Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.
Dengan berkembangnya bahan ultra-lunak baru untuk perangkat medis dan aplikasi biomedis, karakterisasi komprehensif sifat fisik dan mekaniknya menjadi penting dan menantang.Teknik nanoindentasi mikroskop kekuatan atom (AFM) yang dimodifikasi diterapkan untuk mengkarakterisasi modulus permukaan yang sangat rendah dari lehfilcon baru. Lensa kontak hidrogel silikon biomimetik yang dilapisi dengan lapisan struktur sikat polimer bercabang.Metode ini memungkinkan penentuan titik kontak secara tepat tanpa efek ekstrusi kental ketika mendekati polimer bercabang.Selain itu, memungkinkan untuk menentukan karakteristik mekanis masing-masing elemen sikat tanpa efek poroelastisitas.Hal ini dicapai dengan memilih probe AFM dengan desain (ukuran ujung, geometri, dan kecepatan pegas) yang sangat cocok untuk mengukur sifat bahan lunak dan sampel biologis.Metode ini meningkatkan sensitivitas dan akurasi untuk pengukuran akurat bahan lehfilcon A yang sangat lembut, yang memiliki modulus elastisitas sangat rendah pada luas permukaan (hingga 2 kPa) dan elastisitas sangat tinggi pada lingkungan berair internal (hampir 100%). .Hasil studi permukaan tidak hanya mengungkap sifat permukaan ultra-lembut lensa lehfilcon A, namun juga menunjukkan bahwa modulus sikat polimer bercabang sebanding dengan modulus substrat silikon-hidrogen.Teknik karakterisasi permukaan ini dapat diterapkan pada bahan ultra-lembut dan perangkat medis lainnya.
Sifat mekanik bahan yang dirancang untuk kontak langsung dengan jaringan hidup sering kali ditentukan oleh lingkungan biologis.Kesesuaian sempurna antara sifat material ini membantu mencapai karakteristik klinis material yang diinginkan tanpa menyebabkan respons seluler yang merugikan1,2,3.Untuk material homogen curah, karakterisasi sifat mekanik relatif mudah karena tersedianya prosedur standar dan metode pengujian (misalnya, lekukan mikro4,5,6).Namun, untuk bahan ultra-lunak seperti gel, hidrogel, biopolimer, sel hidup, dll., metode pengujian ini umumnya tidak dapat diterapkan karena keterbatasan resolusi pengukuran dan ketidakhomogenan beberapa bahan7.Selama bertahun-tahun, metode indentasi tradisional telah dimodifikasi dan diadaptasi untuk mengkarakterisasi berbagai bahan lunak, namun banyak metode masih mengalami kekurangan serius yang membatasi penggunaannya8,9,10,11,12,13.Kurangnya metode pengujian khusus yang dapat secara akurat dan andal mengkarakterisasi sifat mekanik material supersoft dan lapisan permukaan sangat membatasi penggunaannya dalam berbagai aplikasi.
Dalam penelitian kami sebelumnya, kami memperkenalkan lensa kontak lehfilcon A (CL), bahan heterogen lembut dengan semua sifat permukaan ultra-lembut yang berasal dari desain biomimetik potensial yang terinspirasi oleh permukaan kornea mata.Biomaterial ini dikembangkan dengan mencangkokkan lapisan polimer poli(2-metakriloiloksietilfosforilkolin (MPC)) (PMPC) bercabang dan bertaut silang ke dalam hidrogel silikon (SiHy) 15 yang dirancang untuk perangkat medis berbasis.Proses pencangkokan ini menciptakan lapisan pada permukaan yang terdiri dari struktur sikat polimer bercabang yang sangat lembut dan sangat elastis.Penelitian kami sebelumnya telah mengkonfirmasi bahwa struktur biomimetik lehfilcon A CL memberikan sifat permukaan yang unggul seperti peningkatan pembasahan dan pencegahan pengotoran, peningkatan pelumasan, dan pengurangan adhesi sel dan bakteri15,16.Selain itu, penggunaan dan pengembangan bahan biomimetik ini juga menunjukkan perluasan lebih lanjut ke perangkat biomedis lainnya.Oleh karena itu, sangat penting untuk mengkarakterisasi sifat permukaan bahan ultra-lembut ini dan memahami interaksi mekanisnya dengan mata guna menciptakan basis pengetahuan yang komprehensif untuk mendukung pengembangan dan aplikasi di masa depan.Kebanyakan lensa kontak SiHy yang tersedia secara komersial terdiri dari campuran homogen polimer hidrofilik dan hidrofobik yang membentuk struktur bahan yang seragam17.Beberapa penelitian telah dilakukan untuk menyelidiki sifat mekaniknya menggunakan metode uji kompresi, tarik dan mikroindentasi tradisional18,19,20,21.Namun, desain biomimetik baru lehfilcon A CL menjadikannya bahan heterogen yang unik di mana sifat mekanik struktur sikat polimer bercabang berbeda secara signifikan dari substrat dasar SiHy.Oleh karena itu, sangat sulit untuk mengukur sifat-sifat ini secara akurat menggunakan metode konvensional dan indentasi.Metode yang menjanjikan adalah menggunakan metode pengujian nanoindentasi yang diterapkan dalam mikroskop kekuatan atom (AFM), sebuah metode yang telah digunakan untuk menentukan sifat mekanik bahan viskoelastik lunak seperti sel dan jaringan biologis, serta polimer lunak22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Dalam nanoindentation AFM, dasar-dasar pengujian nanoindentation dikombinasikan dengan kemajuan terbaru dalam teknologi AFM untuk memberikan peningkatan sensitivitas pengukuran dan pengujian berbagai bahan inheren supersoft31,32,33,34,35,36.Selain itu, teknologi ini menawarkan keuntungan penting lainnya melalui penggunaan geometri yang berbeda.indentor dan probe serta kemungkinan pengujian di berbagai media cair.
Nanoindentasi AFM secara kondisional dapat dibagi menjadi tiga komponen utama: (1) peralatan (sensor, detektor, probe, dll.);(2) parameter pengukuran (seperti gaya, perpindahan, kecepatan, ukuran ramp, dll.);(3) Pemrosesan data (koreksi baseline, estimasi titik sentuh, penyesuaian data, pemodelan, dll).Masalah yang signifikan dengan metode ini adalah beberapa penelitian dalam literatur yang menggunakan laporan nanoindentasi AFM menghasilkan hasil kuantitatif yang sangat berbeda untuk jenis sampel/sel/bahan yang sama37,38,39,40,41.Misalnya, Lekka dkk.Pengaruh geometri probe AFM pada modulus Young yang diukur dari sampel hidrogel homogen mekanis dan sel heterogen dipelajari dan dibandingkan.Mereka melaporkan bahwa nilai modulus sangat bergantung pada pemilihan kantilever dan bentuk ujung, dengan nilai tertinggi untuk probe berbentuk piramida dan nilai terendah 42 untuk probe berbentuk bola.Demikian pula, Selhuber-Unkel dkk.Telah ditunjukkan bagaimana kecepatan indentor, ukuran indentor dan ketebalan sampel poliakrilamida (PAAM) mempengaruhi modulus Young yang diukur dengan nanoindentasi ACM43.Faktor rumit lainnya adalah kurangnya bahan uji modulus standar yang sangat rendah dan prosedur pengujian gratis.Hal ini membuat sangat sulit untuk mendapatkan hasil yang akurat dengan percaya diri.Namun, metode ini sangat berguna untuk pengukuran relatif dan evaluasi komparatif antara jenis sampel yang serupa, misalnya menggunakan nanoindentasi AFM untuk membedakan sel normal dari sel kanker 44, 45 .
Saat menguji bahan lunak dengan nanoindentasi AFM, aturan umumnya adalah menggunakan probe dengan konstanta pegas rendah (k) yang sangat cocok dengan modulus sampel dan ujung hemisferis/bulat sehingga probe pertama tidak menembus permukaan sampel pada kontak pertama dengan bahan lembut.Penting juga agar sinyal defleksi yang dihasilkan oleh probe cukup kuat untuk dideteksi oleh sistem detektor laser24,34,46,47.Dalam kasus sel, jaringan, dan gel heterogen yang sangat lunak, tantangan lainnya adalah mengatasi gaya rekat antara probe dan permukaan sampel untuk memastikan pengukuran dapat direproduksi dan andal48,49,50.Hingga saat ini, sebagian besar penelitian pada nanoindentasi AFM berfokus pada studi tentang perilaku mekanis sel biologis, jaringan, gel, hidrogel, dan biomolekul menggunakan probe berbentuk bola yang relatif besar, yang biasa disebut sebagai probe koloidal (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Tip ini memiliki radius 1 hingga 50 µm dan biasanya terbuat dari kaca borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistiren (PS), silikon dioksida (SiO2) dan berlian- seperti karbon (DLC).Meskipun nanoindentasi CP-AFM sering kali menjadi pilihan pertama untuk karakterisasi sampel lunak, ia memiliki masalah dan keterbatasannya sendiri.Penggunaan ujung bola berukuran mikron yang besar meningkatkan total area kontak ujung dengan sampel dan mengakibatkan hilangnya resolusi spasial secara signifikan.Untuk spesimen lunak dan tidak homogen, dimana sifat mekanik elemen lokal mungkin berbeda secara signifikan dari rata-rata pada area yang lebih luas, lekukan CP dapat menyembunyikan ketidakhomogenan sifat pada skala lokal52.Probe koloid biasanya dibuat dengan menempelkan bola koloid berukuran mikron ke kantilever tanpa ujung menggunakan perekat epoksi.Proses pembuatannya sendiri penuh dengan banyak masalah dan dapat menyebabkan ketidakkonsistenan dalam proses kalibrasi probe.Selain itu, ukuran dan massa partikel koloid secara langsung mempengaruhi parameter kalibrasi utama kantilever, seperti frekuensi resonansi, kekakuan pegas, dan sensitivitas defleksi56,57,58.Dengan demikian, metode yang umum digunakan untuk probe AFM konvensional, seperti kalibrasi suhu, mungkin tidak memberikan kalibrasi yang akurat untuk CP, dan metode lain mungkin diperlukan untuk melakukan koreksi ini57, 59, 60, 61. Eksperimen indentasi CP yang umum menggunakan kantilever deviasi besar untuk mempelajari sifat-sifat sampel lunak, yang menimbulkan masalah lain ketika mengkalibrasi perilaku non-linier kantilever pada deviasi yang relatif besar62,63,64.Metode indentasi probe koloidal modern biasanya memperhitungkan geometri kantilever yang digunakan untuk mengkalibrasi probe, namun mengabaikan pengaruh partikel koloid, yang menciptakan ketidakpastian tambahan dalam keakuratan metode38,61.Demikian pula, modulus elastis yang dihitung dengan pemasangan model kontak secara langsung bergantung pada geometri probe lekukan, dan ketidaksesuaian antara karakteristik ujung dan permukaan sampel dapat menyebabkan ketidakakuratan27, 65, 66, 67, 68. Beberapa penelitian terbaru oleh Spencer dkk.Faktor-faktor yang harus dipertimbangkan ketika mengkarakterisasi sikat polimer lembut menggunakan metode nanoindentation CP-AFM disorot.Mereka melaporkan bahwa retensi cairan kental dalam sikat polimer sebagai fungsi kecepatan menghasilkan peningkatan pembebanan head dan karenanya pengukuran sifat bergantung kecepatan berbeda30,69,70,71.
Dalam penelitian ini, kami telah mengkarakterisasi modulus permukaan bahan lehfilcon A CL yang sangat lembut dan sangat elastis menggunakan metode nanoindentasi AFM yang dimodifikasi.Mengingat sifat dan struktur baru material ini, rentang sensitivitas metode indentasi tradisional jelas tidak cukup untuk mengkarakterisasi modulus material yang sangat lunak ini, sehingga perlu menggunakan metode nanoindentasi AFM dengan sensitivitas lebih tinggi dan sensitivitas lebih rendah.tingkat.Setelah meninjau kekurangan dan masalah teknik nanoindentasi probe AFM koloidal yang ada, kami menunjukkan mengapa kami memilih probe AFM yang lebih kecil dan dirancang khusus untuk menghilangkan sensitivitas, kebisingan latar belakang, menentukan titik kontak, mengukur modulus kecepatan bahan heterogen lunak seperti retensi cairan. ketergantungan.dan kuantifikasi yang akurat.Selain itu, kami dapat mengukur secara akurat bentuk dan dimensi ujung lekukan, memungkinkan kami menggunakan model cone-sphere fit untuk menentukan modulus elastisitas tanpa menilai area kontak ujung dengan material.Dua asumsi implisit yang dikuantifikasi dalam penelitian ini adalah sifat material elastis penuh dan modulus independen kedalaman lekukan.Dengan menggunakan metode ini, pertama-tama kami menguji standar ultra-lembut dengan modulus yang diketahui untuk mengukur metode tersebut, dan kemudian menggunakan metode ini untuk mengkarakterisasi permukaan dua bahan lensa kontak yang berbeda.Metode mengkarakterisasi permukaan nanoindentasi AFM dengan peningkatan sensitivitas diharapkan dapat diterapkan pada berbagai bahan ultrasoft heterogen biomimetik dengan potensi penggunaan dalam perangkat medis dan aplikasi biomedis.
Lensa kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) dan substrat silikon hidrogelnya dipilih untuk eksperimen nanoindentation.Pemasangan lensa yang dirancang khusus digunakan dalam percobaan.Untuk memasang lensa untuk pengujian, lensa ditempatkan dengan hati-hati pada dudukan berbentuk kubah, memastikan tidak ada gelembung udara yang masuk ke dalam, dan kemudian dipasang dengan bagian tepinya.Sebuah lubang pada perlengkapan di bagian atas dudukan lensa menyediakan akses ke pusat optik lensa untuk eksperimen nanoindentasi sambil menahan cairan di tempatnya.Ini menjaga lensa tetap terhidrasi sepenuhnya.500 μl larutan kemasan lensa kontak digunakan sebagai larutan uji.Untuk memverifikasi hasil kuantitatif, hidrogel poliakrilamida non-aktif (PAAM) yang tersedia secara komersial dibuat dari komposisi poliakrilamida-ko-metilen-bisakrilamida (cawan Petrisoft Petri 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), modulus elastisitas yang diketahui sebesar 1 kPa.Gunakan 4-5 tetes (kira-kira 125 µl) saline dengan buffer fosfat (PBS dari Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) dan 1 tetes larutan lensa kontak Puremoist BEBAS OPTI (Alcon, Vaud, TX, USA).) pada antarmuka probe hidrogel AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL dan SiHy divisualisasikan menggunakan sistem FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) yang dilengkapi dengan detektor Scanning Transmission Electron Microscope (STEM).Untuk menyiapkan sampel, lensa terlebih dahulu dicuci dengan air dan dipotong menjadi irisan berbentuk pai.Untuk mencapai perbedaan kontras antara komponen hidrofilik dan hidrofobik sampel, larutan RuO4 yang distabilkan 0,10% digunakan sebagai pewarna, di mana sampel direndam selama 30 menit.Pewarnaan lehfilcon A CL RuO4 penting tidak hanya untuk mencapai peningkatan kontras diferensial, tetapi juga membantu mempertahankan struktur sikat polimer bercabang dalam bentuk aslinya, yang kemudian terlihat pada gambar STEM.Mereka kemudian dicuci dan didehidrasi dalam serangkaian campuran etanol/air dengan peningkatan konsentrasi etanol.Sampel kemudian dicetak dengan epoksi EMBed 812/Araldite, yang diawetkan semalaman pada suhu 70°C.Blok sampel yang diperoleh dengan polimerisasi resin dipotong dengan ultramikrotom, dan bagian tipis yang dihasilkan divisualisasikan dengan detektor STEM dalam mode vakum rendah pada tegangan percepatan 30 kV.Sistem SEM yang sama digunakan untuk karakterisasi rinci dari probe AFM PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Gambar SEM dari probe AFM diperoleh dalam mode vakum tinggi dengan tegangan percepatan 30 kV.Dapatkan gambar pada sudut dan perbesaran berbeda untuk mencatat semua detail bentuk dan ukuran ujung probe AFM.Semua dimensi ujung yang menarik dalam gambar diukur secara digital.
Mikroskop kekuatan atom Dimensi FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) dengan mode "PeakForce QNM in Fluid" digunakan untuk memvisualisasikan dan nanoindentate lehfilcon A CL, substrat SiHy, dan sampel hidrogel PAAm.Untuk percobaan pencitraan, probe PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) dengan radius ujung nominal 1 nm digunakan untuk menangkap gambar sampel beresolusi tinggi pada kecepatan pemindaian 0,50 Hz.Semua gambar diambil dalam larutan air.
Eksperimen nanoindentasi AFM dilakukan dengan menggunakan probe PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Probe AFM memiliki ujung silikon pada kantilever nitrida dengan tebal 345 nm, panjang 54 µm dan lebar 4,5 µm dengan frekuensi resonansi 45 kHz.Ini dirancang khusus untuk mengkarakterisasi dan melakukan pengukuran nanomekanis kuantitatif pada sampel biologis lunak.Sensor dikalibrasi secara individual di pabrik dengan pengaturan pegas yang telah dikalibrasi sebelumnya.Konstanta pegas probe yang digunakan dalam penelitian ini berada pada kisaran 0,05–0,1 N/m.Untuk menentukan bentuk dan ukuran ujung secara akurat, probe dikarakterisasi secara detail menggunakan SEM.Pada gambar.Gambar 1a menunjukkan mikrograf elektron pemindaian resolusi tinggi dan pembesaran rendah dari probe PFQNM-LC-A-CAL, memberikan pandangan holistik tentang desain probe.Pada gambar.Gambar 1b menunjukkan tampilan bagian atas ujung probe yang diperbesar, memberikan informasi tentang bentuk dan ukuran ujungnya.Di ujung paling ujung, jarum berbentuk belahan dengan diameter sekitar 140 nm (Gbr. 1c).Di bawahnya, ujungnya meruncing menjadi bentuk kerucut, mencapai panjang kira-kira 500 nm.Di luar daerah lancip, ujungnya berbentuk silinder dan berakhir dengan panjang ujung total 1,18 µm.Ini adalah bagian fungsional utama dari ujung probe.Selain itu, probe polistiren (PS) bulat besar (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) dengan diameter ujung 45 µm dan konstanta pegas 2 N/m juga digunakan untuk pengujian sebagai probe koloid.dengan probe PFQNM-LC-A-CAL 140 nm untuk perbandingan.
Telah dilaporkan bahwa cairan dapat terperangkap di antara probe AFM dan struktur sikat polimer selama nanoindentasi, yang akan memberikan gaya ke atas pada probe AFM sebelum benar-benar menyentuh permukaan69.Efek ekstrusi kental akibat retensi cairan dapat mengubah titik kontak yang tampak, sehingga mempengaruhi pengukuran modulus permukaan.Untuk mempelajari pengaruh geometri probe dan kecepatan indentasi pada retensi fluida, kurva gaya indentasi diplot untuk sampel lehfilcon A CL menggunakan probe berdiameter 140 nm pada laju perpindahan konstan 1 µm/s dan 2 µm/s.diameter probe 45 µm, pengaturan gaya tetap 6 nN dicapai pada 1 µm/s.Eksperimen dengan probe berdiameter 140 nm dilakukan pada kecepatan lekukan 1 µm/s dan gaya yang ditetapkan 300 pN, dipilih untuk menciptakan tekanan kontak dalam rentang fisiologis (1–8 kPa) kelopak mata atas.tekanan 72. Sampel hidrogel PAA siap pakai yang lunak dengan tekanan 1 kPa diuji gaya indentasi 50 pN pada kecepatan 1 μm/s menggunakan probe dengan diameter 140 nm.
Karena panjang bagian kerucut dari ujung probe PFQNM-LC-A-CAL kira-kira 500 nm, untuk setiap kedalaman lekukan < 500 nm, dapat diasumsikan dengan aman bahwa geometri probe selama lekukan akan tetap sesuai dengan aslinya. bentuk kerucut.Selain itu, diasumsikan bahwa permukaan material yang diuji akan menunjukkan respons elastis yang dapat dibalik, yang juga akan dikonfirmasi pada bagian berikut.Oleh karena itu, bergantung pada bentuk dan ukuran ujungnya, kami memilih model pemasangan kerucut-bola yang dikembangkan oleh Briscoe, Sebastian dan Adams, yang tersedia di perangkat lunak vendor, untuk memproses eksperimen nanoindentasi AFM (NanoScope) kami.Perangkat lunak analisis data pemisahan, Bruker) 73. Model menggambarkan hubungan gaya-perpindahan F(δ) untuk kerucut dengan cacat puncak bola.Pada gambar.Gambar 2 menunjukkan geometri kontak selama interaksi kerucut kaku dengan ujung bola, dimana R adalah jari-jari ujung bola, a adalah jari-jari kontak, b adalah jari-jari kontak di ujung ujung bola, δ adalah radius kontak.kedalaman lekukan, θ adalah setengah sudut kerucut.Gambar SEM dari probe ini dengan jelas menunjukkan bahwa ujung bola berdiameter 140 nm menyatu secara tangensial menjadi kerucut, jadi di sini b didefinisikan hanya melalui R, yaitu b = R cos θ.Perangkat lunak yang disediakan vendor menyediakan hubungan kerucut-bola untuk menghitung nilai modulus (E) Young dari data pemisahan gaya dengan asumsi a > b.Hubungan:
dimana F adalah gaya indentasi, E adalah modulus Young, ν adalah rasio Poisson.Jari-jari kontak a dapat diperkirakan dengan menggunakan:
Skema geometri kontak kerucut kaku dengan ujung bulat ditekan ke dalam bahan lensa kontak Lefilcon dengan lapisan permukaan sikat polimer bercabang.
Jika a ≤ b, hubungannya tereduksi menjadi persamaan indentor bola konvensional;
Kami percaya bahwa interaksi probe indentasi dengan struktur bercabang dari sikat polimer PMPC akan menyebabkan radius kontak a lebih besar daripada radius kontak bola b.Oleh karena itu, untuk semua pengukuran kuantitatif modulus elastisitas yang dilakukan dalam penelitian ini, kami menggunakan ketergantungan yang diperoleh untuk kasus a > b.
Bahan biomimetik ultrasoft yang dipelajari dalam penelitian ini dicitrakan secara komprehensif menggunakan pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM) pada penampang sampel dan mikroskop kekuatan atom (AFM) pada permukaan.Karakterisasi permukaan terperinci ini dilakukan sebagai perpanjangan dari pekerjaan kami yang diterbitkan sebelumnya, di mana kami menentukan bahwa struktur sikat polimer bercabang dinamis dari permukaan lehfilcon A CL yang dimodifikasi PMPC menunjukkan sifat mekanik yang serupa dengan jaringan kornea asli 14 .Untuk alasan ini, kami menyebut permukaan lensa kontak sebagai bahan biomimetik14.Pada gambar.Gambar 3a,b menunjukkan penampang struktur sikat polimer PMPC bercabang pada permukaan substrat lehfilcon A CL dan substrat SiHy yang tidak diberi perlakuan.Permukaan kedua sampel dianalisis lebih lanjut menggunakan gambar AFM resolusi tinggi, yang selanjutnya mengkonfirmasi hasil analisis STEM (Gambar 3c, d).Secara keseluruhan, gambar-gambar ini memberikan perkiraan panjang struktur sikat polimer bercabang PMPC pada 300-400 nm, yang sangat penting untuk menafsirkan pengukuran nanoindentasi AFM.Pengamatan penting lainnya yang diperoleh dari gambar tersebut adalah bahwa keseluruhan struktur permukaan bahan biomimetik CL secara morfologis berbeda dari bahan substrat SiHy.Perbedaan dalam morfologi permukaannya dapat terlihat selama interaksi mekanisnya dengan probe AFM yang berindentasi dan selanjutnya dalam nilai modulus yang diukur.
Gambar STEM penampang (a) lehfilcon A CL dan (b) substrat SiHy.Bilah skala, 500 nm.Gambar AFM dari permukaan substrat lehfilcon A CL (c) dan substrat dasar SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Polimer yang terinspirasi bioinspirasi dan struktur sikat polimer pada dasarnya lembut dan telah dipelajari secara luas dan digunakan dalam berbagai aplikasi biomedis74,75,76,77.Oleh karena itu, penting untuk menggunakan metode nanoindentation AFM, yang dapat mengukur sifat mekaniknya secara akurat dan andal.Namun pada saat yang sama, sifat unik dari bahan ultra-lunak ini, seperti modulus elastisitas yang sangat rendah, kandungan cairan yang tinggi, dan elastisitas yang tinggi, sering kali menyulitkan pemilihan bahan, bentuk, dan bentuk probe indentasi yang tepat.ukuran.Hal ini penting agar indentor tidak menembus permukaan lunak sampel sehingga mengakibatkan kesalahan dalam menentukan titik kontak dengan permukaan dan luas kontak.
Untuk ini, pemahaman komprehensif tentang morfologi bahan biomimetik ultra-lunak (lehfilcon A CL) sangat penting.Informasi tentang ukuran dan struktur sikat polimer bercabang yang diperoleh dengan menggunakan metode pencitraan memberikan dasar untuk karakterisasi mekanis permukaan menggunakan teknik nanoindentasi AFM.Alih-alih probe koloid bulat berukuran mikron, kami memilih probe silikon nitrida PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) dengan diameter ujung 140 nm, yang dirancang khusus untuk pemetaan kuantitatif sifat mekanik sampel biologis 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Alasan penggunaan probe yang relatif tajam dibandingkan dengan probe koloid konvensional dapat dijelaskan oleh fitur struktural material.Membandingkan ukuran ujung probe (~140 nm) dengan sikat polimer bercabang pada permukaan CL lehfilcon A, ditunjukkan pada Gambar. 3a, dapat disimpulkan bahwa ujungnya cukup besar untuk bersentuhan langsung dengan struktur sikat ini, yang mana mengurangi kemungkinan ujungnya menembusnya.Untuk mengilustrasikan hal ini, pada Gambar 4 adalah gambar STEM dari lehfilcon A CL dan ujung indentasi dari probe AFM (digambar sesuai skala).
Skema yang menunjukkan gambar STEM lehfilcon A CL dan probe lekukan ACM (digambar sesuai skala).
Selain itu, ukuran ujung 140 nm cukup kecil untuk menghindari risiko efek ekstrusi lengket yang sebelumnya dilaporkan untuk sikat polimer yang diproduksi dengan metode nanoindentasi CP-AFM69,71.Kami berasumsi bahwa karena bentuk kerucut-bola khusus dan ukuran ujung AFM yang relatif kecil (Gbr. 1), sifat kurva gaya yang dihasilkan oleh lehfilcon A CL nanoindentation tidak akan bergantung pada kecepatan indentasi atau kecepatan bongkar/muat. .Oleh karena itu, tidak terpengaruh oleh efek poroelastik.Untuk menguji hipotesis ini, sampel lehfilcon A CL diindentasi pada gaya maksimum tetap menggunakan probe PFQNM-LC-A-CAL, tetapi pada dua kecepatan berbeda, dan kurva gaya tarik dan retraksi yang dihasilkan digunakan untuk memplot gaya (nN) dalam pemisahan (µm) ditunjukkan pada Gambar 5a.Jelas bahwa kurva gaya selama pemuatan dan pembongkaran benar-benar tumpang tindih, dan tidak ada bukti jelas bahwa gaya geser pada kedalaman lekukan nol meningkat seiring dengan kecepatan lekukan pada gambar, yang menunjukkan bahwa masing-masing elemen sikat dikarakterisasi tanpa efek poroelastik.Sebaliknya, efek retensi cairan (efek ekstrusi kental dan poroelastisitas) terlihat jelas pada probe AFM berdiameter 45 µm pada kecepatan lekukan yang sama dan disorot oleh histeresis antara kurva regangan dan retraksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b.Hasil ini mendukung hipotesis dan menyarankan bahwa probe berdiameter 140 nm adalah pilihan yang baik untuk mengkarakterisasi permukaan lunak tersebut.
lehfilcon A CL kurva gaya indentasi menggunakan ACM;(a) menggunakan probe dengan diameter 140 nm pada dua laju pembebanan, menunjukkan tidak adanya efek poroelastik selama lekukan permukaan;(b) menggunakan probe dengan diameter 45 µm dan 140 nm.s menunjukkan efek ekstrusi kental dan poroelastisitas untuk probe besar dibandingkan dengan probe yang lebih kecil.
Untuk mengkarakterisasi permukaan ultrasoft, metode nanoindentation AFM harus memiliki probe terbaik untuk mempelajari sifat material yang diteliti.Selain bentuk dan ukuran ujung, sensitivitas sistem detektor AFM, sensitivitas terhadap defleksi ujung di lingkungan pengujian, dan kekakuan kantilever berperan penting dalam menentukan keakuratan dan keandalan nanoindentasi.pengukuran.Untuk sistem AFM kami, batas deteksi Detektor Sensitif Posisi (PSD) adalah sekitar 0,5 mV dan didasarkan pada laju pegas yang telah dikalibrasi sebelumnya dan sensitivitas defleksi fluida yang dihitung dari probe PFQNM-LC-A-CAL, yang sesuai dengan sensitivitas beban teoritis.kurang dari 0,1 pN.Oleh karena itu, metode ini memungkinkan pengukuran gaya indentasi minimum ≤ 0,1 pN tanpa komponen kebisingan periferal.Namun, hampir tidak mungkin bagi sistem AFM untuk mengurangi kebisingan perifer ke tingkat ini karena faktor-faktor seperti getaran mekanis dan dinamika fluida.Faktor-faktor ini membatasi sensitivitas keseluruhan metode nanoindentasi AFM dan juga menghasilkan sinyal kebisingan latar belakang sekitar ≤ 10 pN.Untuk karakterisasi permukaan, sampel substrat lehfilcon A CL dan SiHy diindentasi dalam kondisi terhidrasi penuh menggunakan probe 140 nm untuk karakterisasi SEM, dan kurva gaya yang dihasilkan ditumpangkan antara gaya (pN) dan tekanan.Plot pemisahan (µm) ditunjukkan pada Gambar 6a.Dibandingkan dengan substrat dasar SiHy, kurva gaya lehfilcon A CL dengan jelas menunjukkan fase transisi yang dimulai pada titik kontak dengan sikat polimer bercabang dan diakhiri dengan perubahan tajam pada kemiringan yang menandai kontak ujung dengan bahan di bawahnya.Bagian transisi dari kurva gaya ini menyoroti perilaku elastis yang sesungguhnya dari sikat polimer bercabang di permukaan, sebagaimana dibuktikan oleh kurva kompresi yang mengikuti kurva tegangan dan kontras dalam sifat mekanik antara struktur sikat dan material SiHy yang besar.Saat membandingkan lefilcon.Pemisahan panjang rata-rata sikat polimer bercabang pada gambar STEM PCS (Gbr. 3a) dan kurva gaya sepanjang absis pada Gambar 3a.Gambar 6a menunjukkan bahwa metode tersebut mampu mendeteksi ujung dan polimer bercabang yang mencapai bagian paling atas permukaan.Kontak antara struktur sikat.Selain itu, kurva gaya yang tumpang tindih menunjukkan tidak adanya efek retensi cairan.Dalam hal ini, sama sekali tidak ada daya rekat antara jarum dan permukaan sampel.Bagian paling atas dari kurva gaya untuk kedua sampel tumpang tindih, mencerminkan kesamaan sifat mekanik bahan substrat.
(a) Kurva gaya nanoindentasi AFM untuk substrat lehfilcon A CL dan substrat SiHy, (b) kurva gaya yang menunjukkan estimasi titik kontak menggunakan metode ambang batas kebisingan latar belakang.
Untuk mempelajari detail kurva gaya yang lebih halus, kurva tegangan sampel lehfilcon A CL diplot ulang pada Gambar 6b ​​dengan gaya maksimum 50 pN sepanjang sumbu y.Grafik ini memberikan informasi penting tentang kebisingan latar belakang asli.Kebisingan berada pada kisaran ±10 pN, yang digunakan untuk menentukan titik kontak secara akurat dan menghitung kedalaman lekukan.Seperti dilaporkan dalam literatur, identifikasi titik kontak sangat penting untuk menilai sifat material seperti modulus85 secara akurat.Pendekatan yang melibatkan pemrosesan otomatis data kurva gaya telah menunjukkan peningkatan kesesuaian antara pemasangan data dan pengukuran kuantitatif untuk material lunak86.Dalam karya ini, pilihan titik kontak kami relatif sederhana dan obyektif, namun memiliki keterbatasan.Pendekatan konservatif kami dalam menentukan titik kontak mungkin menghasilkan nilai modulus yang sedikit berlebihan untuk kedalaman lekukan yang lebih kecil (< 100 nm).Penggunaan deteksi titik kontak berbasis algoritma dan pemrosesan data otomatis dapat menjadi kelanjutan dari pekerjaan ini di masa depan untuk lebih menyempurnakan metode kami.Jadi, untuk kebisingan latar belakang intrinsik pada urutan ±10 pN, kami mendefinisikan titik kontak sebagai titik data pertama pada sumbu x pada Gambar 6b ​​dengan nilai ≥10 pN.Kemudian, sesuai dengan ambang kebisingan 10 pN, garis vertikal pada level ~0,27 µm menandai titik kontak dengan permukaan, setelah itu kurva regangan berlanjut hingga substrat memenuhi kedalaman lekukan ~270 nm.Menariknya, berdasarkan ukuran fitur sikat polimer bercabang (300–400 nm) yang diukur menggunakan metode pencitraan, kedalaman lekukan sampel CL lehfilcon A yang diamati menggunakan metode ambang batas kebisingan latar belakang adalah sekitar 270 nm, yang sangat dekat dengan ukuran pengukuran dengan STEM.Hasil ini semakin menegaskan kompatibilitas dan penerapan bentuk dan ukuran ujung probe AFM untuk lekukan struktur sikat polimer bercabang yang sangat lembut dan sangat elastis ini.Data ini juga memberikan bukti kuat untuk mendukung metode kami dalam menggunakan kebisingan latar belakang sebagai ambang batas untuk menentukan titik kontak.Dengan demikian, setiap hasil kuantitatif yang diperoleh dari pemodelan matematika dan penyesuaian kurva gaya harus relatif akurat.
Pengukuran kuantitatif dengan metode nanoindentasi AFM sepenuhnya bergantung pada model matematika yang digunakan untuk pemilihan data dan analisis selanjutnya.Oleh karena itu, penting untuk mempertimbangkan semua faktor yang terkait dengan pemilihan indentor, sifat material dan mekanisme interaksinya sebelum memilih model tertentu.Dalam hal ini, geometri ujung dikarakterisasi secara hati-hati menggunakan mikrograf SEM (Gbr. 1), dan berdasarkan hasilnya, probe nanoindenting AFM berdiameter 140 nm dengan kerucut keras dan geometri ujung bola adalah pilihan yang baik untuk mengkarakterisasi sampel lehfilcon A CL79. .Faktor penting lainnya yang perlu dievaluasi secara cermat adalah elastisitas bahan polimer yang diuji.Meskipun data awal nanoindentasi (Gambar 5a dan 6a) dengan jelas menguraikan fitur tumpang tindih kurva tegangan dan kompresi, yaitu pemulihan elastis lengkap material, sangat penting untuk mengkonfirmasi sifat elastis murni dari kontak. .Untuk tujuan ini, dua lekukan berturut-turut dilakukan di lokasi yang sama pada permukaan sampel lehfilcon A CL dengan laju lekukan 1 µm/s dalam kondisi hidrasi penuh.Data kurva gaya yang dihasilkan ditunjukkan pada gambar.7 dan, seperti yang diharapkan, kurva ekspansi dan kompresi kedua cetakan hampir identik, menyoroti elastisitas tinggi dari struktur sikat polimer bercabang.
Dua kurva gaya lekukan pada lokasi yang sama pada permukaan lehfilcon A CL menunjukkan elastisitas ideal permukaan lensa.
Berdasarkan informasi yang diperoleh dari gambar SEM dan STEM masing-masing ujung probe dan permukaan lehfilcon A CL, model bola kerucut adalah representasi matematis yang masuk akal dari interaksi antara ujung probe AFM dan bahan polimer lunak yang sedang diuji.Selain itu, untuk model bola kerucut ini, asumsi mendasar tentang sifat elastis bahan cetakan juga berlaku untuk bahan biomimetik baru ini dan digunakan untuk mengukur modulus elastisitas.
Setelah evaluasi komprehensif terhadap metode nanoindentasi AFM dan komponennya, termasuk sifat probe indentasi (bentuk, ukuran, dan kekakuan pegas), sensitivitas (kebisingan latar belakang dan estimasi titik kontak), dan model pemasangan data (pengukuran modulus kuantitatif), metode tersebut adalah digunakan.mengkarakterisasi sampel ultra-lunak yang tersedia secara komersial untuk memverifikasi hasil kuantitatif.Hidrogel poliakrilamida komersial (PAAM) dengan modulus elastisitas 1 kPa diuji dalam kondisi terhidrasi menggunakan probe 140 nm.Rincian pengujian dan penghitungan modul disediakan di Informasi Tambahan.Hasil penelitian menunjukkan bahwa rata-rata modulus yang diukur adalah 0,92 kPa, dan %RSD serta persentase (%) deviasi dari modulus yang diketahui kurang dari 10%.Hasil ini mengkonfirmasi keakuratan dan reproduktifitas metode nanoindentasi AFM yang digunakan dalam penelitian ini untuk mengukur modulus bahan ultrasoft.Permukaan sampel lehfilcon A CL dan substrat dasar SiHy dikarakterisasi lebih lanjut menggunakan metode nanoindentasi AFM yang sama untuk mempelajari modulus kontak nyata dari permukaan ultrasoft sebagai fungsi kedalaman lekukan.Kurva pemisahan gaya lekukan dihasilkan untuk tiga spesimen masing-masing jenis (n = 3; satu lekukan per spesimen) pada gaya 300 pN, kecepatan 1 µm/s, dan hidrasi penuh.Kurva pembagian gaya indentasi diperkirakan menggunakan model bola kerucut.Untuk mendapatkan modulus yang bergantung pada kedalaman lekukan, bagian kurva gaya selebar 40 nm ditetapkan pada setiap kenaikan 20 nm mulai dari titik kontak, dan nilai modulus diukur pada setiap langkah kurva gaya.Putar Cy dkk.Pendekatan serupa telah digunakan untuk mengkarakterisasi gradien modulus sikat polimer poli (lauril metakrilat) (P12MA) menggunakan nanoindentasi probe AFM koloid, dan konsisten dengan data yang menggunakan model kontak Hertz.Pendekatan ini memberikan plot modulus kontak semu (kPa) versus kedalaman lekukan (nm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, yang mengilustrasikan modulus kontak semu/gradien kedalaman.Modulus elastisitas sampel CL lehfilcon A yang dihitung berada pada kisaran 2–3 kPa dalam 100 nm atas sampel, di luar itu modulus tersebut mulai meningkat seiring dengan kedalaman.Sebaliknya, saat menguji substrat dasar SiHy tanpa lapisan film seperti kuas di permukaan, kedalaman lekukan maksimum yang dicapai pada gaya 300 pN kurang dari 50 nm, dan nilai modulus yang diperoleh dari data adalah sekitar 400 kPa , yang sebanding dengan nilai modulus Young untuk material curah.
Modulus kontak semu (kPa) vs. kedalaman lekukan (nm) untuk substrat lehfilcon A CL dan SiHy menggunakan metode nanoindentasi AFM dengan geometri bola kerucut untuk mengukur modulus.
Permukaan paling atas dari struktur sikat polimer bercabang biomimetik baru menunjukkan modulus elastisitas yang sangat rendah (2–3 kPa).Ini akan cocok dengan ujung sikat polimer bercabang yang menggantung bebas seperti yang ditunjukkan pada gambar STEM.Meskipun ada beberapa bukti gradien modulus di tepi luar CL, substrat utama modulus tinggi lebih berpengaruh.Namun, 100 nm atas permukaan berada dalam 20% dari total panjang sikat polimer bercabang, sehingga masuk akal untuk berasumsi bahwa nilai modulus yang diukur dalam rentang kedalaman lekukan ini relatif akurat dan tidak terlalu kuat. tergantung pada efek objek bawah.
Karena desain biomimetik unik lensa kontak lehfilcon A, yang terdiri dari struktur sikat polimer PMPC bercabang yang dicangkokkan ke permukaan substrat SiHy, sangat sulit untuk mengkarakterisasi sifat mekanik struktur permukaannya secara andal menggunakan metode pengukuran tradisional.Di sini kami menyajikan metode nanoindentasi AFM canggih untuk secara akurat mengkarakterisasi bahan ultra-lembut seperti lefilcon A dengan kandungan air tinggi dan elastisitas sangat tinggi.Metode ini didasarkan pada penggunaan probe AFM yang ukuran ujung dan geometrinya dipilih secara cermat agar sesuai dengan dimensi struktural fitur permukaan ultra-lembut yang akan dicetak.Kombinasi dimensi antara probe dan struktur ini memberikan peningkatan sensitivitas, memungkinkan kami mengukur modulus rendah dan sifat elastis yang melekat pada elemen sikat polimer bercabang, terlepas dari efek poroelastik.Hasilnya menunjukkan bahwa karakteristik sikat polimer PMPC bercabang unik pada permukaan lensa memiliki modulus elastisitas yang sangat rendah (hingga 2 kPa) dan elastisitas yang sangat tinggi (hampir 100%) ketika diuji dalam lingkungan berair.Hasil nanoindentasi AFM juga memungkinkan kami untuk mengkarakterisasi modulus kontak/gradien kedalaman (30 kPa/200 nm) dari permukaan lensa biomimetik.Gradien ini mungkin disebabkan oleh perbedaan modulus antara sikat polimer bercabang dan substrat SiHy, atau struktur/densitas sikat polimer bercabang, atau kombinasi keduanya.Namun demikian, diperlukan kajian lebih mendalam untuk memahami secara utuh hubungan antara struktur dan sifat, terutama pengaruh percabangan sikat terhadap sifat mekanik.Pengukuran serupa dapat membantu mengkarakterisasi sifat mekanik permukaan bahan ultra-lembut dan perangkat medis lainnya.
Kumpulan data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama penelitian ini tersedia dari masing-masing penulis berdasarkan permintaan yang masuk akal.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. dan Haugen, HJ Reaksi biologis terhadap sifat fisik dan kimia permukaan biomaterial.Bahan kimia.masyarakat.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM dan Liu, X. Peningkatan biomaterial yang diturunkan manusia untuk rekayasa jaringan.pemrograman.polimer.ilmu.53, 86 (2016).
Sadtler, K. dkk.Desain, implementasi klinis, dan respon imun biomaterial dalam pengobatan regeneratif.Matt Nasional Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK dan Farr GM Metode yang ditingkatkan untuk menentukan modulus kekerasan dan elastisitas menggunakan eksperimen lekukan dengan pengukuran beban dan perpindahan.J.Almamater.tangki penyimpanan.7 Agustus 1564–1583 (2011).
Wally, SM Sejarah asal mula pengujian kekerasan lekukan.Alma mater.ilmu.teknologi.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Pengukuran Kekerasan Indentasi pada Skala Makro, Mikro, dan Nano: Tinjauan Kritis.suku.Benar.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD dan Clapperich, SM Kesalahan deteksi permukaan menyebabkan perkiraan modulus yang berlebihan dalam nanoindentasi bahan lunak.J.Mecha.Perilaku.Ilmu biomedis.Alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR dan Yahya M.Yu.Evaluasi metode nanoindentation untuk menentukan karakteristik mekanik nanokomposit heterogen menggunakan metode eksperimental dan komputasi.ilmu.Rumah 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, dan Owart, TS Karakterisasi mekanis gel viskoelastik lunak dengan analisis elemen hingga invers berbasis indentasi dan optimasi.J.Mecha.Perilaku.Ilmu biomedis.Alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J dan Chaneler D. Optimalisasi penentuan viskoelastisitas menggunakan sistem pengukuran yang kompatibel.Materi Lunak 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. dan Pellillo, E. Nanoindentasi permukaan polimer.J.Fisika.D. Mendaftar untuk fisika.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. dan Van Vliet KJ Karakterisasi sifat mekanik viskoelastik polimer sangat elastis dan jaringan biologis menggunakan indentasi kejut.Jurnal Biomaterial.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluasi modulus elastis dan kerja adhesi bahan lunak menggunakan metode extended Borodich-Galanov (BG) dan lekukan dalam.bulu.Alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. dkk.Morfologi skala nano dan sifat mekanik permukaan polimer biomimetik lensa kontak silikon hidrogel.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).