Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com.Þú ert að nota vafraútgáfu með takmarkaðan CSS stuðning.Til að fá bestu upplifunina mælum við með því að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkva á eindrægnistillingu í Internet Explorer).Að auki, til að tryggja áframhaldandi stuðning, sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Sýnir hringekju með þremur skyggnum í einu.Notaðu Fyrri og Næsta hnappana til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu, eða notaðu sleðahnappana í lokin til að fara í gegnum þrjár skyggnur í einu.
Með þróun nýrra ofurmjúkra efna fyrir lækningatæki og lífeðlisfræðilega notkun er alhliða lýsing á eðlis- og vélrænni eiginleikum þeirra bæði mikilvæg og krefjandi.Beitt var breyttri atómaflssmásjártækni (AFM) til að einkenna afar lágan yfirborðsstuðul nýju lehfilcon. Lífhermandi sílikonhýdrógelsnertilinsuna húðuð með lagi af greinóttum fjölliða burstabyggingum.Þessi aðferð gerir kleift að ákvarða nákvæma snertipunkta án áhrifa seigfljótandi útpressunar þegar nálgast greinóttar fjölliður.Að auki gerir það mögulegt að ákvarða vélrænni eiginleika einstakra burstaþátta án áhrifa porelasticity.Þetta er náð með því að velja AFM nema með hönnun (stærð oddsins, rúmfræði og gormstig) sem hentar sérstaklega vel til að mæla eiginleika mjúkra efna og lífsýna.Þessi aðferð bætir næmni og nákvæmni fyrir nákvæmar mælingar á mjög mjúku efninu lehfilcon A, sem hefur afar lágan mýktarstuðul á yfirborði (allt að 2 kPa) og mjög mikla mýkt í innra (næstum 100%) vatnsumhverfi. .Niðurstöður yfirborðsrannsóknarinnar leiddu ekki aðeins í ljós ofurmjúka yfirborðseiginleika lehfilcon A linsunnar, heldur sýndu einnig að stuðull greinóttra fjölliðabursta var sambærilegur við kísil-vetnis hvarfefni.Þessa yfirborðsgreiningartækni er hægt að beita á önnur ofurmjúk efni og lækningatæki.
Vélrænni eiginleikar efna sem eru hönnuð fyrir beina snertingu við lifandi vef eru oft ákvörðuð af líffræðilegu umhverfi.Hin fullkomna samsvörun þessara efniseiginleika hjálpar til við að ná tilætluðum klínískum eiginleikum efnisins án þess að valda skaðlegum frumuviðbrögðum1,2,3.Fyrir einsleit efni í lausu er lýsing á vélrænni eiginleikum tiltölulega auðveld vegna þess að staðlaðar aðferðir og prófunaraðferðir eru tiltækar (td örinndrátt4,5,6).Hins vegar, fyrir ofurmjúk efni eins og gel, vatnsgel, líffjölliður, lifandi frumur o.s.frv., eiga þessar prófunaraðferðir almennt ekki við vegna takmarkana á upplausn mælinga og ósamkvæmni sumra efna7.Í gegnum árin hefur hefðbundnum inndráttaraðferðum verið breytt og aðlagað til að einkenna mikið úrval mjúkra efna, en margar aðferðir hafa enn alvarlega annmarka sem takmarka notkun þeirra8,9,10,11,12,13.Skortur á sérhæfðum prófunaraðferðum sem geta nákvæmlega og áreiðanlega einkennt vélræna eiginleika ofurmjúkra efna og yfirborðslaga takmarkar verulega notkun þeirra í ýmsum forritum.
Í fyrri verkum okkar kynntum við lehfilcon A (CL) linsuna, mjúkt ólíkt efni með alla ofurmjúku yfirborðseiginleikana sem fengnir eru frá hugsanlega lífhermihönnun innblásin af yfirborði hornhimnu augans.Þetta lífefni var þróað með því að græða greinótt, krosstengd fjölliðalag af pólý(2-metakrýlóýloxýetýlfosfórýlkólíni (MPC)) (PMPC) á kísillhýdrógel (SiHy) 15 hannað fyrir lækningatæki byggt á.Þetta ígræðsluferli skapar lag á yfirborðinu sem samanstendur af mjög mjúkri og mjög teygjanlegri greinóttri fjölliða burstabyggingu.Fyrri störf okkar hafa staðfest að lífhermandi uppbygging lehfilcon A CL veitir betri yfirborðseiginleika eins og bætta bleytu- og gróðurvörn, aukið smurhæfni og minnkað viðloðun frumna og baktería15,16.Að auki bendir notkun og þróun þessa lífrænna efnis einnig til frekari stækkunar til annarra líflækningatækja.Þess vegna er mikilvægt að einkenna yfirborðseiginleika þessa ofurmjúka efnis og skilja vélræn samskipti þess við augað til að skapa alhliða þekkingargrunn til að styðja við framtíðarþróun og notkun.Flestar fáanlegar SiHy linsur eru samsettar úr einsleitri blöndu af vatnssæknum og vatnsfælnum fjölliðum sem mynda einsleita efnisbyggingu17.Nokkrar rannsóknir hafa verið gerðar til að kanna vélræna eiginleika þeirra með því að nota hefðbundnar þjöppunar-, tog- og örinndráttarprófunaraðferðir18,19,20,21.Hins vegar gerir hin nýja lífhermihönnun lehfilcon A CL það að einstöku ólíku efni þar sem vélrænni eiginleikar greinóttra fjölliða burstabygginga eru verulega frábrugðnir þeim sem SiHy grunnhvarflag hefur.Þess vegna er mjög erfitt að mæla þessa eiginleika nákvæmlega með hefðbundnum aðferðum og inndráttaraðferðum.Efnileg aðferð notar nanóinndráttarprófunaraðferðina sem er útfærð í atómkraftsmásjá (AFM), aðferð sem hefur verið notuð til að ákvarða vélræna eiginleika mjúkra seigjateygjanlegra efna eins og líffræðilegra frumna og vefja, sem og mjúkra fjölliða22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Í AFM nanóinndrætti eru grundvallaratriði nanóinndráttarprófa sameinuð nýjustu framförum í AFM tækni til að veita aukið mælinæmni og prófanir á fjölbreyttu úrvali í eðli sínu ofurmjúkum efnum31,32,33,34,35,36.Að auki býður tæknin upp á aðra mikilvæga kosti með því að nota mismunandi rúmfræði.inndrætti og rannsaka og möguleika á að prófa í ýmsum fljótandi miðlum.
AFM nanoindentation má skipta með skilyrðum í þrjá meginþætti: (1) búnað (skynjarar, skynjarar, rannsaka osfrv.);(2) mælingarbreytur (eins og kraftur, tilfærsla, hraði, stærð rampa osfrv.);(3) Gagnavinnsla (grunnlínuleiðrétting, snertipunktsmat, gagnaaðlögun, líkanagerð o.s.frv.).Verulegt vandamál við þessa aðferð er að nokkrar rannsóknir í bókmenntum sem nota AFM nanóinndælingu gefa til kynna mjög mismunandi magn niðurstöður fyrir sömu sýni/frumu/efnisgerð37,38,39,40,41.Sem dæmi má nefna að Lekka o.fl.Áhrif rúmfræði AFM rannsaka á mældan Young's stuðull sýna af vélrænt einsleitri vatnsgeli og ólíkum frumum voru rannsökuð og borin saman.Þeir greina frá því að stuðullgildi séu mjög háð vali á cantilever og lögun oddsins, með hæsta gildi fyrir pýramídalaga rannsakanda og lægsta gildið 42 fyrir kúlulaga rannsaka.Á sama hátt, Selhuber-Unkel o.fl.Sýnt hefur verið fram á hvernig innrennslishraði, innrennslisstærð og þykkt pólýakrýlamíðsýna (PAAM) hafa áhrif á Young's stuðulinn mældur með ACM43 nanóinndrætti.Annar flókinn þáttur er skortur á stöðluðum prófunarefnum með afar lágan stuðul og ókeypis prófunaraðferðum.Þetta gerir það mjög erfitt að fá nákvæmar niðurstöður með öryggi.Hins vegar er aðferðin mjög gagnleg fyrir hlutfallslegar mælingar og samanburðarmat milli svipaðra sýnategunda, til dæmis með því að nota AFM nanóinndrátt til að greina eðlilegar frumur frá krabbameinsfrumum 44, 45 .
Við prófun á mjúkum efnum með AFM nanóinndrætti er almenn þumalfingursregla að nota rannsakanda með lágan fjöðrunarfasta (k) sem passar vel við sýnisstuðulinn og hálfkúlulaga/hringlaga odd þannig að fyrsti rannsakarinn stingi ekki í gegnum yfirborð sýnisins á fyrstu snertingu við mjúk efni.Það er líka mikilvægt að beygjumerkið sem myndast af rannsakandanum sé nógu sterkt til að leysiskynjarakerfið geti greint það24,34,46,47.Þegar um er að ræða ofurmjúkar ólíkar frumur, vefi og hlaup, er önnur áskorun að sigrast á límkraftinum á milli rannsakans og sýnisyfirborðsins til að tryggja endurtakanlegar og áreiðanlegar mælingar48,49,50.Þar til nýlega hefur mest vinna við AFM nanóinndælingu beinst að rannsóknum á vélrænni hegðun líffræðilegra frumna, vefja, hlaupa, vatnsgela og lífsameinda með því að nota tiltölulega stóra kúlulaga rannsaka, almennt nefndir kolloidal probes (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Þessir oddar hafa radíus frá 1 til 50 µm og eru venjulega gerðar úr bórsílíkatgleri, pólýmetýlmetakrýlati (PMMA), pólýstýreni (PS), kísildíoxíði (SiO2) og demant- eins og kolefni (DLC).Þrátt fyrir að CP-AFM nanóinndráttur sé oft fyrsti kosturinn fyrir mjúka sýnislýsingu, hefur það sín vandamál og takmarkanir.Notkun stórra, míkronstóra kúlulaga oddanna eykur heildarsnertiflöt oddsins við sýnið og leiðir til verulegs taps á staðbundinni upplausn.Fyrir mjúk, óeiginleg eintök, þar sem vélrænni eiginleikar staðbundinna frumefna geta verið verulega frábrugðnir meðaltali yfir stærra svæði, getur CP-inndráttur falið hvers kyns ójafnvægi í eiginleikum á staðbundnum mælikvarða52.Kvoðunemar eru venjulega gerðir með því að festa míkrónstærð kvoðukúlur við oddlausa hnakka með því að nota epoxý lím.Framleiðsluferlið sjálft er fullt af vandamálum og getur leitt til ósamræmis í kvörðunarferli rannsakans.Þar að auki hefur stærð og massi kvoðuagna bein áhrif á helstu kvörðunarfæribreytur cantilevers, svo sem endurómtíðni, fjöðrstífleika og sveigjunæmi56,57,58.Þannig getur verið að algengar aðferðir fyrir hefðbundnar AFM rannsaka, svo sem hitakvörðun, veita ekki nákvæma kvörðun fyrir CP, og aðrar aðferðir gætu verið nauðsynlegar til að framkvæma þessar leiðréttingar57, 59, 60, 61. Dæmigert CP-inndráttartilraunir nota stór frávik til rannsaka eiginleika mjúkra sýna, sem skapar enn eitt vandamálið þegar kvarðað er ólínulega hegðun burðarins við tiltölulega stór frávik62,63,64.Nútímaleg kvoðainndráttaraðferðir taka venjulega tillit til rúmfræði burðarþolsins sem notaður er til að kvarða rannsakann, en hunsa áhrif kvoðaagna, sem skapar aukna óvissu í nákvæmni aðferðarinnar38,61.Að sama skapi eru teygjanleikar sem reiknaðir eru með snertilíkanisfestingu beint eftir rúmfræði inndráttarnemans og ósamræmi milli odds og sýnisyfirborðseiginleika getur leitt til ónákvæmni27, 65, 66, 67, 68. Nokkur nýleg verk Spencer o.fl.Þeir þættir sem ætti að hafa í huga þegar þeir einkenna mjúka fjölliða bursta sem nota CP-AFM nanóinndráttaraðferðina eru auðkenndir.Þeir greindu frá því að varðveisla seigfljóts vökva í fjölliða burstum sem fall af hraða leiðir til aukningar á höfuðhleðslu og þar af leiðandi mismunandi mælingar á hraðaháðum eiginleikum30,69,70,71.
Í þessari rannsókn höfum við einkennt yfirborðsstuðul hins ofurmjúka mjög teygjanlega efnis lehfilcon A CL með breyttri AFM nanóinndráttaraðferð.Miðað við eiginleika og nýja uppbyggingu þessa efnis er næmnisvið hefðbundinnar inndráttaraðferðar greinilega ófullnægjandi til að einkenna stuðul þessa einstaklega mjúka efnis, svo það er nauðsynlegt að nota AFM nanóinndráttaraðferð með hærra næmni og lægra næmi.stigi.Eftir að hafa farið yfir galla og vandamál núverandi kvoða AFM rannsaka nanóinndælingartækni, sýnum við hvers vegna við völdum minni, sérhannaða AFM rannsaka til að útrýma næmi, bakgrunnshljóði, nákvæmum snertipunkti, mæla hraðastuðul mjúkra ólíkra efna eins og vökvasöfnun. ósjálfstæði.og nákvæm magngreining.Að auki gátum við mælt lögun og stærð inndráttaroddsins nákvæmlega, sem gerir okkur kleift að nota keilu-kúlupassunarlíkanið til að ákvarða mýktarstuðulinn án þess að meta snertiflöt oddsins við efnið.Tvær óbeinu forsendurnar sem eru magngreindar í þessu verki eru fullteygjanlegir efniseiginleikar og inndráttardýpt-óháði stuðullinn.Með þessari aðferð prófuðum við fyrst ofurmjúka staðla með þekktum stuðli til að mæla aðferðina og notuðum síðan þessa aðferð til að einkenna yfirborð tveggja mismunandi linsuefna.Búist er við að þessi aðferð til að einkenna AFM nanóinndráttarfleti með aukinni næmni eigi við um fjölbreytt úrval lífrænna ólíkra, ofurmjúkra efna sem hugsanlega eru notuð í lækningatækjum og lífeðlisfræðilegum forritum.
Lehfilcon A linsur (Alcon, Fort Worth, Texas, Bandaríkin) og kísilhýdrógel hvarfefni þeirra voru valin fyrir tilraunir með nanóinndælingu.Sérhönnuð linsufesting var notuð í tilrauninni.Til að setja upp linsuna til prófunar var henni komið varlega fyrir á hvelfinglaga standinum, tryggt að engar loftbólur kæmust inn og síðan fest með brúnunum.Gat á festingunni efst á linsuhaldaranum veitir aðgang að sjónmiðju linsunnar fyrir nanóinndráttartilraunir á meðan vökvanum er haldið á sínum stað.Þetta heldur linsunum fullum vökva.500 μl af linsuumbúðalausn var notuð sem próflausn.Til að sannreyna megindlegar niðurstöður voru óvirkjuð pólýakrýlamíð (PAAM) vatnsgel sem fáanleg í verslun voru framleidd úr pólýakrýlamíð-kó-metýlen-bisakrýlamíð samsetningu (100 mm Petrisoft Petri diskar, Matrigen, Irvine, CA, Bandaríkjunum), þekktur teygjanlegur stuðull upp á 1 kPa.Notaðu 4-5 dropa (u.þ.b. 125 µl) af fosfatbuðrað saltvatni (PBS frá Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, Bandaríkjunum) og 1 dropa af OPTI-FREE Puremoist linsulausn (Alcon, Vaud, TX, Bandaríkjunum).) við AFM hýdrógel-nema tengi.
Sýnishorn af Lehfilcon A CL og SiHy hvarfefnum voru sýnd með því að nota FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Rafeindasmásjá (FEG SEM) kerfi útbúið með Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) skynjara.Til að undirbúa sýnin voru linsurnar fyrst þvegnar með vatni og skornar í tertulaga fleyga.Til að ná fram mismunaskilum á milli vatnssækna og vatnsfælna hluta sýnanna var 0,10% stöðug lausn af RuO4 notuð sem litarefni, þar sem sýnunum var sökkt í í 30 mínútur.Lehfilcon A CL RuO4 litunin er ekki aðeins mikilvæg til að ná fram bættum mismunadrifsskilum, heldur hjálpar hún einnig til við að varðveita uppbyggingu greinóttu fjölliðabursta í upprunalegu formi, sem eru síðan sýnilegir á STEM myndum.Þau voru síðan þvegin og þurrkuð í röð af etanól/vatnsblöndum með vaxandi etanólstyrk.Sýnin voru síðan steypt með EMBed 812/Araldite epoxý sem harðnaði yfir nótt við 70°C.Sýnablokkir sem fengust með plastefnisfjölliðun voru skornir með örmíkrótómi og þunnu hlutarnir sem mynduðust voru sýndir með STEM skynjara í lágt lofttæmi við 30 kV hröðunarspennu.Sama SEM kerfi var notað fyrir nákvæma lýsingu á PFQNM-LC-A-CAL AFM rannsaka (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, Bandaríkjunum).SEM myndir af AFM rannsakanum voru fengnar í dæmigerðum hátt lofttæmi með 30 kV hröðunarspennu.Fáðu myndir með mismunandi sjónarhornum og stækkunum til að skrá allar upplýsingar um lögun og stærð AFM rannsakanda.Allar oddvíddar sem áhugaverðar voru á myndunum voru mældar stafrænt.
Dimension FastScan Bio Icon atómkraftssmásjá (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, Bandaríkin) með „PeakForce QNM í vökva“ stillingu var notuð til að sjá fyrir og nanóinndregna lehfilcon A CL, SiHy hvarfefni og PAAm hydrogel sýni.Fyrir myndgreiningartilraunir var PEAKFORCE-HIRS-FA rannsakandi (Bruker) með nafnoddarradíus upp á 1 nm notaður til að taka myndir í mikilli upplausn af sýninu með skannahraða 0,50 Hz.Allar myndirnar voru teknar í vatnslausn.
AFM nanóinndælingartilraunir voru gerðar með því að nota PFQNM-LC-A-CAL rannsaka (Bruker).AFM neminn er með kísilodda á nítríð 345 nm þykkt, 54 µm langt og 4,5 µm á breidd með ómtíðni 45 kHz.Það er sérstaklega hannað til að einkenna og framkvæma megindlegar nanóvélrænar mælingar á mjúkum lífsýnum.Skynjararnir eru kvarðaðir sérstaklega í verksmiðjunni með forkvörðuðum gormastillingum.Vorfastar rannsakanna sem notaðir voru í þessari rannsókn voru á bilinu 0,05–0,1 N/m.Til að ákvarða lögun og stærð oddsins nákvæmlega var rannsakandi einkenndur í smáatriðum með því að nota SEM.Á mynd.Mynd 1a sýnir rafeindasmámynd í mikilli upplausn og lítilli stækkun af PFQNM-LC-A-CAL rannsakanda, sem gefur heildræna sýn á hönnun rannsakans.Á mynd.1b sýnir stækkaða mynd af efri hluta oddsins, sem gefur upplýsingar um lögun og stærð oddsins.Í ysta endanum er nálin hálfhvel um 140 nm í þvermál (mynd 1c).Fyrir neðan þetta mjókkar oddurinn í keilulaga lögun og nær mældri lengd um það bil 500 nm.Utan mjókkandi svæðisins er oddurinn sívalur og endar í heildarlengd oddsins 1,18 µm.Þetta er aðal virknihlutinn á oddinum.Að auki var stór kúlulaga pólýstýren (PS) nemi (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, Bandaríkjunum) með þvermál oddsins 45 µm og fjöðrunarfasti 2 N/m einnig notaður til að prófa sem kvoðunema.með PFQNM-LC-A-CAL 140 nm rannsaka til samanburðar.
Greint hefur verið frá því að vökvi geti festst á milli AFM-nemandans og fjölliða burstabyggingarinnar við nanóinndælingu, sem mun beita krafti upp á við á AFM-nemann áður en hann snertir yfirborðið69.Þessi seigfljótandi útpressunaráhrif vegna vökvasöfnunar geta breytt sýnilegum snertipunkti og þar með haft áhrif á mælingar á yfirborðsstuðul.Til að kanna áhrif rúmfræði rannsakanda og inndráttarhraða á vökvasöfnun voru inndráttarkraftsferlar teknir upp fyrir lehfilcon A CL sýni með því að nota 140 nm þvermál nema með stöðugum tilfærsluhraða 1 µm/s og 2 µm/s.þvermál rannsakanda 45 µm, fast kraftstilling 6 nN náð við 1 µm/s.Tilraunir með rannsaka 140 nm í þvermál voru gerðar við inndráttarhraða 1 µm/s og stilltan kraft upp á 300 pN, valin til að skapa snertiþrýsting innan lífeðlisfræðilegra marka (1–8 kPa) efra augnloksins.þrýstingur 72. Mjúk tilbúin sýni af PAA hýdrógeli með 1 kPa þrýstingi voru prófuð með tilliti til inndráttarkrafts upp á 50 pN á hraðanum 1 μm/s með því að nota nema með 140 nm þvermál.
Þar sem lengd keilulaga hluta oddsins á PFQNM-LC-A-CAL rannsakanda er um það bil 500 nm, fyrir hvaða inndýpt sem er < 500 nm er óhætt að gera ráð fyrir að rúmfræði rannsakans við inndrátt haldist í samræmi við það. keiluform.Að auki er gert ráð fyrir að yfirborð efnisins sem verið er að prófa muni sýna afturkræf teygjusvörun, sem einnig verður staðfest í eftirfarandi köflum.Þess vegna, allt eftir lögun og stærð oddsins, völdum við keilukúlufestingarlíkanið sem Briscoe, Sebastian og Adams þróaði, sem er fáanlegt í hugbúnaði söluaðilans, til að vinna úr tilraunum okkar með AFM nanóinndælingu (NanoScope).Hugbúnaður aðskilnaðargagnagreiningar, Bruker) 73. Líkanið lýsir kraft-tilfærslusambandi F(δ) fyrir keilu með kúlulaga toppgalla.Á mynd.Mynd 2 sýnir snertirúmfræði við víxlverkun stífrar keilu við kúlulaga odd, þar sem R er radíus kúlulaga oddsins, a er snertisradíus, b er snertisradíus við enda kúlulaga oddsins, δ er snertingarradíus.inndráttardýpt, θ er hálfhorn keilunnar.SEM myndin af þessum rannsakanda sýnir greinilega að kúlulaga oddurinn með 140 nm þvermál rennur snerti saman í keilu, þannig að hér er b aðeins skilgreint í gegnum R, þ.e. b = R cos θ.Hugbúnaðurinn sem framleiðir veitir keilu-kúlusamband til að reikna Youngs stuðull (E) gildi út frá kraftaðskilnaðargögnum miðað við a > ​​b.Samband:
þar sem F er inndráttarkrafturinn, E er stuðull Young, ν er hlutfall Poissons.Hægt er að áætla snertiradíus a með því að nota:
Skipulag snertirúmfræði stífrar keilu með kúlulaga odd þrýst inn í efni Lefilcon linsu með yfirborðslagi af greinóttum fjölliða bursta.
Ef a ≤ b minnkar tengslin í jöfnuna fyrir hefðbundinn kúlulaga inndrátt;
Við teljum að samspil inndráttarnemans við greinótta uppbyggingu PMPC fjölliða bursta muni valda því að snertiradíus a verður meiri en kúlulaga snertiradíus b.Þess vegna, fyrir allar megindlegar mælingar á teygjustuðlinum sem gerðar voru í þessari rannsókn, notuðum við ósjálfstæði sem fæst fyrir tilvikið a > ​​b.
Ofurmjúku lífhermiefnin sem rannsökuð voru í þessari rannsókn voru sýnd ítarlega með því að nota skönnun rafeindasmásjár (STEM) af þversniði sýnisins og frumeindakraftsmásjá (AFM) yfirborðsins.Þessi nákvæma yfirborðslýsing var framkvæmd sem framlenging á áður birtum verkum okkar, þar sem við komumst að því að kraftmikil greinótt fjölliða burstabygging PMPC-breyttu lehfilcon A CL yfirborðsins sýndi svipaða vélræna eiginleika og innfæddur glæruvefur 14 .Af þessum sökum vísum við til yfirborðs linsu sem lífhermiefni14.Á mynd.3a,b sýna þversnið af greinóttum PMPC fjölliða burstabyggingum á yfirborði lehfilcon A CL undirlags og ómeðhöndlaðs SiHy undirlags, í sömu röð.Yfirborð beggja sýnanna var greint frekar með AFM myndum í hárri upplausn, sem staðfesti enn frekar niðurstöður STEM greiningarinnar (mynd 3c, d).Samanlagt gefa þessar myndir áætlaða lengd PMPC greinóttrar fjölliða burstabyggingar við 300–400 nm, sem er mikilvægt til að túlka AFM nanóinndráttarmælingar.Önnur lykilathugun sem fengin er af myndunum er að heildaryfirborðsbygging CL lífhermiefnisins er formfræðilega frábrugðin því sem er í SiHy hvarfefnisefninu.Þessi munur á yfirborðsformgerð þeirra getur komið í ljós meðan á vélrænni víxlverkun þeirra stendur við inndregið AFM rannsaka og síðan í mældum stuðullsgildum.
Þversniðs STEM myndir af (a) lehfilcon A CL og (b) SiHy hvarfefni.Skalastöng, 500 nm.AFM myndir af yfirborði lehfilcon A CL undirlagsins (c) og SiHy undirlagsins (d) (3 µm × 3 µm).
Lífrænar fjölliður og fjölliða burstabyggingar eru í eðli sínu mjúkar og hafa verið mikið rannsakaðar og notaðar í ýmsum líflæknisfræðilegum forritum74,75,76,77.Þess vegna er mikilvægt að nota AFM nanóinndráttaraðferðina, sem getur nákvæmlega og áreiðanlega mælt vélræna eiginleika þeirra.En á sama tíma gera einstakir eiginleikar þessara ofurmjúku efna, eins og afar lítill mýktarstuðull, mikið vökvainnihald og mikil mýkt, oft erfitt að velja rétt efni, lögun og lögun inndráttarnemans.stærð.Þetta er mikilvægt svo að inntakið komist ekki í gegnum mjúkt yfirborð sýnisins, sem myndi leiða til villna við að ákvarða snertipunktinn við yfirborðið og snertisvæðið.
Til þess er alhliða skilningur á formgerð ofurmjúkra lífrænna efna (lehfilcon A CL) nauðsynlegur.Upplýsingar um stærð og uppbyggingu greinóttu fjölliðabursta sem fengnar eru með myndgreiningaraðferðinni leggja grunninn að vélrænni lýsingu á yfirborðinu með því að nota AFM nanóinndráttartækni.Í stað míkronstærð kúlulaga kvoðunema völdum við PFQNM-LC-A-CAL kísilnítríð rannsaka (Bruker) með þvermál oddsins 140 nm, sérstaklega hannað fyrir magnkortlagningu á vélrænni eiginleikum lífsýna 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Rökin fyrir því að nota tiltölulega skarpa rannsaka í samanburði við hefðbundna kvoðunema má útskýra með byggingareinkennum efnisins.Með því að bera saman stærð rannsakandaoddsins (~140 nm) við greinóttu fjölliðuburstana á yfirborði CL lehfilcon A, sýnd á mynd 3a, má álykta að oddurinn sé nógu stór til að komast í beina snertingu við þessar burstabyggingar, sem dregur úr líkum á að oddurinn komist í gegnum þá.Til að sýna þetta atriði, á mynd 4 er STEM mynd af lehfilcon A CL og inndráttaroddinum á AFM rannsakanda (teiknað í mælikvarða).
Skýringarmynd sem sýnir STEM mynd af lehfilcon A CL og ACM inndráttarnema (teiknuð í mælikvarða).
Að auki er oddstærðin 140 nm nógu lítil til að forðast hættu á einhverju af klístruðu útpressunaráhrifunum sem áður hefur verið greint frá fyrir fjölliða bursta framleidda með CP-AFM nanóinndælingaraðferð69,71.Við gerum ráð fyrir því að vegna sérstakrar keilukúlulaga lögunar og tiltölulega lítillar stærðar þessarar AFM-odds (mynd 1), þá muni eðli kraftferilsins sem myndast af lehfilcon A CL nanóinndælingu ekki vera háð inndráttarhraða eða hleðslu-/losunarhraða .Þess vegna hefur það ekki áhrif á porelastic áhrif.Til að prófa þessa tilgátu voru lehfilcon A CL sýni tekin inn með föstum hámarkskrafti með því að nota PFQNM-LC-A-CAL rannsaka, en á tveimur mismunandi hraða, og tog- og inndráttarkraftsferillinn sem myndast var notaður til að plotta kraftinn (nN) í aðskilnaði (µm) er sýnt á mynd 5a.Ljóst er að kraftferillinn við hleðslu og affermingu skarast algjörlega og engar skýrar vísbendingar eru um að kraftskurðurinn við núllinndráttardýpt aukist með inndráttarhraða á myndinni, sem bendir til þess að einstakir burstaþættir hafi einkennst án porelastískra áhrifa.Aftur á móti eru vökvasöfnunaráhrif (seigfljótandi útpressun og porelasticity áhrif) augljós fyrir 45 µm þvermál AFM rannsaka við sama inndráttarhraða og eru auðkennd af hysteresis milli teygju- og afturdráttarferla, eins og sýnt er á mynd 5b.Þessar niðurstöður styðja tilgátuna og benda til þess að rannsakar með 140 nm þvermál séu góður kostur til að einkenna slíka mjúka fleti.
lehfilcon A CL inndráttarkraftsferlar með ACM;(a) að nota nema með 140 nm í þvermál við tvo hleðsluhraða, sem sýnir fram á að engin porelastic áhrif séu við yfirborðsinndrátt;(b) nota rannsaka með þvermál 45 µm og 140 nm.s sýna áhrif seigfljótandi útpressunar og porelasticity fyrir stóra rannsaka samanborið við smærri rannsaka.
Til að einkenna ofurmjúkt yfirborð verða AFM nanóinndælingaraðferðir að hafa bestu könnunina til að rannsaka eiginleika efnisins sem verið er að rannsaka.Til viðbótar við lögun og stærð oddsins gegna næmni AFM skynjarakerfisins, næmni fyrir sveigju odds í prófunarumhverfinu og stífleiki oddsins mikilvægu hlutverki við að ákvarða nákvæmni og áreiðanleika nanóinndráttar.mælingar.Fyrir AFM kerfið okkar eru staðsetningarnæmur skynjari (PSD) greiningarmörk um það bil 0,5 mV og eru byggð á forkvörðuðum gormhraða og reiknuðu vökvabeygjunæmi PFQNM-LC-A-CAL rannsakans, sem samsvarar fræðilegt álagsnæmi.er minna en 0,1 pN.Þess vegna gerir þessi aðferð kleift að mæla lágmarks inndráttarkraft ≤ 0,1 pN án nokkurs jaðarhávaða.Hins vegar er næstum ómögulegt fyrir AFM kerfi að draga úr jaðarhávaða í þetta stig vegna þátta eins og vélræns titrings og vökvavirkni.Þessir þættir takmarka heildarnæmni AFM nanóinndráttaraðferðarinnar og leiða einnig til bakgrunnshljóðmerkis sem er um það bil ≤ 10 pN.Til að lýsa yfirborði voru lehfilcon A CL og SiHy hvarfefnissýni inndregin við fullvökvaðar aðstæður með því að nota 140 nm rannsaka fyrir SEM lýsingu, og kraftferillinn sem myndast var lagður á milli krafts (pN) og þrýstings.Aðskilnaðarreiturinn (µm) er sýndur á mynd 6a.Í samanburði við SiHy undirlag, sýnir lehfilcon A CL kraftferillinn greinilega umbreytingarfasa sem byrjar á snertipunkti við gaffallega fjölliða bursta og endar með mikilli breytingu á snertingu hallamerkja oddsins við undirliggjandi efni.Þessi bráðabirgðahluti kraftferilsins undirstrikar raunverulega teygjanlega hegðun greinótta fjölliðabursta á yfirborðinu, eins og sést af þjöppunarferilnum sem fylgir náið spennukúrfunni og andstæðunni í vélrænum eiginleikum milli burstabyggingarinnar og fyrirferðarmikils SiHy efnis.Þegar borið er saman lefilcon.Aðskilnaður meðallengdar greinótts fjölliðabursta í STEM myndinni af PCS (mynd 3a) og kraftferil hans meðfram abscissa á mynd 3a.6a sýnir að aðferðin er fær um að greina oddinn og greinótta fjölliðuna sem nær alveg efst á yfirborðið.Snerting milli burstamannvirkja.Að auki gefur náin skörun kraftferilanna til kynna engin vökvasöfnunaráhrif.Í þessu tilviki er nákvæmlega engin viðloðun á milli nálarinnar og yfirborðs sýnisins.Efstu hlutar kraftferilanna fyrir sýnin tvö skarast, sem endurspeglar líkindi vélrænna eiginleika undirlagsefnanna.
(a) AFM nanóinndráttarkraftsferlar fyrir lehfilcon A CL hvarfefni og SiHy hvarfefni, (b) kraftferlar sem sýna snertipunktsmat með því að nota bakgrunnshávaðaþröskuldsaðferðina.
Til þess að rannsaka nánari smáatriði kraftferilsins er spennukúrfa lehfilcon A CL sýnisins endurteiknuð á mynd 6b með hámarkskrafti 50 pN meðfram y-ásnum.Þetta línurit veitir mikilvægar upplýsingar um upprunalegan bakgrunnshljóð.Hávaðinn er á bilinu ±10 pN, sem er notað til að ákvarða nákvæmlega snertipunktinn og reikna út dýpt.Eins og greint er frá í fræðiritum er auðkenning snertipunkta mikilvægt til að meta nákvæmlega efniseiginleika eins og stuðul85.Nálgun sem felur í sér sjálfvirka vinnslu á kraftferilsgögnum hefur sýnt fram á bætta samsvörun á milli gagnaaðlögunar og magnmælinga fyrir mjúk efni86.Í þessari vinnu er val okkar á viðkomustöðum tiltölulega einfalt og hlutlægt, en það hefur sínar takmarkanir.Íhaldssöm nálgun okkar við að ákvarða snertipunktinn getur leitt til örlítið ofmetinna stuðullsgilda fyrir minni inndráttardýpt (< 100 nm).Notkun snertipunktagreiningar sem byggir á reiknirit og sjálfvirkri gagnavinnslu gæti verið framhald af þessari vinnu í framtíðinni til að bæta aðferð okkar enn frekar.Þannig, fyrir innri bakgrunnshávaða af stærðargráðunni ±10 pN, skilgreinum við snertipunktinn sem fyrsta gagnapunktinn á x-ásnum á mynd 6b með gildið ≥10 pN.Síðan, í samræmi við hávaðaþröskuldinn 10 pN, markar lóðrétt lína á stigi ~0,27 µm snertipunktinn við yfirborðið, eftir það heldur teygjuferillinn áfram þar til undirlagið nær ~270 nm dýpt.Athyglisvert er að miðað við stærð greinóttra fjölliða burstaeiginleika (300–400 nm) sem mæld er með myndgreiningaraðferðinni, er inndráttardýpt CL lehfilcon. Sýni sem sést með bakgrunnshávaðaþröskuldsaðferðinni er um 270 nm, sem er mjög nálægt mælistærðina með STEM.Þessar niðurstöður staðfesta enn frekar samhæfni og notagildi lögunar og stærðar AFM rannsakandaodds fyrir inndrátt í þessari mjög mjúku og mjög teygjanlegu greinóttu fjölliða burstabyggingu.Þessi gögn gefa einnig sterkar vísbendingar til að styðja aðferð okkar við að nota bakgrunnshávaða sem þröskuld til að finna snertipunkta.Þannig ættu allar megindlegar niðurstöður sem fengnar eru úr stærðfræðilegri líkanagerð og aðlögun kraftferils að vera tiltölulega nákvæmar.
Magnmælingar með AFM nanóinndráttaraðferðum eru algjörlega háðar stærðfræðilíkönunum sem notuð eru við gagnaval og síðari greiningu.Þess vegna er mikilvægt að huga að öllum þáttum sem tengjast vali á inndrætti, efniseiginleikum og aflfræði samspils þeirra áður en þú velur tiltekið líkan.Í þessu tilviki var oddsrúmfræðin vandlega auðkennd með því að nota SEM smámyndir (mynd 1), og miðað við niðurstöðurnar er 140 nm þvermál AFM nanoindending sonde með harðri keilu og kúlulaga odds rúmfræði góður kostur til að einkenna lehfilcon A CL79 sýni .Annar mikilvægur þáttur sem þarf að meta vandlega er mýkt fjölliðaefnisins sem verið er að prófa.Þrátt fyrir að upphafsgögn nanóinndráttar (myndir 5a og 6a) skýri skýrt frá einkennum skörunar spennu- og þjöppunarferilanna, þ.e. algera teygjanlega endurheimt efnisins, er afar mikilvægt að staðfesta eingöngu teygjanlegt eðli tengiliða. .Í þessu skyni voru gerðar tvær innskot í röð á sama stað á yfirborði lehfilcon A CL sýnisins með inndráttarhraðanum 1 µm/s við fulla vökvaskilyrði.Gögnin um kraftferil sem myndast eru sýnd á mynd.7 og, eins og búist var við, eru stækkunar- og þjöppunarferlar prentanna tveggja næstum eins, sem undirstrikar mikla mýkt greinóttrar fjölliða burstabyggingarinnar.
Tveir inndráttarkraftsferlar á sama stað á yfirborði lehfilcon A CL gefa til kynna ákjósanlega mýkt linsuyfirborðs.
Byggt á upplýsingum sem fengnar eru úr SEM og STEM myndum af nemaoddinum og lehfilcon A CL yfirborði, í sömu röð, er keilukúlulíkanið hæfileg stærðfræðileg framsetning á samspili AFM rannsakandans og mjúka fjölliða efnisins sem verið er að prófa.Að auki, fyrir þetta keilukúlulíkan, gilda grundvallarforsendur um teygjueiginleika áprentaða efnisins fyrir þetta nýja lífhermiefni og eru notaðar til að mæla teygjustuðulinn.
Eftir yfirgripsmikið mat á AFM nanóinndráttaraðferðinni og íhlutum hennar, þar á meðal eiginleikum inndráttarnema (lögun, stærð og gormstífleiki), næmi (bakgrunnshljóð og snertipunktsmat) og gagnaaðlögunarlíkön (magnstuðullmælingar), var aðferðin notað.einkenna mjög mjúk sýni sem eru fáanleg í viðskiptum til að sannreyna magn niðurstöður.Pólýakrýlamíð (PAAM) hýdrogel í sölu með 1 kPa teygjustuðul var prófað við vökvaðar aðstæður með því að nota 140 nm rannsaka.Upplýsingar um prófun og útreikninga á einingum er að finna í viðbótarupplýsingunum.Niðurstöðurnar sýndu að meðalstuðullinn sem mældur var var 0,92 kPa og %RSD og prósentu (%) frávik frá þekktum stuðli voru minna en 10%.Þessar niðurstöður staðfesta nákvæmni og endurgerðanleika AFM nanóinndráttaraðferðarinnar sem notuð er í þessari vinnu til að mæla einingar ofurmjúkra efna.Yfirborð lehfilcon A CL sýnishornanna og SiHy grunnhvarfefnisins voru frekar einkennd með því að nota sömu AFM nanóinndráttaraðferð til að rannsaka sýnilegan snertingarstuðul ofurmjúka yfirborðsins sem fall af dýpt inndráttar.Inndráttarkraftsaðskilnaðarferlar voru búnir til fyrir þrjú sýni af hverri gerð (n = 3; ein inndrátt á hvert sýni) við kraftinn 300 pN, hraða 1 µm/s og fulla vökvun.Inndráttarkraftshlutdeildin var áætlað með því að nota keilukúlulíkan.Til að fá stuðull háð dýptinni var 40 nm breiður hluti kraftferilsins stilltur við hverja 20 nm aukningu frá snertipunkti og mæld gildi stuðulsins í hverju skrefi kraftferilsins.Spin Cy o.fl.Svipuð nálgun hefur verið notuð til að einkenna stuðul halla pólý(lauryl metakrýlat) (P12MA) fjölliða bursta með því að nota kolloidal AFM rannsaka nanóinndælingu, og þeir eru í samræmi við gögn sem nota Hertz snertilíkanið.Þessi nálgun veitir teikningu af sýnilegum snertistuðul (kPa) á móti inndráttardýpt (nm), eins og sýnt er á mynd 8, sem sýnir sýnilegan snertistuðul/dýpt halla.Reiknaður teygjustuðull CL lehfilcon A sýnisins er á bilinu 2–3 kPa innan efri 100 nm sýnisins, en þar fyrir utan byrjar hann að aukast með dýpi.Á hinn bóginn, þegar SiHy grunnhvarfefnið er prófað án burstalíkrar filmu á yfirborðinu, er hámarksdýpt sem næst við 300 pN kraft minna en 50 nm og stuðullinn sem fæst úr gögnunum er um 400 kPa , sem er sambærilegt við gildi Youngs stuðulls fyrir magn efnis.
Augljós snertistuðull (kPa) vs. inndráttardýpt (nm) fyrir lehfilcon A CL og SiHy hvarfefni með því að nota AFM nanóinndráttaraðferð með keilukúlu rúmfræði til að mæla stuðul.
Efsta yfirborð hinnar nýju lífhermandi greinóttu fjölliða burstabyggingar sýnir afar lágan mýktarstuðul (2–3 kPa).Þetta mun passa við lausa endann á gaffallega fjölliða burstanum eins og sýnt er á STEM myndinni.Þó að það séu einhverjar vísbendingar um stuðul halla við ytri brún CL, er aðal undirlag með háum stuðli áhrifameira.Hins vegar eru efstu 100 nm yfirborðsins innan við 20% af heildarlengd greinótta fjölliða bursta, svo það er sanngjarnt að gera ráð fyrir að mæld gildi stuðulsins í þessu inndælingardýptarsviði séu tiltölulega nákvæm og ekki mjög sterk. fer eftir áhrifum neðsta hlutarins.
Vegna einstakrar líflíkingarhönnunar lehfilcon A linsur, sem samanstanda af greinóttum PMPC fjölliða burstabyggingum sem græddar eru á yfirborð SiHy hvarfefna, er mjög erfitt að áreiðanlega einkenna vélræna eiginleika yfirborðsbygginga þeirra með hefðbundnum mæliaðferðum.Hér kynnum við háþróaða AFM nanóinndráttaraðferð til að einkenna mjög mjúk efni eins og lefilcon A með miklu vatnsinnihaldi og mjög mikilli mýkt.Þessi aðferð byggir á notkun AFM-nema þar sem oddarstærð og rúmfræði eru vandlega valin til að passa við burðarstærð hinna ofurmjúku yfirborðseiginleika sem á að áprenta.Þessi samsetning víddar milli rannsaka og byggingar veitir aukið næmni, sem gerir okkur kleift að mæla lágan stuðul og eðlislæga teygjueiginleika greinóttra fjölliða burstahluta, óháð porelastic áhrif.Niðurstöðurnar sýndu að hinir einstöku greinóttu PMPC fjölliðaburstar sem einkenndu linsuyfirborðið höfðu mjög lágan teygjustuðul (allt að 2 kPa) og mjög mikla mýkt (næstum 100%) þegar þeir voru prófaðir í vatnskenndu umhverfi.Niðurstöður AFM nanóinndráttar gerðu okkur einnig kleift að einkenna augljósan snertistuðul/dýptarhalla (30 kPa/200 nm) á yfirborði lífrænna linsu.Þessi halli getur stafað af stuðulsmuninum á greinóttu fjölliðaburstunum og SiHy undirlaginu, eða greinóttri uppbyggingu/þéttleika fjölliðabursta, eða samsetningu þeirra.Hins vegar er þörf á frekari ítarlegum rannsóknum til að skilja að fullu tengslin milli uppbyggingu og eiginleika, sérstaklega áhrif burstagreina á vélræna eiginleika.Svipaðar mælingar geta hjálpað til við að einkenna vélræna eiginleika yfirborðs annarra ofurmjúkra efna og lækningatækja.
Gagnasöfn sem myndast og/eða greind meðan á yfirstandandi rannsókn stendur eru fáanleg hjá viðkomandi höfundum gegn sanngjörnu beiðni.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. og Haugen, HJ Líffræðileg viðbrögð við eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum yfirborðs lífefna.Efni.samfélag.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM og Liu, X. Umbætur á lífefnum úr mönnum fyrir vefjaverkfræði.forritun.fjölliða.vísindin.53, 86 (2016).
Sadtler, K. o.fl.Hönnun, klínísk útfærsla og ónæmissvörun lífefna í endurnýjunarlækningum.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK og Farr GM Endurbætt aðferð til að ákvarða hörku og teygjustuðul með því að nota inndráttartilraunir með álags- og tilfærslumælingum.J. Alma mater.geymslutankur.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Sögulegur uppruni inndráttarhörkuprófunar.alma mater.vísindin.tækni.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Inndráttarhörkumælingar á Macro-, Micro- og Nanoscale: A Critical Review.ættbálkur.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD og Clapperich, SM Yfirborðsskynjunarvillur leiða til ofmats stuðuls við nanóinndrátt mjúkra efna.J. Mecha.Hegðun.Lífeðlisfræði.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR og Yahya M.Yu.Mat á nanóinndráttaraðferð til að ákvarða vélrænni eiginleika misleitra nanósamsetninga með tilrauna- og reikniaðferðum.vísindin.Hús 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR og Owart, TS. Vélræn einkenni mjúkra seigjateygjanlegra hlaupa með inndrætti og hagræðingarbundinni öfugum endanlegum þáttagreiningu.J. Mecha.Hegðun.Lífeindafræði.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J og Chaneler D. Hagræðing á ákvörðun seigjuteygni með því að nota samhæfð mælikerfi.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. og Pellillo, E. Nanoindentation á fjölliða yfirborði.J. Eðlisfræði.D. Sækja um eðlisfræði.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. og Van Vliet KJ Lýsing á seigja teygjanlegum vélrænum eiginleikum mjög teygjanlegra fjölliða og líffræðilegra vefja með því að nota högginndrátt.Journal of Biomaterials.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Mat á teygjustuðul og viðloðun vinnu mjúkra efna með því að nota útbreidda Borodich-Galanov (BG) aðferð og djúpa inndrátt.feldur.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. o.fl.Formgerð á nanóskala og vélrænni eiginleikar lífrænna fjölliða yfirborðs sílikonhýdrógelsnertilinsa.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).