Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद.तुम्ही मर्यादित CSS समर्थनासह ब्राउझर आवृत्ती वापरत आहात.सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये सुसंगतता मोड अक्षम करा).याव्यतिरिक्त, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही शैली आणि JavaScript शिवाय साइट दर्शवतो.
एकाच वेळी तीन स्लाइड्सचे कॅरोसेल प्रदर्शित करते.एका वेळी तीन स्लाइड्समधून जाण्यासाठी मागील आणि पुढील बटणे वापरा किंवा एका वेळी तीन स्लाइड्समधून जाण्यासाठी शेवटी स्लाइडर बटणे वापरा.
वैद्यकीय उपकरणे आणि बायोमेडिकल ऍप्लिकेशन्ससाठी नवीन अल्ट्रा-सॉफ्ट मटेरियलच्या विकासासह, त्यांच्या भौतिक आणि यांत्रिक गुणधर्मांचे सर्वसमावेशक वैशिष्ट्यीकरण महत्त्वाचे आणि आव्हानात्मक आहे.नवीन लेहफिलकॉन ए बायोमिमेटिक सिलिकॉन हायड्रोजेल कॉन्टॅक्ट लेन्स ब्रँच्ड पॉलिमर ब्रश स्ट्रक्चर्सच्या लेयरसह लेपित केलेल्या अत्यंत कमी पृष्ठभागाच्या मॉड्यूलसचे वैशिष्ट्य करण्यासाठी सुधारित अणु शक्ती मायक्रोस्कोपी (AFM) नॅनोइंडेंटेशन तंत्र लागू केले गेले.ही पद्धत ब्रँच केलेल्या पॉलिमरच्या जवळ जाताना चिकट एक्सट्रूजनच्या प्रभावाशिवाय संपर्क बिंदूंचे अचूक निर्धारण करण्यास अनुमती देते.याव्यतिरिक्त, poroelasticity प्रभावाशिवाय वैयक्तिक ब्रश घटकांची यांत्रिक वैशिष्ट्ये निर्धारित करणे शक्य करते.हे डिझाइन (टिप आकार, भूमिती आणि स्प्रिंग रेट) सह AFM प्रोब निवडून प्राप्त केले जाते जे विशेषतः मऊ पदार्थांचे गुणधर्म आणि जैविक नमुने मोजण्यासाठी योग्य आहे.ही पद्धत अत्यंत मऊ मटेरियल लेहफिलकॉन ए च्या अचूक मापनासाठी संवेदनशीलता आणि अचूकता सुधारते, ज्यामध्ये पृष्ठभागाच्या क्षेत्रफळावर (2 kPa पर्यंत) अत्यंत कमी लवचिकता असते आणि अंतर्गत (जवळजवळ 100%) जलीय वातावरणात अत्यंत उच्च लवचिकता असते. .पृष्ठभागाच्या अभ्यासाच्या परिणामांवरून केवळ लेहफिलकॉन ए लेन्सच्या अति-मऊ पृष्ठभागाचे गुणधर्मच प्रकट झाले नाहीत, तर ब्रँचेड पॉलिमर ब्रशेसचे मॉड्यूलस सिलिकॉन-हायड्रोजन सब्सट्रेटशी तुलना करता येण्याजोगे असल्याचे देखील दिसून आले.हे पृष्ठभाग वैशिष्ट्यीकरण तंत्र इतर अल्ट्रा-सॉफ्ट मटेरियल आणि वैद्यकीय उपकरणांवर लागू केले जाऊ शकते.
जिवंत ऊतींशी थेट संपर्क साधण्यासाठी डिझाइन केलेल्या सामग्रीचे यांत्रिक गुणधर्म बहुतेकदा जैविक वातावरणाद्वारे निर्धारित केले जातात.या भौतिक गुणधर्मांची परिपूर्ण जुळणी 1,2,3 प्रतिकूल सेल्युलर प्रतिसादांना कारणीभूत न होता सामग्रीची इच्छित क्लिनिकल वैशिष्ट्ये प्राप्त करण्यास मदत करते.मोठ्या प्रमाणात एकसंध सामग्रीसाठी, मानक प्रक्रिया आणि चाचणी पद्धतींच्या उपलब्धतेमुळे यांत्रिक गुणधर्मांचे वैशिष्ट्यीकरण तुलनेने सोपे आहे (उदा. मायक्रोइंडेंटेशन4,5,6).तथापि, अल्ट्रा-सॉफ्ट मटेरियल जसे की जेल, हायड्रोजेल, बायोपॉलिमर, जिवंत पेशी इ., या चाचणी पद्धती सामान्यत: मापन रिझोल्यूशन मर्यादांमुळे आणि काही सामग्रीच्या एकसमानतेमुळे लागू होत नाहीत.वर्षानुवर्षे, पारंपारिक इंडेंटेशन पद्धती सुधारित केल्या गेल्या आहेत आणि मऊ सामग्रीच्या विस्तृत श्रेणीचे वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी रुपांतरित केले गेले आहेत, परंतु बऱ्याच पद्धती अजूनही गंभीर कमतरतांनी ग्रस्त आहेत ज्यामुळे त्यांचा वापर मर्यादित होतो 8,9,10,11,12,13.सुपरसॉफ्ट मटेरियल आणि पृष्ठभागाच्या थरांच्या यांत्रिक गुणधर्मांचे अचूक आणि विश्वासार्हपणे वर्णन करू शकणाऱ्या विशेष चाचणी पद्धतींचा अभाव विविध अनुप्रयोगांमध्ये त्यांचा वापर गंभीरपणे मर्यादित करतो.
आमच्या मागील कामात, आम्ही लेहफिलकॉन A (CL) कॉन्टॅक्ट लेन्स, डोळ्याच्या कॉर्नियाच्या पृष्ठभागाद्वारे प्रेरित संभाव्य बायोमिमेटिक रचनांमधून प्राप्त केलेल्या सर्व अल्ट्रा-सॉफ्ट पृष्ठभाग गुणधर्मांसह एक मऊ विषम सामग्री सादर केली.हे बायोमटेरिअल वैद्यकीय उपकरणांसाठी तयार केलेल्या सिलिकॉन हायड्रोजेल (SiHy) 15 वर पॉली(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) च्या ब्रँच्ड, क्रॉस-लिंक्ड पॉलिमर लेयरचे कलम करून विकसित केले गेले.या ग्राफ्टिंग प्रक्रियेमुळे पृष्ठभागावर एक थर तयार होतो ज्यामध्ये अतिशय मऊ आणि अत्यंत लवचिक ब्रँचेड पॉलिमरिक ब्रशची रचना असते.आमच्या मागील कामाने पुष्टी केली आहे की लेहफिलकॉन A CL ची बायोमिमेटिक रचना पृष्ठभागावरील उत्कृष्ट गुणधर्म प्रदान करते जसे की सुधारित ओले आणि दूषित प्रतिबंध, वाढलेली स्नेहकता आणि कमी सेल आणि बॅक्टेरियाचे आसंजन 15,16.याव्यतिरिक्त, या बायोमिमेटिक सामग्रीचा वापर आणि विकास इतर बायोमेडिकल उपकरणांमध्ये आणखी विस्तार करण्यास सूचित करतो.म्हणूनच, भविष्यातील घडामोडी आणि अनुप्रयोगांना समर्थन देण्यासाठी सर्वसमावेशक ज्ञान आधार तयार करण्यासाठी या अल्ट्रा-सॉफ्ट मटेरियलच्या पृष्ठभागाच्या गुणधर्मांचे वैशिष्ट्यीकृत करणे आणि डोळ्यांसह त्याचा यांत्रिक परस्परसंवाद समजून घेणे महत्वाचे आहे.बहुतेक व्यावसायिकरित्या उपलब्ध SiHy कॉन्टॅक्ट लेन्स हे हायड्रोफिलिक आणि हायड्रोफोबिक पॉलिमरच्या एकसंध मिश्रणाने बनलेले असतात जे एकसमान सामग्री संरचना बनवतात.पारंपारिक कॉम्प्रेशन, तन्य आणि मायक्रोइंडेंटेशन चाचणी पद्धती 18,19,20,21 वापरून त्यांच्या यांत्रिक गुणधर्मांची तपासणी करण्यासाठी अनेक अभ्यास केले गेले आहेत.तथापि, lehfilcon A CL ची कादंबरी बायोमिमेटिक रचना ही एक अद्वितीय विषम सामग्री बनवते ज्यामध्ये ब्रँचेड पॉलिमर ब्रश संरचनांचे यांत्रिक गुणधर्म SiHy बेस सब्सट्रेटपेक्षा लक्षणीय भिन्न आहेत.म्हणून, पारंपारिक आणि इंडेंटेशन पद्धती वापरून या गुणधर्मांचे अचूक परिमाण करणे फार कठीण आहे.एक आशादायक पद्धत अणु शक्ती मायक्रोस्कोपी (AFM) मध्ये लागू केलेल्या नॅनोइंडेंटेशन चाचणी पद्धतीचा वापर करते, ही पद्धत जी जैविक पेशी आणि ऊतकांसारख्या मऊ व्हिस्कोइलास्टिक सामग्रीचे यांत्रिक गुणधर्म निर्धारित करण्यासाठी वापरली जाते, तसेच सॉफ्ट पॉलिमर 22,23,24,25 .26,27,28,29,30.AFM nanoindentation मध्ये, nanoindentation चाचणीची मूलभूत तत्त्वे AFM तंत्रज्ञानातील नवीनतम प्रगतीसह एकत्रित केली जातात ज्यामुळे वाढीव मापन संवेदनशीलता आणि अंतर्निहित सुपरसॉफ्ट सामग्रीच्या विस्तृत श्रेणीची चाचणी प्रदान केली जाते31,32,33,34,35,36.याव्यतिरिक्त, तंत्रज्ञान विविध भूमितींच्या वापराद्वारे इतर महत्त्वपूर्ण फायदे देते.इंडेंटर आणि प्रोब आणि विविध द्रव माध्यमांमध्ये चाचणीची शक्यता.
AFM nanoindentation सशर्त तीन मुख्य घटकांमध्ये विभागले जाऊ शकते: (1) उपकरणे (सेन्सर्स, डिटेक्टर, प्रोब इ.);(२) मापन मापदंड (जसे की बल, विस्थापन, वेग, उताराचा आकार इ.);(3) डेटा प्रोसेसिंग (बेसलाइन सुधारणा, टच पॉइंट अंदाज, डेटा फिटिंग, मॉडेलिंग इ.).या पद्धतीतील एक महत्त्वाची समस्या अशी आहे की AFM नॅनोइंडेंटेशन वापरून साहित्यातील अनेक अभ्यास समान नमुना/सेल/साहित्य प्रकार37,38,39,40,41 साठी खूप भिन्न परिमाणात्मक परिणाम नोंदवतात.उदाहरणार्थ, Lekka et al.यांत्रिकरित्या एकसंध हायड्रोजेल आणि विषम पेशींच्या नमुन्यांच्या मोजलेल्या यंगच्या मॉड्यूलसवर एएफएम प्रोब भूमितीचा प्रभाव अभ्यासला गेला आणि त्याची तुलना केली गेली.ते नोंदवतात की मॉड्यूलस मूल्ये कॅन्टीलिव्हर निवड आणि टीप आकारावर जास्त अवलंबून असतात, पिरॅमिड-आकाराच्या प्रोबसाठी सर्वात जास्त मूल्य आणि गोलाकार तपासणीसाठी सर्वात कमी मूल्य 42 असते.त्याचप्रमाणे, सेल्हुबेर-अंकेल इ.इंडेंटरचा वेग, इंडेंटरचा आकार आणि पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) नमुन्यांची जाडी ACM43 नॅनोइंडेंटेशनद्वारे मोजलेल्या यंगच्या मॉड्यूलसवर कसा परिणाम करते हे दाखवण्यात आले आहे.आणखी एक गुंतागुंतीचा घटक म्हणजे मानक अत्यंत कमी मॉड्यूलस चाचणी सामग्री आणि विनामूल्य चाचणी प्रक्रियेचा अभाव.यामुळे आत्मविश्वासाने अचूक परिणाम मिळणे खूप कठीण होते.तथापि, समान नमुना प्रकारांमधील सापेक्ष मोजमाप आणि तुलनात्मक मूल्यमापनासाठी ही पद्धत अतिशय उपयुक्त आहे, उदाहरणार्थ AFM नॅनोइंडेंटेशन वापरून कर्करोगाच्या पेशी 44, 45 पासून सामान्य पेशी वेगळे करणे.
एएफएम नॅनोइंडेंटेशनसह मऊ सामग्रीची चाचणी करताना, सामान्य नियम म्हणजे कमी स्प्रिंग स्थिरांक (के) सह प्रोब वापरणे जे नमुना मॉड्यूलस आणि गोलार्ध/गोलाकार टीपशी जवळून जुळते जेणेकरून प्रथम तपासणी नमुना पृष्ठभागांना छेदू नये. मऊ पदार्थांशी प्रथम संपर्क.हे देखील महत्त्वाचे आहे की प्रोबद्वारे व्युत्पन्न केलेले विक्षेपण सिग्नल लेसर डिटेक्टर सिस्टम 24,34,46,47 द्वारे शोधले जाण्यासाठी पुरेसे मजबूत असणे आवश्यक आहे.अल्ट्रा-सॉफ्ट विषम पेशी, ऊतक आणि जेलच्या बाबतीत, पुनरुत्पादक आणि विश्वासार्ह मोजमाप 48,49,50 सुनिश्चित करण्यासाठी प्रोब आणि नमुना पृष्ठभाग यांच्यातील चिकट शक्तीवर मात करणे हे आणखी एक आव्हान आहे.अलीकडे पर्यंत, AFM nanoindentation वरील बहुतेक कामांमध्ये तुलनेने मोठ्या गोलाकार प्रोबचा वापर करून जैविक पेशी, ऊती, जेल, हायड्रोजेल आणि बायोमोलेक्यूल्सच्या यांत्रिक वर्तनाच्या अभ्यासावर लक्ष केंद्रित केले गेले आहे, ज्याला सामान्यतः कोलाइडल प्रोब (CPs) म्हणून संबोधले जाते., 47, 51, 52, 53, 54, 55. या टिपांची त्रिज्या 1 ते 50 µm आहे आणि सामान्यतः बोरोसिलिकेट ग्लास, पॉलिमिथाइल मेथाक्रिलेट (PMMA), पॉलिस्टीरिन (PS), सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO2) आणि डायमंड-पासून बनविलेले असतात. कार्बन (DLC) प्रमाणे.जरी CP-AFM नॅनोइंडेंटेशन बहुतेकदा सॉफ्ट सॅम्पल कॅरेक्टरायझेशनसाठी पहिली पसंती असली तरी, त्याच्या स्वतःच्या समस्या आणि मर्यादा आहेत.मोठ्या, मायक्रॉन-आकाराच्या गोलाकार टिपांचा वापर नमुन्यासह टीपचे एकूण संपर्क क्षेत्र वाढवते आणि परिणामी स्थानिक रिझोल्यूशनचे लक्षणीय नुकसान होते.मऊ, एकसंध नमुन्यांसाठी, जेथे स्थानिक घटकांचे यांत्रिक गुणधर्म विस्तीर्ण क्षेत्रावरील सरासरीपेक्षा लक्षणीय भिन्न असू शकतात, CP इंडेंटेशन स्थानिक स्केल 52 वर गुणधर्मांमधील कोणतीही असमानता लपवू शकते.कोलोइडल प्रोब सामान्यत: इपॉक्सी ॲडेसिव्ह वापरून टिपलेस कॅन्टिलिव्हर्सना मायक्रोन-आकाराचे कोलाइडल गोलाकार जोडून बनवले जातात.उत्पादन प्रक्रिया स्वतःच अनेक समस्यांनी भरलेली असते आणि त्यामुळे प्रोब कॅलिब्रेशन प्रक्रियेत विसंगती येऊ शकते.याव्यतिरिक्त, कोलाइडल कणांचा आकार आणि वस्तुमान थेट कँटिलेव्हरच्या मुख्य कॅलिब्रेशन पॅरामीटर्सवर परिणाम करतात, जसे की रेझोनंट फ्रिक्वेंसी, स्प्रिंग कडकपणा आणि विक्षेपण संवेदनशीलता56,57,58.अशा प्रकारे, पारंपारिक AFM प्रोबसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या पद्धती, जसे की तापमान कॅलिब्रेशन, कदाचित CP साठी अचूक कॅलिब्रेशन प्रदान करू शकत नाहीत आणि या दुरुस्त्या करण्यासाठी इतर पद्धतींची आवश्यकता असू शकते. मऊ नमुन्यांच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करा, जे तुलनेने मोठ्या विचलनावर कॅन्टीलिव्हरचे नॉन-लिनियर वर्तन कॅलिब्रेट करताना आणखी एक समस्या निर्माण करते62,63,64.आधुनिक कोलाइडल प्रोब इंडेंटेशन पद्धती सामान्यत: प्रोब कॅलिब्रेट करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या कॅन्टीलिव्हरची भूमिती विचारात घेतात, परंतु कोलाइडल कणांच्या प्रभावाकडे दुर्लक्ष करतात, ज्यामुळे पद्धती 38,61 च्या अचूकतेमध्ये अतिरिक्त अनिश्चितता निर्माण होते.त्याचप्रमाणे, कॉन्टॅक्ट मॉडेल फिटिंगद्वारे गणना केलेली लवचिक मोड्युली थेट इंडेंटेशन प्रोबच्या भूमितीवर अवलंबून असतात आणि टीप आणि नमुना पृष्ठभागाच्या वैशिष्ट्यांमधील विसंगतीमुळे अयोग्यता होऊ शकते27, 65, 66, 67, 68. स्पेन्सर एट अल यांनी अलीकडील काही काम.CP-AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धत वापरून सॉफ्ट पॉलिमर ब्रशचे वैशिष्ट्यीकरण करताना विचारात घेतलेले घटक हायलाइट केले आहेत.त्यांनी नोंदवले की पॉलिमर ब्रशेसमध्ये स्निग्ध द्रवपदार्थ राखून ठेवल्याने हेड लोडिंगमध्ये वाढ होते आणि त्यामुळे वेगावर अवलंबून असलेल्या गुणधर्मांचे वेगवेगळे मापन 30,69,70,71 होते.
या अभ्यासात, आम्ही सुधारित AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धतीचा वापर करून अल्ट्रा-सॉफ्ट अत्यंत लवचिक सामग्री लेहफिलकॉन A CL चे पृष्ठभाग मॉड्यूलस वैशिष्ट्यीकृत केले आहे.या सामग्रीचे गुणधर्म आणि नवीन रचना पाहता, पारंपारिक इंडेंटेशन पद्धतीची संवेदनशीलता श्रेणी या अत्यंत मऊ सामग्रीचे मॉड्यूलस वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी स्पष्टपणे अपुरी आहे, म्हणून उच्च संवेदनशीलता आणि कमी संवेदनशीलतेसह AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धत वापरणे आवश्यक आहे.पातळीविद्यमान कोलोइडल AFM प्रोब नॅनोइंडेंटेशन तंत्रातील कमतरता आणि समस्यांचे पुनरावलोकन केल्यानंतर, आम्ही संवेदनशीलता, पार्श्वभूमी आवाज, संपर्काचा बिंदू, द्रव धारणा सारख्या मऊ विषम पदार्थांचे वेग मॉड्यूलस दूर करण्यासाठी एक लहान, सानुकूल-डिझाइन केलेला AFM प्रोब का निवडला हे आम्ही दाखवतो. अवलंबित्वआणि अचूक परिमाण.याव्यतिरिक्त, आम्ही इंडेंटेशन टीपचा आकार आणि परिमाणे अचूकपणे मोजू शकलो, ज्यामुळे आम्हाला सामग्रीसह टीपच्या संपर्क क्षेत्राचे मूल्यांकन न करता लवचिकतेचे मॉड्यूलस निर्धारित करण्यासाठी शंकू-गोलाकार फिट मॉडेल वापरण्याची परवानगी दिली.या कामात परिमाण ठरलेल्या दोन गर्भित गृहीतके म्हणजे पूर्णपणे लवचिक भौतिक गुणधर्म आणि इंडेंटेशन डेप्थ-स्वतंत्र मॉड्यूलस.या पद्धतीचा वापर करून, पद्धतीचे प्रमाण निश्चित करण्यासाठी आम्ही प्रथम अल्ट्रा-सॉफ्ट मानकांची चाचणी केली आणि नंतर दोन भिन्न कॉन्टॅक्ट लेन्स सामग्रीच्या पृष्ठभागाचे वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी ही पद्धत वापरली.वाढीव संवेदनशीलतेसह AFM नॅनोइंडेंटेशन पृष्ठभागांचे वैशिष्ट्यीकृत करण्याची ही पद्धत वैद्यकीय उपकरणे आणि बायोमेडिकल अनुप्रयोगांमध्ये संभाव्य वापरासह बायोमिमेटिक विषम अल्ट्रासॉफ्ट सामग्रीच्या विस्तृत श्रेणीवर लागू होण्याची अपेक्षा आहे.
लेहफिल्कॉन ए कॉन्टॅक्ट लेन्स (अल्कॉन, फोर्ट वर्थ, टेक्सास, यूएसए) आणि त्यांचे सिलिकॉन हायड्रोजेल सब्सट्रेट्स नॅनोइंडेंटेशन प्रयोगांसाठी निवडले गेले.प्रयोगात खास डिझाइन केलेले लेन्स माउंट वापरले गेले.चाचणीसाठी लेन्स स्थापित करण्यासाठी, ते काळजीपूर्वक घुमट-आकाराच्या स्टँडवर ठेवलेले होते, आतमध्ये हवेचे फुगे येणार नाहीत याची खात्री करून, आणि नंतर कडा सह निश्चित केले गेले.लेन्स होल्डरच्या शीर्षस्थानी असलेल्या फिक्स्चरमध्ये एक छिद्र द्रवपदार्थ ठेवताना नॅनोइंडेंटेशन प्रयोगांसाठी लेन्सच्या ऑप्टिकल सेंटरमध्ये प्रवेश प्रदान करते.हे लेन्स पूर्णपणे हायड्रेटेड ठेवते.500 μl कॉन्टॅक्ट लेन्स पॅकेजिंग सोल्यूशन चाचणी उपाय म्हणून वापरले गेले.परिमाणवाचक परिणामांची पडताळणी करण्यासाठी, व्यावसायिकरित्या उपलब्ध नॉन-एक्टिव्हेटेड पॉलीएक्रिलामाइड (पीएएएम) हायड्रोजेल पॉलिएक्रिलामाइड-को-मिथिलीन-बिसाक्रिलामाइड रचना (100 मिमी पेट्रीसॉफ्ट पेट्री डिशेस, मॅट्रिजेन, इर्विन, सीए, यूएसए), एक ज्ञात लवचिक मोड्यूलसपासून तयार केले गेले. kPaफॉस्फेट बफर सलाईनचे 4-5 थेंब (अंदाजे 125 μl) वापरा (कॉर्निंग लाइफ सायन्सेस, टेकस्बरी, MA, USA मधील PBS) आणि OPTI-FREE Puremoist contact lens solution (Alcon, Vaud, TX, USA) चा 1 थेंब वापरा.) AFM हायड्रोजेल-प्रोब इंटरफेसवर.
स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (STEM) डिटेक्टरसह सुसज्ज असलेल्या FEI क्वांटा 250 फील्ड एमिशन स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (FEG SEM) प्रणालीचा वापर करून Lehfilcon A CL आणि SiHy सबस्ट्रेट्सचे नमुने दृश्यमान करण्यात आले.नमुने तयार करण्यासाठी, लेन्स प्रथम पाण्याने धुऊन पाई-आकाराच्या वेजेसमध्ये कापल्या गेल्या.नमुन्यांमधील हायड्रोफिलिक आणि हायड्रोफोबिक घटकांमधील भिन्नता प्राप्त करण्यासाठी, RuO4 चे 0.10% स्थिर द्रावण रंग म्हणून वापरले गेले, ज्यामध्ये नमुने 30 मिनिटांसाठी बुडवले गेले.लेहफिलकॉन A CL RuO4 स्टेनिंग केवळ सुधारित भिन्नता कॉन्ट्रास्ट प्राप्त करण्यासाठीच नाही तर ब्रंच केलेल्या पॉलिमर ब्रशेसची रचना त्यांच्या मूळ स्वरूपात टिकवून ठेवण्यास देखील मदत करते, जे नंतर STEM प्रतिमांवर दृश्यमान होते.नंतर ते इथेनॉलच्या एकाग्रतेसह इथेनॉल/पाणी मिश्रणाच्या मालिकेत धुऊन निर्जलीकरण केले गेले.नंतर नमुने EMBed 812/Araldite epoxy ने टाकण्यात आले, जे 70°C वर रात्रभर बरे झाले.रेझिन पॉलिमरायझेशनद्वारे प्राप्त केलेले नमुना ब्लॉक्स अल्ट्रामायक्रोटोमने कापले गेले आणि परिणामी पातळ विभाग 30 केव्हीच्या प्रवेगक व्होल्टेजवर कमी व्हॅक्यूम मोडमध्ये STEM डिटेक्टरसह दृश्यमान केले गेले.PFQNM-LC-A-CAL AFM प्रोब (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) च्या तपशीलवार वैशिष्ट्यीकरणासाठी समान SEM प्रणाली वापरली गेली.AFM प्रोबच्या SEM प्रतिमा 30 kV च्या प्रवेगक व्होल्टेजसह विशिष्ट उच्च व्हॅक्यूम मोडमध्ये प्राप्त केल्या गेल्या.AFM प्रोब टिपच्या आकार आणि आकाराचे सर्व तपशील रेकॉर्ड करण्यासाठी वेगवेगळ्या कोनातून आणि मोठेपणाने प्रतिमा मिळवा.प्रतिमांमध्ये स्वारस्य असलेले सर्व टिप परिमाण डिजिटल पद्धतीने मोजले गेले.
“PeakForce QNM in Fluid” मोडसह डायमेंशन फास्टस्कॅन बायो आयकॉन अणुशक्ती सूक्ष्मदर्शक (ब्रुकर नॅनो, सांता बार्बरा, CA, USA) लेहफिलकॉन A CL, SiHy सब्सट्रेट आणि PAAm हायड्रोजेल नमुने दृश्यमान आणि नॅनोइंडेंटेट करण्यासाठी वापरला गेला.इमेजिंग प्रयोगांसाठी, 0.50 Hz च्या स्कॅन दराने नमुन्याच्या उच्च रिझोल्यूशन प्रतिमा कॅप्चर करण्यासाठी 1 nm च्या नाममात्र टीप त्रिज्यासह PEAKFORCE-HIRS-FA प्रोब (ब्रुकर) वापरण्यात आला.सर्व प्रतिमा जलीय द्रावणात घेण्यात आल्या.
AFM नॅनोइंडेंटेशन प्रयोग PFQNM-LC-A-CAL प्रोब (ब्रुकर) वापरून केले गेले.AFM प्रोबमध्ये 345 nm जाड, 54 µm लांब आणि 4.5 µm रुंद नायट्राइड कॅन्टीलिव्हरवर 45 kHz च्या रेझोनंट फ्रिक्वेंसीसह सिलिकॉन टीप आहे.हे विशेषतः मऊ जैविक नमुन्यांवर परिमाणवाचक नॅनोमेकॅनिकल मापन वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी आणि करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहे.सेन्सर फॅक्टरीमध्ये प्री-कॅलिब्रेटेड स्प्रिंग सेटिंग्जसह वैयक्तिकरित्या कॅलिब्रेट केले जातात.या अभ्यासात वापरलेल्या प्रोबचे स्प्रिंग कॉन्स्टंट्स 0.05–0.1 N/m च्या रेंजमध्ये होते.टीपचा आकार आणि आकार अचूकपणे निर्धारित करण्यासाठी, SEM वापरून तपासणीचे तपशीलवार वर्णन केले गेले.अंजीर वर.आकृती 1a PFQNM-LC-A-CAL प्रोबचे उच्च रिझोल्यूशन, कमी मॅग्निफिकेशन स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोग्राफ दाखवते, प्रोब डिझाइनचे समग्र दृश्य प्रदान करते.अंजीर वर.1b प्रोब टीपच्या वरचे मोठे दृश्य दाखवते, टीपचा आकार आणि आकार याबद्दल माहिती प्रदान करते.अत्यंत टोकाला, सुई सुमारे 140 एनएम व्यासाचा एक गोलार्ध आहे (चित्र 1c).याच्या खाली, टीप शंकूच्या आकारात बनते, अंदाजे 500 nm च्या मोजलेल्या लांबीपर्यंत पोहोचते.निमुळता भागाच्या बाहेर, टीप दंडगोलाकार आहे आणि 1.18 µm च्या एकूण टीप लांबीमध्ये संपते.हा प्रोब टीपचा मुख्य कार्यात्मक भाग आहे.याव्यतिरिक्त, 45 µm च्या टीप व्यासासह आणि 2 N/m च्या स्प्रिंग स्थिरांकासह एक मोठा गोलाकार पॉलिस्टीरिन (PS) प्रोब (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) देखील कोलाइडल प्रोब म्हणून चाचणीसाठी वापरला गेला.तुलनेसाठी PFQNM-LC-A-CAL 140 nm प्रोबसह.
असे नोंदवले गेले आहे की नॅनोइंडेंटेशन दरम्यान AFM प्रोब आणि पॉलिमर ब्रश स्ट्रक्चरमध्ये द्रव अडकला जाऊ शकतो, जे AFM प्रोबला पृष्ठभागाला स्पर्श करण्यापूर्वी वरच्या बाजूस बल लावेल69.द्रवपदार्थ टिकून राहिल्यामुळे हा चिकट एक्सट्रूजन प्रभाव संपर्काचा स्पष्ट बिंदू बदलू शकतो, ज्यामुळे पृष्ठभागाच्या मापांकांवर परिणाम होतो.द्रव धारणावर प्रोब भूमिती आणि इंडेंटेशन गतीच्या प्रभावाचा अभ्यास करण्यासाठी, 1 µm/s आणि 2 µm/s च्या स्थिर विस्थापन दरांवर 140 nm व्यासाचा प्रोब वापरून लेहफिलकॉन A CL नमुन्यांसाठी इंडेंटेशन फोर्स वक्र तयार केले गेले.प्रोब व्यास 45 µm, स्थिर बल सेटिंग 6 nN 1 µm/s वर गाठले.140 nm व्यासाचे प्रोब असलेले प्रयोग 1 µm/s च्या इंडेंटेशन गतीने आणि 300 pN च्या सेट फोर्सने केले गेले, वरच्या पापणीच्या शारीरिक श्रेणी (1–8 kPa) मध्ये संपर्क दाब निर्माण करण्यासाठी निवडले गेले.दबाव 72. 1 kPa च्या दाबासह PAA हायड्रोजेलचे मऊ तयार नमुने 140 nm व्यासासह प्रोब वापरून 1 μm/s वेगाने 50 pN च्या इंडेंटेशन फोर्ससाठी तपासले गेले.
PFQNM-LC-A-CAL प्रोबच्या टोकाच्या शंकूच्या आकाराच्या भागाची लांबी अंदाजे 500 nm आहे, कोणत्याही इंडेंटेशन खोली < 500 nm साठी हे सुरक्षितपणे गृहीत धरले जाऊ शकते की इंडेंटेशन दरम्यान प्रोबची भूमिती त्याच्याशी खरी राहील. शंकू आकार.याव्यतिरिक्त, असे गृहीत धरले जाते की चाचणी अंतर्गत सामग्रीची पृष्ठभाग उलट करता येण्याजोगा लवचिक प्रतिसाद प्रदर्शित करेल, ज्याची पुष्टी पुढील विभागांमध्ये देखील केली जाईल.म्हणून, टीपच्या आकार आणि आकारावर अवलंबून, आम्ही आमच्या AFM नॅनोइंडेंटेशन प्रयोगांवर प्रक्रिया करण्यासाठी ब्रिस्को, सेबॅस्टियन आणि ॲडम्स यांनी विकसित केलेले कोन-स्फेअर फिटिंग मॉडेल निवडले, जे विक्रेत्याच्या सॉफ्टवेअरमध्ये उपलब्ध आहे (नॅनोस्कोप).सेपरेशन डेटा ॲनालिसिस सॉफ्टवेअर, ब्रुकर) 73. मॉडेल गोलाकार शिखर दोष असलेल्या शंकूसाठी फोर्स-डिस्प्लेसमेंट रिलेशनशिप F(δ) चे वर्णन करते.अंजीर वर.आकृती 2 गोलाकार टोकासह कठोर शंकूच्या परस्परसंवादादरम्यान संपर्क भूमिती दर्शविते, जेथे R ही गोलाकार टोकाची त्रिज्या आहे, a ही संपर्क त्रिज्या आहे, b ही गोलाकार टोकाच्या शेवटी संपर्क त्रिज्या आहे, δ आहे संपर्क त्रिज्या.इंडेंटेशन डेप्थ, θ हा शंकूचा अर्धा कोन आहे.या प्रोबची SEM प्रतिमा स्पष्टपणे दर्शवते की 140 nm व्यासाची गोलाकार टीप स्पर्शिकरित्या शंकूमध्ये विलीन होते, म्हणून येथे b ची व्याख्या केवळ R द्वारे केली जाते, म्हणजे b = R cos θ.विक्रेत्याने पुरवलेले सॉफ्टवेअर अ > b गृहीत धरून फोर्स सेपरेशन डेटामधून यंगच्या मॉड्यूलस (E) मूल्यांची गणना करण्यासाठी शंकू-गोलाकार संबंध प्रदान करते.नाते:
जेथे F हे इंडेंटेशन बल आहे, E हे यंगचे मापांक आहे, ν हे पॉसॉनचे गुणोत्तर आहे.संपर्क त्रिज्या a चा वापर करून अंदाज लावला जाऊ शकतो:
ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशेसच्या पृष्ठभागाच्या थरासह लेफिलकॉन कॉन्टॅक्ट लेन्सच्या सामग्रीमध्ये दाबलेल्या गोलाकार टीपसह कठोर शंकूच्या संपर्क भूमितीची योजना.
जर a ≤ b असेल, तर संबंध पारंपारिक गोलाकार इंडेंटरच्या समीकरणात कमी होतो;
आमचा विश्वास आहे की PMPC पॉलिमर ब्रशच्या ब्रँच्ड स्ट्रक्चरसह इंडेंटिंग प्रोबच्या परस्परसंवादामुळे संपर्क त्रिज्या a गोलाकार संपर्क त्रिज्या b पेक्षा जास्त होईल.म्हणून, या अभ्यासात केलेल्या लवचिक मॉड्यूलसच्या सर्व परिमाणात्मक मोजमापांसाठी, आम्ही केस a > b साठी प्राप्त केलेले अवलंबन वापरले.
या अभ्यासात अभ्यास केलेल्या अल्ट्रासॉफ्ट बायोमिमेटिक सामग्रीची नमुना क्रॉस सेक्शनची स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (STEM) आणि पृष्ठभागाची अणुशक्ती मायक्रोस्कोपी (AFM) वापरून सर्वसमावेशकपणे प्रतिमा काढण्यात आली.हे तपशीलवार पृष्ठभाग वैशिष्ट्यीकरण आमच्या पूर्वी प्रकाशित केलेल्या कार्याचा विस्तार म्हणून केले गेले होते, ज्यामध्ये आम्ही निर्धारित केले आहे की PMPC-सुधारित लेहफिलकॉन A CL पृष्ठभागाच्या डायनॅमिकली ब्रँच्ड पॉलिमरिक ब्रश स्ट्रक्चरने मूळ कॉर्नियल टिश्यू 14 प्रमाणेच यांत्रिक गुणधर्म प्रदर्शित केले आहेत.या कारणास्तव, आम्ही कॉन्टॅक्ट लेन्सच्या पृष्ठभागांना बायोमिमेटिक सामग्री 14 म्हणून संबोधतो.अंजीर वर.3a,b अनुक्रमे लेहफिलकॉन A CL सब्सट्रेट आणि उपचार न केलेल्या SiHy सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर ब्रँच केलेल्या PMPC पॉलिमर ब्रश स्ट्रक्चर्सचे क्रॉस सेक्शन दाखवतात.उच्च-रिझोल्यूशन AFM प्रतिमा वापरून दोन्ही नमुन्यांच्या पृष्ठभागाचे विश्लेषण केले गेले, ज्याने STEM विश्लेषणाच्या परिणामांची पुष्टी केली (चित्र 3c, d).एकत्रितपणे घेतलेल्या, या प्रतिमा 300-400 nm वर PMPC ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या संरचनेची अंदाजे लांबी देतात, जी AFM नॅनोइंडेंटेशन मापनांचा अर्थ लावण्यासाठी महत्त्वपूर्ण आहे.प्रतिमांमधून मिळालेले आणखी एक महत्त्वाचे निरीक्षण म्हणजे सीएल बायोमिमेटिक मटेरियलची संपूर्ण पृष्ठभागाची रचना SiHy सब्सट्रेट मटेरियलपेक्षा आकारशास्त्रीयदृष्ट्या वेगळी आहे.त्यांच्या पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञानातील हा फरक त्यांच्या इंडेंटिंग AFM प्रोबसह यांत्रिक परस्परसंवाद दरम्यान आणि त्यानंतर मोजलेल्या मॉड्यूलस मूल्यांमध्ये स्पष्ट होऊ शकतो.
(a) lehfilcon A CL आणि (b) SiHy सब्सट्रेटच्या क्रॉस-सेक्शनल STEM प्रतिमा.स्केल बार, 500 एनएम.लेहफिल्कॉन A CL सब्सट्रेट (c) आणि बेस SiHy सब्सट्रेट (d) (3 µm × 3 µm) च्या पृष्ठभागाच्या AFM प्रतिमा.
बायोइन्स्पायर्ड पॉलिमर आणि पॉलिमर ब्रश स्ट्रक्चर्स मूळतः मऊ असतात आणि विविध बायोमेडिकल ऍप्लिकेशन्समध्ये त्यांचा मोठ्या प्रमाणावर अभ्यास आणि वापर केला गेला आहे74,75,76,77.म्हणून, AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धत वापरणे महत्वाचे आहे, जे त्यांचे यांत्रिक गुणधर्म अचूक आणि विश्वासार्हपणे मोजू शकते.परंतु त्याच वेळी, अत्यंत कमी लवचिक मॉड्यूलस, उच्च द्रव सामग्री आणि उच्च लवचिकता या अति-मऊ पदार्थांचे अद्वितीय गुणधर्म, इंडेंटिंग प्रोबची योग्य सामग्री, आकार आणि आकार निवडणे अनेकदा कठीण करतात.आकारहे महत्वाचे आहे जेणेकरून इंडेंटर नमुन्याच्या मऊ पृष्ठभागाला छेदत नाही, ज्यामुळे पृष्ठभागाशी संपर्काचा बिंदू आणि संपर्काचे क्षेत्र निश्चित करण्यात त्रुटी येऊ शकतात.
यासाठी अल्ट्रा-सॉफ्ट बायोमिमेटिक मटेरियल (लेहफिलकॉन ए सीएल) च्या आकारविज्ञानाची सर्वसमावेशक समज आवश्यक आहे.इमेजिंग पद्धतीचा वापर करून प्राप्त केलेल्या ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या आकार आणि संरचनेबद्दलची माहिती AFM नॅनोइंडेंटेशन तंत्र वापरून पृष्ठभागाच्या यांत्रिक वैशिष्ट्यासाठी आधार प्रदान करते.मायक्रॉन-आकाराच्या गोलाकार कोलाइडल प्रोबऐवजी, आम्ही 140 nm च्या टीप व्यासासह PFQNM-LC-A-CAL सिलिकॉन नायट्राइड प्रोब (ब्रुकर) निवडले, जे विशेषत: जैविक नमुने 78, 79, 78, 79 च्या यांत्रिक गुणधर्मांच्या परिमाणात्मक मॅपिंगसाठी डिझाइन केलेले आहे. , 81, 82, 83, 84 पारंपारिक कोलोइडल प्रोबच्या तुलनेत तुलनेने तीक्ष्ण प्रोब वापरण्याचे तर्क सामग्रीच्या संरचनात्मक वैशिष्ट्यांद्वारे स्पष्ट केले जाऊ शकतात.आकृती 3a मध्ये दर्शविलेल्या सीएल लेहफिलकॉन A च्या पृष्ठभागावरील ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशेसच्या प्रोब टीपच्या आकाराची (~140 nm) तुलना केल्यास, असा निष्कर्ष काढला जाऊ शकतो की टीप या ब्रश संरचनांच्या थेट संपर्कात येण्याइतकी मोठी आहे. त्यांच्याद्वारे टिप छेदण्याची शक्यता कमी करते.हा मुद्दा स्पष्ट करण्यासाठी, अंजीर 4 मध्ये लेहफिलकॉन A CL ची STEM प्रतिमा आणि AFM प्रोबची इंडेंटिंग टीप आहे (स्केलवर काढलेली).
lehfilcon A CL आणि ACM इंडेंटेशन प्रोबची STEM प्रतिमा दर्शविणारी योजनाबद्ध (स्केलवर काढलेली).
याव्यतिरिक्त, CP-AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धती 69,71 द्वारे उत्पादित पॉलिमर ब्रशेससाठी यापूर्वी नोंदवलेल्या कोणत्याही चिकट एक्सट्रुजन इफेक्ट्सचा धोका टाळण्यासाठी 140 nm च्या टीपचा आकार इतका लहान आहे.आम्ही असे गृहीत धरतो की या AFM टिपच्या विशेष शंकू-गोलाकार आकारामुळे आणि तुलनेने लहान आकारामुळे (Fig. 1), lehfilcon A CL नॅनोइंडेंटेशनद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या बल वक्रचे स्वरूप इंडेंटेशन गती किंवा लोडिंग/अनलोडिंग गतीवर अवलंबून नाही. .त्यामुळे, पोरोइलास्टिक प्रभावाने प्रभावित होत नाही.या गृहीतकाची चाचणी करण्यासाठी, लेहफिल्कॉन A CL नमुने PFQNM-LC-A-CAL प्रोबचा वापर करून एका निश्चित कमाल बलावर इंडेंट केले गेले, परंतु दोन भिन्न वेगांवर, आणि परिणामी तन्य आणि मागे घेण्याच्या बल वक्रांचा वापर बल (nN) करण्यासाठी केला गेला. पृथक्करणात (µm) आकृती 5a मध्ये दाखवले आहे.हे स्पष्ट आहे की लोडिंग आणि अनलोडिंग दरम्यान फोर्स वक्र पूर्णपणे ओव्हरलॅप होतात आणि शून्य इंडेंटेशन खोलीवर फोर्स शीअर आकृतीमध्ये इंडेंटेशन गतीसह वाढते याचा कोणताही स्पष्ट पुरावा नाही, जे सूचित करते की वैयक्तिक ब्रश घटक पोरोइलेस्टिक प्रभावाशिवाय वैशिष्ट्यीकृत होते.याउलट, 45 µm व्यासाच्या AFM प्रोबसाठी समान इंडेंटेशन गतीने द्रव धारणा प्रभाव (चिकट बाहेर काढणे आणि पोरोइलेस्टिसिटी इफेक्ट्स) स्पष्ट आहेत आणि आकृती 5b मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, स्ट्रेच आणि रिट्रॅक्ट वक्र यांच्यातील हिस्टेरेसिसद्वारे हायलाइट केले जातात.हे परिणाम गृहीतकाचे समर्थन करतात आणि सूचित करतात की अशा मऊ पृष्ठभागांचे वैशिष्ट्य करण्यासाठी 140 nm व्यासाचे प्रोब हा एक चांगला पर्याय आहे.
lehfilcon A CL इंडेंटेशन फोर्स वक्र ACM वापरून;(a) दोन लोडिंग दरांवर 140 nm व्यासासह प्रोब वापरणे, पृष्ठभाग इंडेंटेशन दरम्यान पोरोइलेस्टिक प्रभावाची अनुपस्थिती दर्शविते;(b) 45 µm आणि 140 nm व्यासासह प्रोब वापरणे.s लहान प्रोबच्या तुलनेत मोठ्या प्रोबसाठी चिकट एक्सट्रूजन आणि पोरोइलास्टिकिटीचे परिणाम दर्शविते.
अल्ट्रासॉफ्ट पृष्ठभागांचे वैशिष्ट्य करण्यासाठी, AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धतींमध्ये अभ्यासाधीन सामग्रीच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी सर्वोत्तम तपासणी असणे आवश्यक आहे.टीपचा आकार आणि आकाराव्यतिरिक्त, AFM डिटेक्टर सिस्टमची संवेदनशीलता, चाचणी वातावरणात टिप विक्षेपणासाठी संवेदनशीलता आणि कॅन्टीलिव्हर कडकपणा नॅनोइंडेंटेशनची अचूकता आणि विश्वासार्हता निश्चित करण्यात महत्त्वाची भूमिका बजावतात.मोजमापआमच्या AFM प्रणालीसाठी, पोझिशन सेन्सिटिव्ह डिटेक्टर (PSD) शोधण्याची मर्यादा अंदाजे 0.5 mV आहे आणि ती पूर्व-कॅलिब्रेटेड स्प्रिंग रेट आणि PFQNM-LC-A-CAL प्रोबच्या गणना केलेल्या द्रव विक्षेपन संवेदनशीलतेवर आधारित आहे, जी सैद्धांतिक लोड संवेदनशीलता.0.1 pN पेक्षा कमी आहे.म्हणून, ही पद्धत कोणत्याही परिधीय आवाज घटकाशिवाय किमान इंडेंटेशन फोर्स ≤ 0.1 pN मोजण्याची परवानगी देते.तथापि, यांत्रिक कंपन आणि द्रव गतिशीलता यासारख्या घटकांमुळे या पातळीपर्यंत परिधीय आवाज कमी करणे AFM प्रणालीसाठी जवळजवळ अशक्य आहे.हे घटक AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धतीची एकूण संवेदनशीलता मर्यादित करतात आणि परिणामी अंदाजे ≤ 10 pN चे पार्श्वभूमी आवाज सिग्नल देखील होते.पृष्ठभागाच्या वैशिष्ट्यीकरणासाठी, लेहफिलकॉन A CL आणि SiHy सब्सट्रेट नमुने SEM कॅरेक्टरायझेशनसाठी 140 nm प्रोबचा वापर करून पूर्णपणे हायड्रेटेड स्थितीत इंडेंट केले गेले आणि परिणामी फोर्स वक्र बल (pN) आणि दाब यांच्यामध्ये सुपरइम्पोज केले गेले.विभक्त प्लॉट (µm) आकृती 6a मध्ये दर्शविला आहे.SiHy बेस सब्सट्रेटच्या तुलनेत, लेहफिलकॉन A CL फोर्स वक्र फोर्क केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या संपर्काच्या बिंदूपासून सुरू होणारा एक संक्रमणकालीन टप्पा स्पष्टपणे दर्शवितो आणि अंतर्निहित सामग्रीसह टीपच्या संपर्क चिन्हांकित उतारामध्ये तीव्र बदलासह समाप्त होतो.फोर्स कर्व्हचा हा संक्रमणकालीन भाग पृष्ठभागावरील ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या खरोखर लवचिक वर्तनावर प्रकाश टाकतो, जसे की ताण वक्र आणि ब्रश संरचना आणि मोठ्या SiHy सामग्रीमधील यांत्रिक गुणधर्मांमधील विरोधाभास कॉम्प्रेशन वक्र जवळून दिसून येते.लेफिलकॉनची तुलना करताना.PCS (Fig. 3a) च्या STEM प्रतिमेमध्ये ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या सरासरी लांबीचे पृथक्करण आणि अंजीर 3a मधील ऍब्सिसासह त्याच्या बल वक्र.6a दर्शविते की ही पद्धत पृष्ठभागाच्या अगदी वरच्या टोकापर्यंत पोचणारे टोक आणि ब्रँच केलेले पॉलिमर शोधण्यात सक्षम आहे.ब्रश संरचना दरम्यान संपर्क.याव्यतिरिक्त, बल वक्रांचे जवळचे ओव्हरलॅप कोणतेही द्रव धारणा प्रभाव दर्शवत नाही.या प्रकरणात, सुई आणि नमुन्याच्या पृष्ठभागामध्ये पूर्णपणे आसंजन नाही.दोन नमुन्यांसाठी बल वक्रांचे सर्वात वरचे भाग ओव्हरलॅप होतात, जे सब्सट्रेट सामग्रीच्या यांत्रिक गुणधर्मांची समानता दर्शवतात.
(a) लेहफिलकॉन A CL सब्सट्रेट्स आणि SiHy सब्सट्रेट्ससाठी AFM नॅनोइंडेंटेशन फोर्स वक्र, (b) पार्श्वभूमी आवाज थ्रेशोल्ड पद्धत वापरून संपर्क बिंदू अंदाज दर्शवणारे बल वक्र.
फोर्स वक्रच्या बारीकसारीक तपशिलांचा अभ्यास करण्यासाठी, लेहफिलकॉन A CL नमुन्याचा ताण वक्र अंजीर 6b मध्ये y-अक्षाच्या बाजूने जास्तीत जास्त 50 pN बलासह पुन्हा प्लॉट केला आहे.हा आलेख मूळ पार्श्वभूमीच्या आवाजाबद्दल महत्त्वाची माहिती देतो.आवाज ±10 pN च्या श्रेणीत आहे, जो संपर्क बिंदू अचूकपणे निर्धारित करण्यासाठी आणि इंडेंटेशन खोलीची गणना करण्यासाठी वापरला जातो.साहित्यात नोंदवल्याप्रमाणे, मॉड्युलस 85 सारख्या भौतिक गुणधर्मांचे अचूक मूल्यांकन करण्यासाठी संपर्क बिंदूंची ओळख महत्त्वपूर्ण आहे.फोर्स वक्र डेटाच्या स्वयंचलित प्रक्रियेचा समावेश असलेल्या दृष्टिकोनाने सॉफ्ट मटेरियल86 साठी डेटा फिटिंग आणि परिमाणवाचक मोजमाप यांच्यात एक सुधारित योग्यता दर्शविली आहे.या कामात, संपर्काच्या बिंदूंची आमची निवड तुलनेने सोपी आणि वस्तुनिष्ठ आहे, परंतु त्याला त्याच्या मर्यादा आहेत.संपर्काचा बिंदू निश्चित करण्यासाठी आमच्या पुराणमतवादी दृष्टिकोनामुळे लहान इंडेंटेशन खोली (<100 nm) साठी किंचित जास्त मोजलेले मॉड्यूलस मूल्य असू शकते.आमची पद्धत आणखी सुधारण्यासाठी अल्गोरिदम-आधारित टचपॉईंट डिटेक्शन आणि स्वयंचलित डेटा प्रोसेसिंगचा वापर भविष्यात हे कार्य चालू ठेवू शकते.अशा प्रकारे, ±10 pN च्या क्रमाने अंतर्गत पार्श्वभूमी आवाजासाठी, आम्ही आकृती 6b मधील x-अक्षावरील प्रथम डेटा पॉइंट म्हणून संपर्क बिंदू परिभाषित करतो ज्याचे मूल्य ≥10 pN आहे.त्यानंतर, 10 pN च्या आवाजाच्या थ्रेशोल्डनुसार, ~0.27 µm स्तरावरील अनुलंब रेषा पृष्ठभागाच्या संपर्काच्या बिंदूला चिन्हांकित करते, त्यानंतर स्ट्रेचिंग वक्र जोपर्यंत सब्सट्रेट ~270 nm ची इंडेंटेशन खोली पूर्ण करत नाही तोपर्यंत चालू राहते.विशेष म्हणजे, इमेजिंग पद्धतीचा वापर करून मोजलेल्या ब्रँच्ड पॉलिमर ब्रश वैशिष्ट्यांच्या (300-400 nm) आकाराच्या आधारे, CL lehfilcon ची इंडेंटेशन खोली पार्श्वभूमी आवाज थ्रेशोल्ड पद्धत वापरून पाहिल्या गेलेल्या नमुना सुमारे 270 nm आहे, जे अगदी जवळ आहे. STEM सह मोजमाप आकार.हे परिणाम या अतिशय मऊ आणि अत्यंत लवचिक ब्रँचेड पॉलिमर ब्रश स्ट्रक्चरच्या इंडेंटेशनसाठी AFM प्रोब टीपच्या आकार आणि आकाराची सुसंगतता आणि लागू होण्याची पुष्टी करतात.हा डेटा संपर्क बिंदू निश्चित करण्यासाठी थ्रेशोल्ड म्हणून पार्श्वभूमी आवाज वापरण्याच्या आमच्या पद्धतीचे समर्थन करण्यासाठी मजबूत पुरावा देखील प्रदान करतो.अशा प्रकारे, गणितीय मॉडेलिंग आणि फोर्स वक्र फिटिंगमधून प्राप्त झालेले कोणतेही परिमाणात्मक परिणाम तुलनेने अचूक असले पाहिजेत.
AFM nanoindentation पद्धतींद्वारे परिमाणवाचक मोजमाप डेटा निवड आणि त्यानंतरच्या विश्लेषणासाठी वापरल्या जाणाऱ्या गणितीय मॉडेल्सवर पूर्णपणे अवलंबून असतात.म्हणून, विशिष्ट मॉडेल निवडण्यापूर्वी इंडेंटर, भौतिक गुणधर्म आणि त्यांच्या परस्परसंवादाच्या यांत्रिकीशी संबंधित सर्व घटकांचा विचार करणे महत्वाचे आहे.या प्रकरणात, एसईएम मायक्रोग्राफ (चित्र 1) वापरून टीप भूमिती काळजीपूर्वक दर्शविली गेली आणि परिणामांवर आधारित, कठोर शंकू आणि गोलाकार टीप भूमितीसह 140 एनएम व्यासाचा AFM नॅनोइंडेंटिंग प्रोब लेहफिलकॉन A CL79 नमुने वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी एक चांगला पर्याय आहे. .आणखी एक महत्त्वाचा घटक ज्याचे काळजीपूर्वक मूल्यमापन करणे आवश्यक आहे ते म्हणजे चाचणी केली जात असलेल्या पॉलिमर सामग्रीची लवचिकता.नॅनोइंडेंटेशनचा प्रारंभिक डेटा (अंजीर 5a आणि 6a) स्पष्टपणे तणाव आणि कॉम्प्रेशन वक्रांच्या आच्छादित वैशिष्ट्यांची रूपरेषा दर्शवितो, म्हणजे सामग्रीची संपूर्ण लवचिक पुनर्प्राप्ती, संपर्कांच्या पूर्णपणे लवचिक स्वरूपाची पुष्टी करणे अत्यंत महत्वाचे आहे. .यासाठी, लेहफिलकॉन A CL नमुन्याच्या पृष्ठभागावर एकाच ठिकाणी 1 µm/s च्या इंडेंटेशन दराने संपूर्ण हायड्रेशन परिस्थितीत दोन सलग इंडेंटेशन केले गेले.परिणामी बल वक्र डेटा अंजीर मध्ये दर्शविला आहे.7 आणि, अपेक्षेप्रमाणे, दोन प्रिंट्सचा विस्तार आणि कम्प्रेशन वक्र जवळजवळ एकसारखे आहेत, ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या संरचनेची उच्च लवचिकता हायलाइट करतात.
लेहफिलकॉन A CL च्या पृष्ठभागावर एकाच ठिकाणी दोन इंडेंटेशन फोर्स वक्र लेन्सच्या पृष्ठभागाची आदर्श लवचिकता दर्शवतात.
प्रोब टीप आणि लेहफिलकॉन A CL पृष्ठभागाच्या SEM आणि STEM प्रतिमांमधून मिळालेल्या माहितीच्या आधारे, अनुक्रमे, शंकू-गोलाकार मॉडेल हे AFM प्रोब टीप आणि चाचणी केली जाणारी सॉफ्ट पॉलिमर सामग्री यांच्यातील परस्परसंवादाचे वाजवी गणितीय प्रतिनिधित्व आहे.या व्यतिरिक्त, या शंकू-गोलाकार मॉडेलसाठी, छापील सामग्रीच्या लवचिक गुणधर्मांबद्दल मूलभूत गृहीतके या नवीन बायोमिमेटिक सामग्रीसाठी खरी आहेत आणि लवचिक मॉड्यूलसचे प्रमाण निश्चित करण्यासाठी वापरली जातात.
एएफएम नॅनोइंडेंटेशन पद्धत आणि इंडेंटेशन प्रोब गुणधर्म (आकार, आकार आणि स्प्रिंग कडकपणा), संवेदनशीलता (पार्श्वभूमी आवाज आणि संपर्क बिंदू अंदाज), आणि डेटा फिटिंग मॉडेल्स (परिमाणवाचक मोड्यूलस मोजमाप) यासह त्यातील घटकांचे सर्वसमावेशक मूल्यांकन केल्यानंतर, पद्धत होती. वापरले.परिमाणवाचक परिणाम सत्यापित करण्यासाठी व्यावसायिकरित्या उपलब्ध अल्ट्रा-सॉफ्ट नमुने वैशिष्ट्यीकृत करा.1 kPa च्या लवचिक मॉड्यूलससह व्यावसायिक पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) हायड्रोजेलची 140 nm प्रोब वापरून हायड्रेटेड परिस्थितीत चाचणी केली गेली.मॉड्यूल चाचणी आणि गणनेचे तपशील पुरवणी माहितीमध्ये दिलेले आहेत.परिणामांनी दर्शविले की सरासरी मापांक 0.92 kPa मोजला गेला आणि ज्ञात मॉड्यूलसमधील %RSD आणि टक्केवारी (%) विचलन 10% पेक्षा कमी होते.हे परिणाम अल्ट्रासॉफ्ट मटेरियलची मोड्युली मोजण्यासाठी या कामात वापरल्या जाणाऱ्या AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धतीच्या अचूकतेची आणि पुनरुत्पादनाची पुष्टी करतात.लेहफिलकॉन A CL नमुने आणि SiHy बेस सब्सट्रेटचे पृष्ठभाग इंडेंटेशन डेप्थचे कार्य म्हणून अल्ट्रासॉफ्ट पृष्ठभागाच्या स्पष्ट संपर्क मॉड्यूलसचा अभ्यास करण्यासाठी समान AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धत वापरून वैशिष्ट्यीकृत केले गेले.इंडेंटेशन फोर्स सेपरेशन वक्र प्रत्येक प्रकारच्या तीन नमुन्यांसाठी (n = 3; प्रति नमुन्यासाठी एक इंडेंटेशन) 300 pN, 1 µm/s गती आणि पूर्ण हायड्रेशनवर व्युत्पन्न केले गेले.कोन-स्फेअर मॉडेल वापरून इंडेंटेशन फोर्स शेअरिंग वक्र अंदाजे केले गेले.इंडेंटेशन डेप्थवर अवलंबून असलेले मॉड्यूलस प्राप्त करण्यासाठी, फोर्स वक्रचा 40 एनएम रुंद भाग संपर्काच्या बिंदूपासून सुरू होणाऱ्या 20 एनएमच्या प्रत्येक वाढीवर सेट केला गेला आणि फोर्स वक्रच्या प्रत्येक चरणावर मॉड्यूलसची मूल्ये मोजली गेली.स्पिन Cy et al.कोलॉइडल AFM प्रोब नॅनोइंडेंटेशन वापरून पॉली(लॉरिल मेथाक्रिलेट) (P12MA) पॉलिमर ब्रशेसचे मॉड्यूलस ग्रेडियंट वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी समान दृष्टिकोन वापरला गेला आहे आणि ते हर्ट्झ संपर्क मॉडेल वापरून डेटाशी सुसंगत आहेत.हा दृष्टीकोन आकृती 8 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, उघड कॉन्टॅक्ट मॉड्यूलस (kPa) विरुद्ध इंडेंटेशन डेप्थ (nm) चा प्लॉट प्रदान करतो, जो स्पष्ट कॉन्टॅक्ट मॉड्यूलस/डेप्थ ग्रेडियंट स्पष्ट करतो.CL lehfilcon A नमुन्याचे गणना केलेले लवचिक मॉड्यूलस नमुन्याच्या वरच्या 100 nm मध्ये 2-3 kPa च्या श्रेणीमध्ये आहे, ज्याच्या पलीकडे ते खोलीसह वाढू लागते.दुसरीकडे, पृष्ठभागावर ब्रश सारखी फिल्म न लावता SiHy बेस सब्सट्रेटची चाचणी करताना, 300 pN च्या फोर्सवर प्राप्त केलेली कमाल इंडेंटेशन खोली 50 nm पेक्षा कमी आहे आणि डेटामधून प्राप्त केलेले मॉड्यूलस मूल्य सुमारे 400 kPa आहे. , जे बल्क सामग्रीसाठी यंगच्या मॉड्यूलसच्या मूल्यांशी तुलना करता येते.
मापांक मोजण्यासाठी शंकू-गोलाकार भूमितीसह AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धत वापरून लेहफिलकॉन A CL आणि SiHy सब्सट्रेट्ससाठी स्पष्ट संपर्क मॉड्यूलस (kPa) विरुद्ध इंडेंटेशन डेप्थ (nm).
बायोमिमेटिक ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या संरचनेचा सर्वात वरचा पृष्ठभाग अत्यंत कमी लवचिकता (2-3 kPa) दर्शवितो.हे STEM प्रतिमेमध्ये दाखवल्याप्रमाणे फोर्क केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या फ्री हँगिंग एंडशी जुळेल.सीएलच्या बाहेरील काठावर मॉड्यूलस ग्रेडियंटचे काही पुरावे असताना, मुख्य उच्च मॉड्यूलस सब्सट्रेट अधिक प्रभावशाली आहे.तथापि, पृष्ठभागाचा वरचा 100 nm हा ब्रँच केलेल्या पॉलिमर ब्रशच्या एकूण लांबीच्या 20% च्या आत आहे, त्यामुळे या इंडेंटेशन डेप्थ रेंजमधील मॉड्यूलसची मोजलेली मूल्ये तुलनेने अचूक आहेत आणि जोरदारपणे नाहीत असे मानणे वाजवी आहे. तळाशी असलेल्या वस्तूच्या प्रभावावर अवलंबून आहे.
लेहफिलकॉन ए कॉन्टॅक्ट लेन्सच्या अद्वितीय बायोमिमेटिक डिझाइनमुळे, SiHy सब्सट्रेट्सच्या पृष्ठभागावर कलम केलेल्या ब्रँच केलेल्या PMPC पॉलिमर ब्रश स्ट्रक्चर्सचा समावेश आहे, पारंपारिक मापन पद्धती वापरून त्यांच्या पृष्ठभागाच्या संरचनांचे यांत्रिक गुणधर्म विश्वसनीयपणे वैशिष्ट्यीकृत करणे खूप कठीण आहे.येथे आम्ही प्रगत AFM नॅनोइंडेंटेशन पद्धत सादर करत आहोत, जसे की लेफिल्कॉन ए सारख्या अति-सॉफ्ट मटेरिअलचे अचूक वर्णन करण्यासाठी ज्यात पाण्याचे प्रमाण जास्त आहे आणि अत्यंत लवचिकता आहे.ही पद्धत AFM प्रोबच्या वापरावर आधारित आहे ज्याच्या टिपचा आकार आणि भूमिती अत्यंत मऊ पृष्ठभागाच्या वैशिष्ट्यांच्या संरचनात्मक परिमाणांशी जुळण्यासाठी काळजीपूर्वक निवडली जाते.प्रोब आणि स्ट्रक्चरमधील परिमाणांचे हे संयोजन वाढीव संवेदनशीलता प्रदान करते, ज्यामुळे आम्हाला पोरोइलास्टिक प्रभावांची पर्वा न करता, ब्रँचेड पॉलिमर ब्रश घटकांचे कमी मॉड्यूलस आणि अंतर्निहित लवचिक गुणधर्म मोजता येतात.परिणामांवरून असे दिसून आले की लेन्सच्या पृष्ठभागाच्या वैशिष्ट्यपूर्ण ब्रँच केलेल्या PMPC पॉलिमर ब्रशेसमध्ये जलीय वातावरणात चाचणी केली असता अत्यंत कमी लवचिक मॉड्यूलस (2 kPa पर्यंत) आणि अतिशय उच्च लवचिकता (जवळजवळ 100%) होते.AFM नॅनोइंडेंटेशनच्या परिणामांमुळे आम्हाला बायोमिमेटिक लेन्सच्या पृष्ठभागाचे स्पष्ट कॉन्टॅक्ट मॉड्यूलस/डेप्थ ग्रेडियंट (30 kPa/200 nm) वैशिष्ट्यीकृत करण्याची परवानगी मिळाली.हा ग्रेडियंट ब्रँच केलेले पॉलिमर ब्रशेस आणि SiHy सब्सट्रेटमधील मोड्यूलस फरक किंवा पॉलिमर ब्रशेसच्या ब्रँच्ड स्ट्रक्चर/घनतेमुळे किंवा त्यांच्या संयोजनामुळे असू शकतो.तथापि, रचना आणि गुणधर्मांमधील संबंध पूर्णपणे समजून घेण्यासाठी, विशेषत: यांत्रिक गुणधर्मांवर ब्रशच्या फांदीचा प्रभाव समजून घेण्यासाठी पुढील सखोल अभ्यास आवश्यक आहेत.तत्सम मोजमाप इतर अल्ट्रा-सॉफ्ट मटेरियल आणि वैद्यकीय उपकरणांच्या पृष्ठभागाच्या यांत्रिक गुणधर्मांचे वैशिष्ट्यीकृत करण्यात मदत करू शकतात.
सध्याच्या अभ्यासादरम्यान व्युत्पन्न केलेले आणि/किंवा विश्लेषण केलेले डेटासेट संबंधित लेखकांकडून वाजवी विनंतीवर उपलब्ध आहेत.
रहमती, एम., सिल्वा, ईए, रेसलँड, जेई, हेवर्ड, के. आणि हॉगेन, एचजे बायोमटेरियल्सच्या पृष्ठभागाच्या भौतिक आणि रासायनिक गुणधर्मांवर जैविक प्रतिक्रिया.रासायनिक.समाजएड.४९, ५१७८–५२२४ (२०२०).
चेन, एफएम आणि लियू, एक्स. टिश्यू इंजिनीअरिंगसाठी मानवी व्युत्पन्न बायोमटेरियल्सची सुधारणा.प्रोग्रामिंगपॉलिमरविज्ञान53, 86 (2016).
सॅडलर, के. आणि इतर.रीजनरेटिव्ह मेडिसिनमध्ये बायोमटेरियल्सची रचना, क्लिनिकल अंमलबजावणी आणि रोगप्रतिकारक प्रतिसाद.नॅशनल मॅट रेव्ह. 1, 16040 (2016).
ओलिव्हर WK आणि Farr GM लोड आणि विस्थापन मोजमापांसह इंडेंटेशन प्रयोग वापरून कडकपणा आणि लवचिक मॉड्यूलस निर्धारित करण्यासाठी एक सुधारित पद्धत.जे. अल्मा मेटर.साठवण टाकी.7, 1564-1583 (2011).
वॅली, एसएम हिस्टोरिकल ओरिजिन ऑफ इंडेंटेशन हार्डनेस टेस्टिंग.गुरुकुल.विज्ञानतंत्रज्ञान२८, १०२८–१०४४ (२०१२).
ब्रॉइटमन, ई. इंडेंटेशन हार्डनेस मेजरमेंट्स ॲट द मॅक्रो-, मायक्रो- आणि नॅनोस्केल: अ क्रिटिकल रिव्ह्यू.टोळीराइट.65, 1–18 (2017).
कॉफमन, जेडी आणि क्लॅपेरिच, एसएम पृष्ठभाग शोधण्याच्या त्रुटींमुळे सॉफ्ट मटेरियलच्या नॅनोइंडेंटेशनमध्ये मॉड्यूलस ओव्हरस्टिमेशन होते.जे. मेचा.वागणूक.बायोमेडिकल सायन्स.गुरुकुल.२, ३१२–३१७ (२००९).
करीमजादे ए., कोलूर एसएसआर, अयातोल्लाखी एमआर, बुशरोआ एआर आणि याह्या एम.यू.प्रायोगिक आणि संगणकीय पद्धती वापरून विषम नॅनोकॉम्पोझिट्सची यांत्रिक वैशिष्ट्ये निर्धारित करण्यासाठी नॅनोइंडेंटेशन पद्धतीचे मूल्यांकन.विज्ञानघर 9, 15763 (2019).
लिऊ, के., व्हॅनलेंडिंगहॅम, एमआर, आणि ओवार्ट, इंडेंटेशन आणि ऑप्टिमायझेशन-आधारित व्यस्त मर्यादित घटक विश्लेषणाद्वारे सॉफ्ट व्हिस्कोइलास्टिक जेलचे टीएस यांत्रिक वैशिष्ट्य.जे. मेचा.वागणूक.बायोमेडिकल सायन्स.गुरुकुल.२, ३५५–३६३ (२००९).
अँड्र्यूज जेडब्ल्यू, बोवेन जे आणि चॅनेलर डी. सुसंगत मापन प्रणाली वापरून व्हिस्कोइलेस्टिसिटी निर्धाराचे ऑप्टिमायझेशन.सॉफ्ट मॅटर ९, ५५८१–५५९३ (२०१३).
ब्रिस्को, बीजे, फिओरी, एल. आणि पेलिलो, ई. पॉलिमरिक पृष्ठभागांचे नॅनोइंडेंटेशन.जे. भौतिकशास्त्र.D. भौतिकशास्त्रासाठी अर्ज करा.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. आणि Van Vliet KJ शॉक इंडेंटेशन वापरून अत्यंत लवचिक पॉलिमर आणि जैविक ऊतकांच्या व्हिस्कोइलास्टिक यांत्रिक गुणधर्मांचे वैशिष्ट्य.बायोमटेरियल्सचे जर्नल.७१, ३८८–३९७ (२०१८).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM विस्तारित बोरोडिच-गॅलानोव्ह (BG) पद्धत आणि खोल इंडेंटेशन वापरून लवचिक मॉड्यूलसचे मूल्यांकन आणि मऊ पदार्थांचे आसंजन कार्य.फरगुरुकुल.129, 198–213 (2019).
शि, एक्स आणि इतर.सिलिकॉन हायड्रोजेल कॉन्टॅक्ट लेन्सच्या बायोमिमेटिक पॉलिमेरिक पृष्ठभागांचे नॅनोस्केल मॉर्फोलॉजी आणि यांत्रिक गुणधर्म.लँगमुइर ३७, १३९६१–१३९६७ (२०२१).