcon A CL és SiHy szubsztrát mintákat teljesen hidratált körülmények között benyomtuk egy 140 nm-es szondával a SEM jellemzéséhez, és az eredményül kapott erőgörbéket az erő (pN) és a nyomás között szuperponáltuk.Az elválasztási görbe (µm) a 6a. ábrán látható.A SiHy alapszubsztrátumhoz képest a lehfilcon A CL erőgörbe egyértelműen egy átmeneti fázist mutat, amely a villás polimer kefével való érintkezési ponttól kezdődik, és a hegy és az alatta lévő anyag lejtőjelölő érintkezésének éles változásával végződik.Az erőgörbe ezen átmeneti része kiemeli az elágazó polimer kefe valóban rugalmas viselkedését a felületen, amit a feszítési görbét szorosan követő kompressziós görbe, valamint a kefe szerkezete és a terjedelmes SiHy anyag közötti mechanikai tulajdonságok kontrasztja bizonyít.Ha összehasonlítjuk a lefilcont.Egy elágazó polimer kefe átlagos hosszának elválasztása a PCS STEM képén (3a. ábra) és erőgörbéje az abszcissza mentén a 3a. ábrán.A 6a. ábra azt mutatja, hogy az eljárás képes detektálni a csúcsot és az elágazó polimert, amely eléri a felület legtetejét.Érintkezés a kefeszerkezetek között.Ezenkívül az erőgörbék szoros átfedése azt jelzi, hogy nincs folyadékvisszatartó hatás.Ebben az esetben a tű és a minta felülete között egyáltalán nincs tapadás.A két minta erőgörbéinek legfelső szakaszai átfedik egymást, tükrözve a hordozóanyagok mechanikai tulajdonságainak hasonlóságát.
(a) AFM nanoindentációs erőgörbék lehfilcon A CL szubsztrátumokhoz és SiHy szubsztrátumokhoz, (b) erőgörbék, amelyek az érintkezési pont becslését mutatják a háttérzajküszöb módszerrel.
Az erőgörbe finomabb részleteinek tanulmányozása érdekében a lehfilcon A CL minta feszültséggörbéjét újra ábrázoljuk a 6b. ábrán 50 pN maximális erővel az y tengely mentén.Ez a grafikon fontos információkat tartalmaz az eredeti háttérzajról.A zaj ±10 pN tartományba esik, ami az érintkezési pont pontos meghatározására és a benyomódási mélység kiszámítására szolgál.Amint az irodalomban is szerepel, az érintkezési pontok azonosítása kritikus fontosságú az anyagtulajdonságok, például a modulus85 pontos értékeléséhez.Az erőgörbe adatainak automatikus feldolgozását magában foglaló megközelítés jobb illeszkedést mutatott az adatok illesztése és a puha anyagok kvantitatív mérései között86.Ebben a munkában az érintkezési pontok megválasztása viszonylag egyszerű és objektív, de megvannak a maga korlátai.Az érintkezési pont meghatározásának konzervatív megközelítése kisebb bemélyedési mélységek (< 100 nm) esetén kissé túlbecsült modulusértékeket eredményezhet.Ennek a munkának a folytatása lehet a jövőben az algoritmus alapú érintési pont-érzékelés és az automatizált adatfeldolgozás alkalmazása módszerünk továbbfejlesztése érdekében.Így ±10 pN nagyságrendű belső háttérzaj esetén az érintkezési pontot az x tengely első adatpontjaként határozzuk meg a 6b. ábrán ≥10 pN értékkel.Ezután a 10 pN zajküszöbnek megfelelően ~0,27 µm-es függőleges vonal jelzi a felülettel való érintkezési pontot, majd a nyújtási görbe addig folytatódik, amíg a szubsztrát el nem éri a ~270 nm-es bemélyedési mélységet.Érdekes módon a képalkotó módszerrel mért elágazó polimer kefe jellemzőinek mérete (300-400 nm) alapján a CL lehfilcon A háttérzajküszöb módszerrel megfigyelt minta bemélyedési mélysége körülbelül 270 nm, ami nagyon közel van a mérési méret STEM-mel.Ezek az eredmények tovább erősítik az AFM szondacsúcs alakjának és méretének kompatibilitását és alkalmazhatóságát ennek a nagyon puha és rendkívül rugalmas elágazó polimer kefeszerkezetnek a bemélyedéséhez.Ezek az adatok erős bizonyítékot szolgáltatnak arra is, hogy alátámasztják módszerünket, amellyel a háttérzajt használjuk küszöbként az érintkezési pontok meghatározásához.Így a matematikai modellezésből és az erőgörbe illesztésből származó kvantitatív eredményeknek viszonylag pontosnak kell lenniük.
Az AFM nanoindentációs módszerekkel végzett kvantitatív mérések teljes mértékben függenek az adatkiválasztáshoz és az azt követő elemzéshez használt matematikai modellektől.Ezért fontos, hogy egy adott modell kiválasztása előtt figyelembe vegyünk minden, a behúzás kiválasztásával kapcsolatos tényezőt, az anyagtulajdonságokat és ezek kölcsönhatásának mechanikáját.Ebben az esetben a hegy geometriáját gondosan jellemezték SEM mikrográfokkal (1. ábra), és az eredmények alapján a 140 nm átmérőjű, kemény kúpos és gömb alakú hegygeometriájú AFM nanobenyomódó szonda jó választás lehfilcon A CL79 minták jellemzésére. .Egy másik fontos tényező, amelyet gondosan értékelni kell, a vizsgált polimer anyag rugalmassága.Bár a nanobenyomódás kezdeti adatai (5a. és 6a. ábra) jól körvonalazzák a húzó- és nyomógörbe átfedésének jellemzőit, azaz az anyag teljes rugalmas visszanyerését, rendkívül fontos az érintkezők tisztán rugalmasságának igazolása. .Ebből a célból két egymást követő bemélyedést végeztünk ugyanazon a helyen a lehfilcon A CL minta felületén 1 µm/s bemélyedési sebességgel teljes hidratálási körülmények között.Az eredményül kapott erőgörbe adatokat a 2. ábra mutatja.A 7. ábrán látható, és a várakozásoknak megfelelően a két nyomat tágulási és összenyomódási görbéi szinte azonosak, kiemelve az elágazó polimer ecsetszerkezet nagy rugalmasságát.
A lehfilcon A CL felületén ugyanazon a helyen két bemélyedési erőgörbe jelzi a lencsefelület ideális rugalmasságát.
A szonda csúcsáról és a lehfilcon A CL felületéről készült SEM- és STEM-képekből nyert információk alapján a kúp-gömb modell ésszerű matematikai reprezentációja az AFM szondacsúcs és a tesztelt lágy polimer anyag közötti kölcsönhatásnak.Ezen túlmenően ennél a kúpgömb-modellnél a nyomtatott anyag rugalmas tulajdonságaira vonatkozó alapvető feltételezések igazak erre az új biomimetikus anyagra, és a rugalmassági modulus számszerűsítésére használják.
Az AFM nanoindentációs módszer és összetevői átfogó értékelése után, beleértve a bemélyedés szonda tulajdonságait (alak, méret és rugómerevség), érzékenységet (háttérzaj és érintkezési pont becslés), valamint adatillesztési modelleket (kvantitatív modulusmérés) használt.a kereskedelemben kapható ultralágy minták jellemzése a mennyiségi eredmények ellenőrzése érdekében.Egy 1 kPa rugalmassági modulusú kereskedelmi poliakrilamid (PAAM) hidrogélt teszteltünk hidratált körülmények között 140 nm-es szondával.A modul tesztelésének és számításainak részleteit a Kiegészítő információ tartalmazza.Az eredmények azt mutatták, hogy az átlagos mért modulus 0,92 kPa volt, és az ismert modulustól való %RSD és százalékos (%) eltérés kevesebb, mint 10%.Ezek az eredmények megerősítik az ultralágy anyagok modulusának mérésére ebben a munkában alkalmazott AFM nanoindentációs módszer pontosságát és reprodukálhatóságát.A lehfilcon A CL minták és a SiHy alapszubsztrát felületeit tovább jellemeztük ugyanazzal az AFM nanoindentációs módszerrel, hogy tanulmányozzuk az ultralágy felület látszólagos érintkezési modulusát a benyomódási mélység függvényében.A bemélyedési erő elválasztási görbéit minden típusból három próbatestre (n = 3; mintánként egy bemélyedés) állítottuk elő 300 pN erővel, 1 µm/s sebességgel és teljes hidratációval.A benyomódási erő megosztási görbéjét kúp-gömb modell segítségével közelítettük meg.A bemélyedés mélységétől függő modulus eléréséhez az erőgörbe 40 nm széles részét az érintkezési ponttól kezdve minden 20 nm-es lépésnél beállítottuk, és az erőgörbe minden lépésénél mértük a modulus értékeit.Spin Cy et al.Hasonló megközelítést alkalmaztak a poli(lauril-metakrilát) (P12MA) polimer kefék modulusgradiensének jellemzésére kolloid AFM szonda nanoindentációval, és ezek összhangban vannak a Hertz kontaktmodell adataival.Ez a megközelítés a látszólagos érintkezési modulus (kPa) és a benyomódási mélység (nm) függvényében ábrázolja, amint az a 8. ábrán látható, amely a látszólagos érintkezési modulus/mélység gradienst mutatja.A CL lehfilcon A minta számított rugalmassági modulusa a minta felső 100 nm-én belül a 2-3 kPa tartományba esik, amelyen túl a mélységgel növekedni kezd.Másrészt a SiHy alapszubsztrátum tesztelésekor kefeszerű film nélkül a felületen a 300 pN erőnél elért maximális benyomódási mélység kisebb, mint 50 nm, az adatokból kapott modulusérték pedig körülbelül 400 kPa. , ami összevethető az ömlesztett anyagok Young-modulusának értékeivel.
Látszólagos érintkezési modulus (kPa) vs. benyomódási mélység (nm) lehfilcon A CL és SiHy szubsztrátumok esetén AFM nanoindentációs módszerrel kúp-gömb geometriával a modulus mérésére.
Az új biomimetikus elágazó polimer kefeszerkezet legfelső felülete rendkívül alacsony rugalmassági modulust mutat (2-3 kPa).Ez illeszkedik a villás polimer kefe szabadon függő végéhez, ahogy az a STEM képen látható.Bár van némi bizonyíték a modulus gradiensére a CL külső szélén, a fő nagy modulusú szubsztrát befolyásosabb.A felület felső 100 nm-e azonban az elágazó polimer kefe teljes hosszának 20%-án belül van, így joggal feltételezhető, hogy a modulus mért értékei ebben a bemélyedési mélységtartományban viszonylag pontosak és nem erősek. az alsó objektum hatásától függ.
A SiHy szubsztrátumok felületére ojtott elágazó PMPC polimer kefe szerkezetekből álló lehfilcon A kontaktlencsék egyedi biomimetikus kialakítása miatt nagyon nehéz a hagyományos mérési módszerekkel megbízhatóan jellemezni felületi szerkezetük mechanikai tulajdonságait.Itt bemutatunk egy fejlett AFM nanoindentációs módszert az ultralágy anyagok, például a magas víztartalmú és rendkívül nagy rugalmasságú lefilcon A pontos jellemzésére.Ez a módszer egy AFM szonda használatán alapul, amelynek hegyének méretét és geometriáját gondosan választották meg, hogy megfeleljenek a lenyomatozandó ultrapuha felület jellemzőinek szerkezeti méreteinek.A szonda és a szerkezet közötti méretkombináció megnövelt érzékenységet biztosít, lehetővé téve az elágazó polimer kefeelemek alacsony modulusának és eredendő rugalmassági tulajdonságainak mérését, függetlenül a poroelasztikus hatásoktól.Az eredmények azt mutatták, hogy a lencse felületére jellemző egyedi elágazó PMPC polimer ecsetek rendkívül alacsony rugalmassági modulussal (akár 2 kPa) és nagyon magas rugalmassággal (közel 100%) vizes környezetben tesztelve.Az AFM nanoindentáció eredményei lehetővé tették a biomimetikus lencsefelület látszólagos érintkezési modulusa/mélység gradiensének (30 kPa/200 nm) jellemzését is.Ez a gradiens oka lehet az elágazó polimer kefék és a SiHy szubsztrátum közötti moduluskülönbség, vagy a polimer kefék elágazó szerkezete/sűrűsége, vagy ezek kombinációja.Azonban további mélyreható vizsgálatokra van szükség ahhoz, hogy teljes mértékben megértsük a szerkezet és a tulajdonságok közötti kapcsolatot, különösen a kefeelágazás hatását a mechanikai tulajdonságokra.Hasonló mérések segíthetnek más ultralágy anyagok és orvosi eszközök felületének mechanikai tulajdonságainak jellemzésében.
A jelenlegi vizsgálat során generált és/vagy elemzett adatkészletek ésszerű kérésre rendelkezésre állnak a megfelelő szerzőktől.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. és Haugen, HJ. Biológiai reakciók bioanyagok felületeinek fizikai és kémiai tulajdonságaira.Kémiai.társadalom.Szerk.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM és Liu, X. Emberi eredetű bioanyagok fejlesztése szövetmérnöki célokra.programozás.polimer.a tudomány.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Bioanyagok tervezése, klinikai megvalósítása és immunválasza a regeneratív gyógyászatban.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK és Farr GM Továbbfejlesztett módszer a keménység és a rugalmassági modulus meghatározására terhelés- és elmozdulásmérésekkel végzett benyomódási kísérletekkel.J. Alma mater.tároló tartály.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM A benyomódási keménységvizsgálat történeti eredete.alma Mater.a tudomány.technológiákat.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Behúzódási keménységmérés makro-, mikro- és nanoskálán: Kritikai áttekintés.törzs.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD és Clapperich, SM A felületészlelési hibák a modulus túlbecsléséhez vezetnek a lágy anyagok nanobenyomódásában.J. Mecha.Viselkedés.Orvosbiológiai Tudomány.alma Mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR és Yahya M.Yu.A heterogén nanokompozitok mechanikai jellemzőinek meghatározására szolgáló nanobenyomódásos módszer kiértékelése kísérleti és számítási módszerekkel.a tudomány.9. ház, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR és Owart, TS Lágy viszkoelasztikus gélek mechanikai jellemzése benyomódással és optimalizálás alapú inverz végeselem-analízissel.J. Mecha.Viselkedés.Orvosbiológiai Tudomány.alma Mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J és Chaneler D. A viszkoelaszticitás meghatározásának optimalizálása kompatibilis mérőrendszerekkel.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. és Pellillo, E. polimer felületek nanoindentációja.J. Fizika.D. Jelentkezzen fizikára.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. és Van Vliet KJ Nagy rugalmasságú polimerek és biológiai szövetek viszkoelasztikus mechanikai tulajdonságainak jellemzése lökés benyomódással.Journal of Biomaterials.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Lágy anyagok rugalmassági modulusának és adhéziós munkájának értékelése kiterjesztett Borodich-Galanov (BG) módszerrel és mély behúzással.szőrme.alma Mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Szilikon-hidrogél kontaktlencsék biomimetikus polimer felületeinek nanoméretű morfológiája és mechanikai tulajdonságai.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).