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의료 기기 및 생의학 응용 분야를 위한 새로운 초연질 소재의 개발로 인해 물리적, 기계적 특성의 포괄적인 특성을 파악하는 것이 중요하면서도 어려운 일입니다.변형된 원자력 현미경(AFM) 나노압입 기술을 적용하여 분지형 폴리머 브러시 구조의 층으로 코팅된 새로운 lehfilcon A 생체 모방 실리콘 하이드로겔 콘택트 렌즈의 매우 낮은 표면 모듈러스를 특성화했습니다.이 방법을 사용하면 가지형 폴리머에 접근할 때 점성 압출의 영향 없이 접촉점을 정확하게 결정할 수 있습니다.또한 다공탄성 효과 없이 개별 브러시 요소의 기계적 특성을 결정하는 것이 가능합니다.이는 부드러운 재료와 생물학적 샘플의 특성을 측정하는 데 특히 적합한 디자인(팁 크기, 형상 및 스프링 속도)을 갖춘 AFM 프로브를 선택함으로써 달성됩니다.이 방법은 표면적에서는 매우 낮은 탄성률(최대 2kPa)과 내부(거의 100%) 수성 환경에서는 매우 높은 탄성률을 갖는 매우 부드러운 소재인 lehfilcon A의 정확한 측정을 위해 감도와 정확도를 향상시킵니다. .표면 연구 결과는 레필콘 A 렌즈의 매우 부드러운 표면 특성을 드러냈을 뿐만 아니라 가지형 폴리머 브러시의 모듈러스가 실리콘-수소 기판의 모듈러스와 비슷하다는 것을 보여주었습니다.이 표면 특성화 기술은 다른 초연질 소재 및 의료 기기에도 적용될 수 있습니다.
살아있는 조직과 직접 접촉하도록 설계된 재료의 기계적 특성은 종종 생물학적 환경에 의해 결정됩니다.이러한 재료 특성의 완벽한 조화는 불리한 세포 반응을 일으키지 않고 재료의 원하는 임상 특성을 달성하는 데 도움이 됩니다1,2,3.벌크 균질 재료의 경우 표준 절차 및 테스트 방법(예: 마이크로압입4,5,6)이 있으므로 기계적 특성의 특성화는 상대적으로 쉽습니다.그러나 젤, 하이드로겔, 생체고분자, 살아있는 세포 등과 같은 매우 부드러운 재료의 경우 이러한 테스트 방법은 일반적으로 측정 해상도 제한 및 일부 재료의 불균일성으로 인해 적용되지 않습니다7.수년에 걸쳐 전통적인 압입 방법은 광범위한 부드러운 재료를 특성화하기 위해 수정되고 적용되었지만 많은 방법은 여전히 ​​사용을 제한하는 심각한 단점을 안고 있습니다8,9,10,11,12,13.초연질 재료와 표면층의 기계적 특성을 정확하고 안정적으로 특성화할 수 있는 특수 테스트 방법이 부족하여 다양한 응용 분야에서의 사용이 심각하게 제한됩니다.
이전 연구에서는 눈의 각막 표면에서 영감을 얻은 잠재적인 생체 모방 디자인에서 파생된 매우 부드러운 표면 특성을 모두 갖춘 부드러운 이종 소재인 레필콘 A(CL) 콘택트 렌즈를 소개했습니다.이 생체재료는 의료기기용으로 설계된 실리콘 하이드로겔(SiHy) 15에 폴리(2-메타크릴로일옥시에틸포스포릴콜린(MPC))(PMPC)의 가지형 가교 폴리머 층을 접목하여 개발되었습니다.이 접목 과정은 표면에 매우 부드럽고 탄력성이 높은 분지형 폴리머 브러시 구조로 구성된 층을 생성합니다.우리의 이전 연구에서는 lehfilcon A CL의 생체 모방 구조가 향상된 습윤 및 오염 방지, 윤활성 증가, 세포 및 박테리아 부착 감소와 같은 우수한 표면 특성을 제공한다는 것을 확인했습니다15,16.또한, 이 생체 모방 소재의 사용 및 개발은 다른 생체 의학 장치로의 추가 확장을 제안합니다.따라서 향후 개발 및 응용을 지원하기 위한 포괄적인 지식 기반을 구축하려면 이 매우 부드러운 소재의 표면 특성을 특성화하고 눈과의 기계적 상호 작용을 이해하는 것이 중요합니다.대부분의 시판 SiHy 콘택트 렌즈는 균일한 재료 구조를 형성하는 친수성 및 소수성 폴리머의 균질한 혼합물로 구성됩니다.전통적인 압축, 인장 및 마이크로압입 시험 방법18,19,20,21을 사용하여 기계적 특성을 조사하기 위해 여러 연구가 수행되었습니다.그러나 lehfilcon A CL의 새로운 생체 ​​모방 디자인은 분지형 폴리머 브러시 구조의 기계적 특성이 SiHy 기본 기판의 기계적 특성과 크게 다른 독특한 이종 재료로 만듭니다.따라서 기존의 압입 방법을 사용하여 이러한 특성을 정확하게 정량화하는 것은 매우 어렵습니다.유망한 방법은 원자현미경(AFM)에서 구현된 나노압입 테스트 방법을 사용하며, 이 방법은 생물학적 세포 및 조직과 같은 연질 점탄성 재료뿐만 아니라 연질 폴리머의 기계적 특성을 결정하는 데 사용되어 왔습니다. .,26,27,28,29,30.AFM 나노인덴테이션에서는 나노인덴테이션 테스트의 기본 사항이 AFM 기술의 최신 발전과 결합되어 측정 감도가 향상되고 본질적으로 매우 부드러운 재료31,32,33,34,35,36에 대한 테스트가 향상됩니다.또한 이 기술은 다양한 형상을 사용하여 다른 중요한 이점을 제공합니다.압자와 프로브가 있으며 다양한 액체 매체에서 테스트할 수 있습니다.
AFM 나노인덴테이션은 조건에 따라 세 가지 주요 구성 요소로 나눌 수 있습니다: (1) 장비(센서, 검출기, 프로브 등);(2) 측정 매개변수(예: 힘, 변위, 속도, 램프 크기 등)(3) 데이터 처리(기준선 수정, 터치 포인트 추정, 데이터 피팅, 모델링 등).이 방법의 중요한 문제는 AFM 나노압입을 사용하는 문헌의 여러 연구에서 동일한 샘플/셀/재료 유형에 대해 매우 다른 정량적 결과를 보고한다는 것입니다.예를 들어, Lekka et al.기계적으로 균질한 하이드로겔과 이종 세포 샘플의 측정된 영률에 대한 AFM 프로브 형상의 영향을 연구하고 비교했습니다.그들은 모듈러스 값이 캔틸레버 선택 및 팁 모양에 크게 의존하며 피라미드 모양 프로브의 경우 가장 높은 값, 구형 프로브의 경우 가장 낮은 값인 42를 보고합니다.유사하게, Selhuber-Unkel et al.폴리아크릴아미드(PAAM) 샘플의 압입기 속도, 압입기 크기 및 두께가 ACM43 나노압입으로 측정된 영률에 어떻게 영향을 미치는지 보여졌습니다.또 다른 복잡한 요인은 매우 낮은 모듈러스 표준 테스트 재료와 무료 테스트 절차가 부족하다는 것입니다.이로 인해 자신있게 정확한 결과를 얻는 것이 매우 어렵습니다.그러나 이 방법은 유사한 샘플 유형 간의 상대 측정 및 비교 평가에 매우 유용합니다. 예를 들어 AFM 나노압입을 사용하여 정상 세포와 암세포를 구별합니다44, 45.
AFM 나노압입으로 부드러운 재료를 테스트할 때 일반적인 경험 법칙은 첫 번째 프로브가 샘플 표면을 관통하지 않도록 샘플 계수와 반구형/둥근 팁과 거의 일치하는 낮은 스프링 상수(k)를 가진 프로브를 사용하는 것입니다. 부드러운 물질과의 첫 접촉.프로브에 의해 생성된 편향 신호가 레이저 검출기 시스템24,34,46,47에 의해 감지될 수 있을 만큼 강한 것도 중요합니다.매우 부드러운 이종 세포, 조직 및 젤의 경우 또 다른 과제는 프로브와 샘플 표면 사이의 접착력을 극복하여 재현 가능하고 신뢰할 수 있는 측정을 보장하는 것입니다.최근까지 AFM 나노압입에 대한 대부분의 연구는 일반적으로 콜로이드 프로브(CP)라고 하는 상대적으로 큰 구형 프로브를 사용하여 생물학적 세포, 조직, 젤, 하이드로겔 및 생체 분자의 기계적 거동을 연구하는 데 중점을 두었습니다., 47, 51, 52, 53, 54, 55. 이러한 팁의 반경은 1~50μm이며 일반적으로 붕규산 유리, 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS), 이산화규소(SiO2) 및 다이아몬드로 만들어집니다. 카본처럼 (DLC) .CP-AFM 나노압입은 소프트 샘플 특성화를 위한 첫 번째 선택인 경우가 많지만 고유한 문제와 한계가 있습니다.큰 미크론 크기의 구형 팁을 사용하면 팁과 샘플의 총 접촉 면적이 증가하여 공간 분해능이 크게 손실됩니다.국부 요소의 기계적 특성이 더 넓은 영역에 걸쳐 평균과 크게 다를 수 있는 부드럽고 불균일한 시편의 경우 CP 압입은 국지적 규모에서 특성의 불균일성을 숨길 수 있습니다.콜로이드 프로브는 일반적으로 에폭시 접착제를 사용하여 팁이 없는 캔틸레버에 미크론 크기의 콜로이드 구체를 부착하여 만들어집니다.제조 프로세스 자체에는 많은 문제가 있으며 프로브 교정 프로세스에서 불일치가 발생할 수 있습니다.또한 콜로이드 입자의 크기와 질량은 공진 주파수, 스프링 강성 및 편향 감도와 같은 캔틸레버의 주요 교정 매개변수에 직접적인 영향을 미칩니다.따라서 온도 교정과 같이 기존 AFM 프로브에 일반적으로 사용되는 방법은 CP에 대한 정확한 교정을 제공하지 못할 수 있으며 이러한 수정을 수행하려면 다른 방법이 필요할 수 있습니다. 일반적인 CP 압입 실험은 큰 편차 캔틸레버를 사용하여 비교적 큰 편차에서 캔틸레버의 비선형 동작을 교정할 때 또 다른 문제를 일으키는 소프트 샘플의 특성을 연구합니다.최신 콜로이드 프로브 압입 방법은 일반적으로 프로브를 교정하는 데 사용되는 캔틸레버의 형상을 고려하지만 콜로이드 입자의 영향을 무시하므로 방법의 정확성에 추가적인 불확실성이 발생합니다.마찬가지로 접촉 모델 피팅에 의해 계산된 탄성 계수는 ​​압입 프로브의 형상에 직접적으로 의존하며 팁과 샘플 표면 특성 간의 불일치로 인해 부정확성이 발생할 수 있습니다27, 65, 66, 67, 68. Spencer et al.CP-AFM 나노압입 방법을 사용하여 연질 폴리머 브러시를 특성화할 때 고려해야 할 요소가 강조되어 있습니다.그들은 속도의 함수로서 폴리머 브러시에 점성 유체가 유지되면 헤드 로딩이 증가하고 따라서 속도 의존 특성에 대한 다른 측정이 발생한다고 보고했습니다.
본 연구에서는 수정된 AFM 나노압입 방법을 사용하여 매우 부드러운 고탄성 소재 lehfilcon A CL의 표면 계수를 특성화했습니다.이 재료의 특성과 새로운 구조를 고려할 때 기존 압입 방법의 감도 범위는 이 극도로 부드러운 재료의 모듈러스를 특성화하기에는 분명히 불충분하므로 감도는 더 높고 감도는 낮은 AFM 나노압입 방법을 사용해야 합니다.수준.기존 콜로이드 AFM 프로브 나노인덴테이션 기술의 단점과 문제점을 검토한 후 민감도, 배경 잡음, 정확한 접촉점 제거, 유체 유지와 같은 부드러운 이종 재료의 속도 모듈러스 측정을 위해 더 작고 맞춤 설계된 AFM 프로브를 선택한 이유를 보여줍니다. 의존.그리고 정확한 정량.또한 압입 팁의 모양과 치수를 정확하게 측정할 수 있어 팁과 재료의 접촉 면적을 평가하지 않고도 원뿔-구 피팅 모델을 사용하여 탄성 계수를 결정할 수 있었습니다.이 연구에서 정량화되는 두 가지 암시적 가정은 완전 탄성 재료 특성과 압입 깊이에 독립적인 계수입니다.이 방법을 사용하여 먼저 방법을 정량화하기 위해 알려진 모듈러스로 울트라소프트 표준을 테스트한 다음 이 방법을 사용하여 두 가지 콘택트 렌즈 재료의 표면을 특성화했습니다.증가된 감도로 AFM 나노압입 표면을 특성화하는 이 방법은 의료 기기 및 생체 의학 응용 분야에서 잠재적으로 사용될 수 있는 광범위한 생체 모방 이종 초연질 재료에 적용될 수 있을 것으로 예상됩니다.
Lehfilcon A 콘택트 렌즈(Alcon, Fort Worth, Texas, USA)와 실리콘 하이드로겔 기판을 나노압입 실험을 위해 선택했습니다.실험에는 특별히 설계된 렌즈 마운트가 사용되었습니다.테스트용 렌즈를 장착하기 위해 돔 형태의 스탠드 위에 기포가 들어가지 않도록 조심스럽게 올려놓은 후 모서리 부분을 이용해 고정시켰습니다.렌즈 홀더 상단에 있는 고정 장치의 구멍을 통해 액체를 제자리에 고정하면서 나노압입 실험을 위해 렌즈의 광학 중심에 접근할 수 있습니다.이렇게 하면 렌즈에 수분이 완전히 공급됩니다.시험액으로는 콘택트렌즈 포장액 500μl를 사용하였다.정량적 결과를 검증하기 위해 폴리아크릴아미드-코-메틸렌-비스아크릴아미드 조성물(100 mm Petrisoft Petri 접시, Matrigen, Irvine, CA, USA)로부터 시판되는 PAAM(비활성화 폴리아크릴아미드) 하이드로겔을 제조했습니다. 탄성 계수는 ​​1입니다. kPa.인산염 완충 식염수(Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) 4-5방울(약 125μl)과 OPTI-FREE Puremoist 콘택트 렌즈 용액(Alcon, Vaud, TX, USA) 1방울을 사용하십시오.) AFM 하이드로겔-프로브 인터페이스에서.
Lehfilcon A CL 및 SiHy 기질의 샘플은 주사 투과 전자 현미경(STEM) 검출기가 장착된 FEI Quanta 250 전계 방출 주사 전자 현미경(FEG SEM) 시스템을 사용하여 시각화되었습니다.샘플을 준비하기 위해 먼저 렌즈를 물로 세척하고 파이 모양의 쐐기로 자릅니다.샘플의 친수성 성분과 소수성 성분 사이의 차별적 대비를 달성하기 위해 0.10% 안정화된 RuO4 용액을 염료로 사용하고 샘플을 30분 동안 침지했습니다.lehfilcon A CL RuO4 염색은 향상된 차등 대비를 달성하는 것뿐만 아니라 분지형 폴리머 브러시의 구조를 원래 형태로 보존하는 데 도움이 되며 STEM 이미지에서 볼 수 있습니다.그런 다음 에탄올 농도가 증가하면서 일련의 에탄올/물 혼합물에서 세척 및 탈수되었습니다.그런 다음 샘플을 EMBed 812/Araldite 에폭시로 주조하고 70°C에서 밤새 경화했습니다.수지 중합에 의해 얻은 샘플 블록을 울트라마이크로톰으로 절단하고, 생성된 얇은 단면을 30kV의 가속 전압에서 저진공 모드에서 STEM 검출기로 시각화했습니다.PFQNM-LC-A-CAL AFM 프로브(Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA)의 상세한 특성화를 위해 동일한 SEM 시스템이 사용되었습니다.AFM 프로브의 SEM 이미지는 가속 전압 30kV의 일반적인 고진공 모드에서 획득되었습니다.다양한 각도와 배율로 이미지를 획득하여 AFM 프로브 팁의 모양과 크기에 대한 모든 세부 정보를 기록합니다.이미지에서 관심 있는 모든 팁 치수는 디지털 방식으로 측정되었습니다.
"PeakForce QNM in Fluid" 모드를 갖춘 Dimension FastScan Bio Icon 원자력 현미경(Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA)을 사용하여 lehfilcon A CL, SiHy 기질 및 PAAm 하이드로겔 샘플을 시각화하고 나노압입했습니다.이미징 실험을 위해 공칭 팁 반경이 1nm인 PEAKFORCE-HIRS-FA 프로브(Bruker)를 사용하여 0.50Hz의 스캔 속도에서 샘플의 고해상도 이미지를 캡처했습니다.모든 이미지는 수용액에서 촬영되었습니다.
AFM 나노압입 실험은 PFQNM-LC-A-CAL 프로브(Bruker)를 사용하여 수행되었습니다.AFM 프로브에는 공진 주파수가 45kHz인 질화물 캔틸레버에 두께 345nm, 길이 54μm, 폭 4.5μm의 실리콘 팁이 있습니다.이는 연성 생물학적 샘플에 대한 정량적 나노기계적 측정을 특성화하고 수행하도록 특별히 설계되었습니다.센서는 사전 보정된 스프링 설정을 사용하여 공장에서 개별적으로 보정됩니다.본 연구에 사용된 프로브의 스프링 상수는 0.05~0.1 N/m 범위였습니다.팁의 모양과 크기를 정확하게 결정하기 위해 SEM을 사용하여 프로브를 자세히 특성화했습니다.그림에.그림 1a는 PFQNM-LC-A-CAL 프로브의 고해상도, 저배율 주사 전자 현미경 사진을 보여 주며 프로브 설계에 대한 전체적인 보기를 제공합니다.그림에.그림 1b는 프로브 팁 상단의 확대도를 보여주며 팁의 모양과 크기에 대한 정보를 제공합니다.맨 끝에서 바늘은 직경이 약 140 nm인 반구입니다(그림 1c).그 아래에서 팁은 원뿔 모양으로 가늘어지며 측정된 길이는 약 500nm에 이릅니다.테이퍼링 영역 외부의 팁은 원통형이며 총 팁 길이가 1.18μm로 끝납니다.프로브 팁의 주요 기능 부분입니다.또한 팁 직경이 45μm이고 스프링 상수가 2N/m인 대형 구형 폴리스티렌(PS) 프로브(Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA)도 콜로이드 프로브로 테스트에 사용되었습니다.비교를 위해 PFQNM-LC-A-CAL 140nm 프로브를 사용합니다.
나노압입 중에 AFM 탐침과 폴리머 브러시 구조 사이에 액체가 갇힐 수 있으며, 이로 인해 실제로 표면에 닿기 전에 AFM 탐침에 위쪽으로 힘이 가해질 수 있다고 보고되었습니다69.유체 보유로 인한 이러한 점성 압출 효과는 겉보기 접촉 지점을 변경하여 표면 계수 측정에 영향을 미칠 수 있습니다.유체 유지에 대한 프로브 형상 및 압입 속도의 영향을 연구하기 위해 1μm/s 및 2μm/s의 일정한 변위 속도에서 140nm 직경 프로브를 사용하여 lehfilcon A CL 샘플에 대한 압입력 곡선을 플롯했습니다.프로브 직경 45 µm, 고정 힘 설정 6 nN이 1 µm/s에서 달성되었습니다.직경 140nm의 프로브를 사용한 실험은 위쪽 눈꺼풀의 생리학적 범위(1~8kPa) 내에서 접촉 압력을 생성하도록 선택된 압입 속도 1μm/s 및 설정 힘 300pN에서 수행되었습니다.압력 72. 압력 1kPa의 PAA 하이드로겔의 연질 샘플을 직경 140nm의 프로브를 사용하여 1μm/s의 속도에서 50pN의 압입력에 대해 테스트했습니다.
PFQNM-LC-A-CAL 프로브 팁의 원추형 부분 길이는 약 500nm이므로 압입 깊이가 500nm 미만인 경우 압입 중 프로브의 형상이 그대로 유지된다고 안전하게 가정할 수 있습니다. 원뿔 모양.또한 테스트 중인 재료의 표면이 가역적인 탄성 응답을 나타낼 것으로 가정하며 이는 다음 섹션에서도 확인됩니다.따라서 팁의 모양과 크기에 따라 AFM 나노인덴테이션 실험(NanoScope)을 처리하기 위해 공급업체의 소프트웨어에서 사용할 수 있는 Briscoe, Sebastian 및 Adams가 개발한 원추형 피팅 모델을 선택했습니다.분리 데이터 분석 소프트웨어, Bruker) 73. 이 모델은 구형 정점 결함이 있는 원뿔에 대한 힘-변위 관계 F(δ)를 설명합니다.그림에.그림 2는 강체 원뿔과 구형 팁의 상호 작용 중 접촉 형상을 보여줍니다. 여기서 R은 구형 팁의 반경, a는 접촉 반경, b는 구형 팁 끝의 접촉 반경, δ는 접촉 반경.압입 깊이, θ는 원뿔의 반각입니다.이 프로브의 SEM 이미지는 140 nm 직경의 구형 팁이 접선 방향으로 원뿔에 병합됨을 명확하게 보여줍니다. 따라서 여기서 b는 R을 통해서만 정의됩니다. 즉, b = R cos θ입니다.공급업체에서 제공하는 소프트웨어는 a > b를 가정하여 힘 분리 데이터로부터 영률(E) 값을 계산하는 원뿔-구 관계를 제공합니다.관계:
여기서 F는 압입력, E는 영률, ν는 포아송 비입니다.접촉 반경 a는 다음을 사용하여 추정할 수 있습니다.
가지형 폴리머 브러시의 표면층이 있는 Lefilcon 콘택트 렌즈의 재료에 압착된 구형 팁이 있는 단단한 원뿔의 접촉 기하학 구조입니다.
a ≤ b인 경우 관계식은 기존 구형 압입기에 대한 방정식으로 축소됩니다.
우리는 PMPC 폴리머 브러시의 분지 구조와 압입 프로브의 상호 작용으로 인해 접촉 반경 a가 구형 접촉 반경 b보다 커질 것이라고 믿습니다.따라서 본 연구에서 수행된 모든 탄성계수의 정량적 측정에는 a > b 경우에 대해 얻은 의존성을 사용했습니다.
본 연구에서 연구된 초연성 생체모방 재료는 샘플 단면의 주사투과전자현미경(STEM)과 표면의 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 종합적으로 이미지화되었습니다.이 상세한 표면 특성화는 이전에 발표된 작업의 확장으로 수행되었으며, PMPC 수정 lehfilcon A CL 표면의 동적으로 분기된 폴리머 브러시 구조가 기본 각막 조직과 유사한 기계적 특성을 나타냄을 확인했습니다 14 .이러한 이유로 우리는 콘택트 렌즈 표면을 생체 모방 재료라고 부릅니다.그림에.도 3a,b는 각각 레필콘 A CL 기판 및 처리되지 않은 SiHy 기판 표면의 분지형 PMPC 폴리머 브러시 구조의 단면을 보여줍니다.고해상도 AFM 이미지를 사용하여 두 샘플의 표면을 추가로 분석하여 STEM 분석 결과를 추가로 확인했습니다 (그림 3c, d).종합하면, 이 이미지는 300-400 nm에서 PMPC 분지형 폴리머 브러시 구조의 대략적인 길이를 제공하며 이는 AFM 나노압입 측정을 해석하는 데 중요합니다.이미지에서 파생된 또 다른 주요 관찰은 CL 생체 모방 물질의 전체 표면 구조가 SiHy 기판 물질의 표면 구조와 형태학적으로 다르다는 것입니다.표면 형태의 이러한 차이는 압입 AFM 프로브와의 기계적 상호 작용 중에 그리고 이후에 측정된 모듈러스 값에서 명백해질 수 있습니다.
(a) lehfilcon A CL 및 (b) SiHy 기판의 단면 STEM 이미지.스케일 바, 500nm.lehfilcon A CL 기판(c) 및 기본 SiHy 기판(d) 표면의 AFM 이미지(3μm × 3μm).
생체모방 폴리머와 폴리머 브러시 구조는 본질적으로 부드러우며 다양한 생체의학 응용 분야에서 널리 연구되고 사용되었습니다.따라서 기계적 특성을 정확하고 안정적으로 측정할 수 있는 AFM 나노압입 방법을 사용하는 것이 중요합니다.그러나 동시에 극도로 낮은 탄성 계수, 높은 액체 함량 및 높은 탄성과 같은 매우 부드러운 소재의 고유한 특성으로 인해 종종 압입 프로브의 올바른 소재, 모양 및 모양을 선택하기가 어렵습니다.크기.이는 압자가 샘플의 부드러운 표면을 관통하지 않도록 중요하며, 이로 인해 표면과의 접촉점 및 접촉 영역을 결정하는 데 오류가 발생합니다.
이를 위해서는 초연성 생체모방 소재(lehfilcon A CL)의 형태에 대한 포괄적인 이해가 필수적입니다.이미징 방법을 사용하여 얻은 가지형 폴리머 브러시의 크기와 구조에 대한 정보는 AFM 나노압입 기술을 사용하여 표면의 기계적 특성화에 대한 기초를 제공합니다.마이크론 크기의 구형 콜로이드 프로브 대신 팁 직경이 140nm인 PFQNM-LC-A-CAL 질화규소 프로브(Bruker)를 선택했습니다. 이는 생물학적 시료의 기계적 특성을 정량적으로 매핑하기 위해 특별히 설계되었습니다. 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 기존 콜로이드 프로브에 비해 상대적으로 날카로운 프로브를 사용하는 이유는 재료의 구조적 특징으로 설명할 수 있습니다.그림 3a에 표시된 CL lehfilcon A 표면의 가지형 폴리머 브러시와 프로브 팁 크기(~140 nm)를 비교하면 팁이 이러한 브러시 구조와 직접 접촉할 수 있을 만큼 충분히 크다는 결론을 내릴 수 있습니다. 팁이 관통할 가능성이 줄어듭니다.이 점을 설명하기 위해 그림 4에는 lehfilcon A CL의 STEM 이미지와 AFM 프로브의 압입 팁(축척에 맞춰 그려짐)이 나와 있습니다.
lehfilcon A CL 및 ACM 압입 프로브의 STEM 이미지를 보여주는 도식(축척에 맞게 그려짐).
또한 140nm의 팁 크기는 CP-AFM 나노압입 방법으로 생성된 폴리머 브러시에 대해 이전에 보고된 끈적한 압출 효과의 위험을 피할 수 있을 만큼 충분히 작습니다.우리는 이 AFM 팁(그림 1)의 특수한 원뿔형 모양과 상대적으로 작은 크기로 인해 lehfilcon A CL 나노인덴테이션에 의해 생성된 힘 곡선의 특성이 압입 속도 또는 로딩/언로딩 속도에 의존하지 않을 것이라고 가정합니다. .따라서 다공탄성 효과의 영향을 받지 않습니다.이 가설을 테스트하기 위해 lehfilcon A CL 샘플을 PFQNM-LC-A-CAL 프로브를 사용하여 고정된 최대 힘으로 들여쓰기했지만 두 가지 다른 속도에서 인장력 및 수축력 곡선을 사용하여 힘(nN)을 플롯했습니다. 분리 거리(μm)는 그림 5a에 표시되어 있습니다.로딩 및 언로딩 중 힘 곡선이 완전히 겹치는 것이 분명하며, 그림에서 압입 깊이가 0일 때 힘 전단이 압입 속도에 따라 증가한다는 명확한 증거가 없습니다. 이는 개별 브러시 요소가 다공탄성 효과 없이 특성화되었음을 시사합니다.대조적으로, 유체 유지 효과(점성 압출 및 다공탄성 효과)는 동일한 압입 속도에서 직경 45μm AFM 프로브에 대해 분명하며 그림 5b에 표시된 것처럼 신축 곡선과 후퇴 곡선 사이의 히스테리시스로 강조됩니다.이러한 결과는 가설을 뒷받침하며 140nm 직경의 프로브가 그러한 부드러운 표면을 특성화하는 데 좋은 선택임을 시사합니다.
lehfilcon ACM을 사용한 CL 압입력 곡선;(a) 두 가지 로딩 속도에서 직경 140 nm의 프로브를 사용하여 표면 압입 중에 다공탄성 효과가 없음을 입증합니다.(b) 직경이 45μm 및 140nm인 프로브를 사용합니다.s는 작은 프로브에 비해 큰 프로브에 대한 점성 압출 및 다공탄성의 효과를 보여줍니다.
매우 부드러운 표면을 특성화하려면 AFM 나노인덴테이션 방법에 연구 중인 재료의 특성을 연구할 수 있는 최고의 프로브가 있어야 합니다.팁 모양과 크기 외에도 AFM 검출기 시스템의 감도, 테스트 환경에서 팁 편향에 대한 감도, 캔틸레버 강성은 나노압입의 정확성과 신뢰성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.측정.AFM 시스템의 경우 위치 감지 감지기(PSD) 감지 한계는 약 0.5mV이며 사전 보정된 스프링 속도와 PFQNM-LC-A-CAL 프로브의 계산된 유체 편향 감도를 기반으로 합니다. 이론적 부하 감도.0.1 pN 미만입니다.따라서 이 방법을 사용하면 주변 노이즈 성분 없이 최소 압입력 ≤ 0.1pN을 측정할 수 있습니다.그러나 기계적 진동, 유체 역학 등의 요인으로 인해 AFM 시스템이 주변 소음을 이 수준으로 줄이는 것은 거의 불가능합니다.이러한 요소는 AFM 나노압입 방법의 전체 감도를 제한하고 약 10pN 이하의 배경 잡음 신호를 발생시킵니다.표면 특성화를 위해, SEM 특성화를 위해 140nm 프로브를 사용하여 완전히 수화된 조건에서 lehfilcon A CL 및 SiHy 기판 샘플을 들여썼으며, 결과적인 힘 곡선을 힘(pN)과 압력 사이에 중첩시켰습니다.분리 플롯(μm)은 그림 6a에 나와 있습니다.SiHy 기본 기판과 비교하여 lehfilcon A CL 힘 곡선은 포크형 폴리머 브러시와의 접촉 지점에서 시작하여 팁과 기본 재료의 접촉을 표시하는 경사의 급격한 변화로 끝나는 전이 단계를 명확하게 보여줍니다.힘 곡선의 이 전이 부분은 인장 곡선을 밀접하게 따르는 압축 곡선과 브러시 구조와 부피가 큰 SiHy 재료 사이의 기계적 특성의 대비에서 알 수 있듯이 표면에서 분기형 폴리머 브러시의 진정한 탄성 동작을 강조합니다.레필콘을 비교해 보면.PCS의 STEM 이미지(그림 3a)에서 가지형 폴리머 브러시의 평균 길이와 그림 3a의 가로좌표를 따른 힘 곡선을 분리합니다.그림 6a는 이 방법이 팁과 표면의 맨 위에 도달하는 가지형 폴리머를 감지할 수 있음을 보여줍니다.브러시 구조 사이의 접촉.또한, 힘 곡선이 밀접하게 겹치는 것은 액체 보유 효과가 없음을 나타냅니다.이 경우 바늘과 시료 표면 사이에 접착력이 전혀 없습니다.두 샘플에 대한 힘 곡선의 가장 높은 부분은 겹쳐지며, 이는 기판 재료의 기계적 특성의 유사성을 반영합니다.
(a) lehfilcon A CL 기판 및 SiHy 기판에 대한 AFM 나노압입 힘 곡선, (b) 배경 잡음 임계값 방법을 사용하여 접점 추정을 보여주는 힘 곡선.
힘 곡선의 더 미세한 세부 사항을 연구하기 위해 lehfilcon A CL 샘플의 장력 곡선은 y 축을 따라 최대 힘 50pN으로 그림 6b에 다시 표시됩니다.이 그래프는 원래 배경 소음에 대한 중요한 정보를 제공합니다.노이즈는 ±10 pN 범위에 있으며 이는 접촉점을 정확하게 결정하고 압입 깊이를 계산하는 데 사용됩니다.문헌에 보고된 바와 같이, 모듈러스와 같은 재료 특성을 정확하게 평가하려면 접촉점을 식별하는 것이 중요합니다.힘 곡선 데이터의 자동 처리와 관련된 접근 방식은 부드러운 재료에 대한 데이터 피팅과 정량적 측정 간의 향상된 적합성을 보여주었습니다86.이 작업에서 우리의 접점 선택은 비교적 간단하고 객관적이지만 한계가 있습니다.접촉점을 결정하는 우리의 보수적인 접근 방식은 더 작은 압입 깊이(< 100 nm)에 대해 모듈러스 값을 약간 과대평가할 수 있습니다.알고리즘 기반 터치포인트 감지 및 자동화된 데이터 처리를 사용하면 앞으로 이 작업을 계속하여 방법을 더욱 개선할 수 있습니다.따라서 ±10pN 정도의 고유 배경 잡음에 대해 접촉점을 그림 6b의 x축에 있는 첫 번째 데이터 점으로 정의하고 값은 ≥10pN입니다.그런 다음 10pN의 노이즈 임계값에 따라 ~0.27μm 수준의 수직선이 표면과의 접촉 지점을 표시한 후 기판이 ~270nm의 압입 깊이를 충족할 때까지 스트레칭 곡선이 계속됩니다.흥미롭게도 이미징 방법을 사용하여 측정한 가지형 폴리머 브러시 형상의 크기(300~400nm)를 기준으로 배경 잡음 임계값 방법을 사용하여 관찰한 CL lehfilcon A 샘플의 압입 깊이는 약 270nm로 매우 가깝습니다. STEM으로 측정 크기.이러한 결과는 매우 부드럽고 탄력성이 높은 가지형 폴리머 브러시 구조의 압입을 위한 AFM 프로브 팁의 모양과 크기의 호환성과 적용 가능성을 더욱 확인시켜 줍니다.이 데이터는 또한 접점을 정확히 찾아내기 위한 임계값으로 배경 소음을 사용하는 우리의 방법을 뒷받침하는 강력한 증거를 제공합니다.따라서 수학적 모델링과 힘 곡선 피팅을 통해 얻은 정량적 결과는 상대적으로 정확해야 합니다.
AFM 나노압입 방법에 의한 정량적 측정은 데이터 선택 및 후속 분석에 사용되는 수학적 모델에 전적으로 의존합니다.따라서 특정 모델을 선택하기 전에 압입자 선택, 재료 특성 및 상호 작용 메커니즘과 관련된 모든 요소를 ​​고려하는 것이 중요합니다.이 경우, 팁 형상은 SEM 현미경 사진(그림 1)을 사용하여 신중하게 특성화되었으며, 결과에 따라 단단한 원추형 및 구형 팁 형상을 갖춘 140nm 직경의 AFM 나노인덴팅 프로브는 lehfilcon A CL79 샘플 특성화를 위한 좋은 선택입니다. .주의 깊게 평가해야 할 또 다른 중요한 요소는 테스트되는 폴리머 재료의 탄성입니다.나노압입의 초기 데이터(그림 5a 및 6a)는 인장 및 압축 곡선의 중첩 특징, 즉 재료의 완전한 탄성 회복을 명확하게 설명하지만 접점의 순수한 탄성 특성을 확인하는 것이 매우 중요합니다. .이를 위해, 완전 수화 조건에서 1 μm/s의 압입 속도로 레필콘 A CL 시료 표면의 동일한 위치에 두 번 연속 압입을 ​​수행했습니다.결과적인 힘 곡선 데이터가 그림에 나와 있습니다.7 그리고 예상한 대로 두 인쇄물의 팽창 및 압축 곡선이 거의 동일하여 가지형 폴리머 브러시 구조의 높은 탄성이 강조됩니다.
Lehfilcon A CL 표면의 동일한 위치에 있는 두 개의 압입력 곡선은 렌즈 표면의 이상적인 탄성을 나타냅니다.
프로브 팁과 lehfilcon A CL 표면의 SEM 및 STEM 이미지에서 얻은 정보를 바탕으로 원추형 모델은 AFM 프로브 팁과 테스트 중인 연질 폴리머 재료 사이의 상호 작용을 합리적으로 수학적 표현합니다.또한, 이 원추형 모델의 경우 각인된 물질의 탄성 ​​특성에 대한 기본 가정은 이 새로운 생체 ​​모방 물질에 적용되며 탄성 계수를 정량화하는 데 사용됩니다.
압입 프로브 특성(모양, 크기 및 스프링 강성), 감도(배경 잡음 및 접점 추정), 데이터 피팅 모델(정량적 모듈러스 측정)을 포함하여 AFM 나노압입 방법과 그 구성요소를 종합적으로 평가한 후 이 방법은 다음과 같습니다. 사용된.정량적 결과를 검증하기 위해 시중에서 판매되는 매우 부드러운 샘플의 특성을 분석합니다.탄성 계수가 1kPa인 상업용 폴리아크릴아미드(PAAM) 하이드로겔을 140nm 프로브를 사용하여 수화 조건에서 테스트했습니다.모듈 테스트 및 계산에 대한 자세한 내용은 보충 정보에 제공됩니다.결과는 측정된 평균 모듈러스가 0.92 kPa이고, 알려진 모듈러스로부터 %RSD 및 백분율(%) 편차가 10% 미만임을 보여주었습니다.이러한 결과는 초연질 재료의 계수를 측정하기 위해 이 작업에 사용된 AFM 나노압입 방법의 정확성과 재현성을 확인합니다.레필콘 A CL 샘플과 SiHy 베이스 기판의 표면은 압입 깊이의 함수로서 초연질 표면의 겉보기 접촉 계수를 연구하기 위해 동일한 AFM 나노압입 방법을 사용하여 추가로 특성화되었습니다.압입력 분리 곡선은 300pN의 힘, 1μm/s의 속도 및 완전 수화에서 각 유형의 3개 시편(n = 3, 시편당 압입 1개)에 대해 생성되었습니다.압입력 공유 곡선은 원추형 모델을 사용하여 근사화되었습니다.압입 깊이에 따른 모듈러스를 얻기 위해 힘 곡선의 폭 40 nm 부분을 접촉점부터 시작하여 20 nm 간격으로 설정하고 힘 곡선의 각 단계에서 모듈러스 값을 측정했습니다.Spin Cyet al.콜로이드 AFM 프로브 나노인덴테이션을 사용하여 폴리(라우릴 메타크릴레이트)(P12MA) 폴리머 브러시의 모듈러스 구배를 특성화하기 위해 유사한 접근 방식이 사용되었으며 이는 Hertz 접촉 모델을 사용한 데이터와 일치합니다.이 접근 방식은 그림 8과 같이 겉보기 접촉 계수(kPa) 대 압입 깊이(nm)의 플롯을 제공하며 이는 겉보기 접촉 계수/깊이 구배를 보여줍니다.CL lehfilcon A 샘플의 계산된 탄성 계수는 ​​샘플의 상위 100 nm 내에서 2-3 kPa 범위에 있으며, 그 이상에서는 깊이에 따라 증가하기 시작합니다.반면, 표면에 브러시형 필름이 없는 SiHy 베이스 기판을 테스트할 경우 300pN의 힘에서 달성된 최대 압입 깊이는 50nm 미만이며, 데이터에서 얻은 모듈러스 값은 약 400kPa입니다. 이는 벌크 재료의 영률 값과 유사합니다.
모듈러스를 측정하기 위해 원뿔구 형상을 갖춘 AFM 나노인덴테이션 방법을 사용하는 lehfilcon A CL 및 SiHy 기판의 겉보기 접촉 모듈러스(kPa) 대 압입 깊이(nm).
새로운 생체 ​​모방 분지 폴리머 브러시 구조의 최상부 표면은 매우 낮은 탄성 계수(2~3kPa)를 나타냅니다.이는 STEM 이미지에 표시된 것처럼 갈래형 폴리머 브러시의 자유롭게 매달린 끝과 일치합니다.CL의 외부 가장자리에 모듈러스 구배에 대한 일부 증거가 있지만 주요 높은 모듈러스 기판이 더 영향력이 있습니다.그러나 표면의 상단 100 nm는 가지형 폴리머 브러시 전체 길이의 20% 이내이므로 이 압입 깊이 범위에서 측정된 계수 값이 상대적으로 정확하고 강하지 않다고 가정하는 것이 합리적입니다. 하단 개체의 효과에 따라 달라집니다.
SiHy 기판 표면에 접목된 분지형 PMPC 폴리머 브러시 구조로 구성된 레필콘 A 콘택트 렌즈의 독특한 생체 모방 디자인으로 인해 전통적인 측정 방법을 사용하여 표면 구조의 기계적 특성을 안정적으로 특성화하는 것은 매우 어렵습니다.여기에서는 수분 함량이 높고 탄성이 매우 높은 lefilcon A와 같은 매우 부드러운 재료를 정확하게 특성화하기 위한 고급 AFM 나노압입 방법을 제시합니다.이 방법은 각인할 매우 부드러운 표면 특징의 구조적 치수와 일치하도록 팁 크기와 형상을 신중하게 선택한 AFM 프로브의 사용을 기반으로 합니다.프로브와 구조 사이의 이러한 치수 조합은 감도를 높여 공극탄성 효과에 관계없이 가지형 폴리머 브러시 요소의 낮은 모듈러스와 고유 탄성 특성을 측정할 수 있게 해줍니다.결과는 렌즈 표면의 고유한 분지형 PMPC 폴리머 브러시 특성이 수성 환경에서 테스트했을 때 매우 낮은 탄성 계수(최대 2kPa)와 매우 높은 탄성(거의 100%)을 갖는 것으로 나타났습니다.AFM 나노압입의 결과를 통해 생체모방 렌즈 표면의 겉보기 접촉 계수/깊이 구배(30kPa/200nm)를 특성화할 수도 있습니다.이러한 구배는 분지형 폴리머 브러시와 SiHy 기판 사이의 모듈러스 차이, 폴리머 브러시의 분지형 구조/밀도, 또는 이들의 조합으로 인한 것일 수 있습니다.그러나 구조와 특성 사이의 관계, 특히 브러시 분기가 기계적 특성에 미치는 영향을 완전히 이해하려면 더 심층적인 연구가 필요합니다.유사한 측정을 통해 기타 매우 부드러운 소재 및 의료 기기 표면의 기계적 특성을 특성화할 수 있습니다.
현재 연구 중에 생성 및/또는 분석된 데이터세트는 합당한 요청이 있을 경우 해당 저자에게 제공됩니다.
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