Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Memaparkan karusel tiga slaid serentak.Gunakan butang Sebelum dan Seterusnya untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa, atau gunakan butang gelangsar pada penghujung untuk bergerak melalui tiga slaid pada satu masa.
Dengan pembangunan bahan ultra-lembut baharu untuk peranti perubatan dan aplikasi bioperubatan, pencirian menyeluruh sifat fizikal dan mekanikalnya adalah penting dan mencabar.Teknik nanoindentation mikroskop daya atom (AFM) diubah suai digunakan untuk mencirikan modulus permukaan yang sangat rendah bagi kanta sentuh hidrogel silikon biomimetik lehfilcon A yang disalut dengan lapisan struktur berus polimer bercabang.Kaedah ini membolehkan penentuan tepat titik sentuhan tanpa kesan penyemperitan likat apabila menghampiri polimer bercabang.Di samping itu, ia memungkinkan untuk menentukan ciri-ciri mekanikal elemen berus individu tanpa kesan kelenturan.Ini dicapai dengan memilih probe AFM dengan reka bentuk (saiz hujung, geometri dan kadar spring) yang amat sesuai untuk mengukur sifat bahan lembut dan sampel biologi.Kaedah ini meningkatkan kepekaan dan ketepatan untuk pengukuran tepat bahan yang sangat lembut lehfilcon A, yang mempunyai modulus keanjalan yang sangat rendah pada kawasan permukaan (sehingga 2 kPa) dan keanjalan yang sangat tinggi dalam persekitaran berair dalaman (hampir 100%). .Keputusan kajian permukaan bukan sahaja mendedahkan sifat permukaan ultra-lembut bagi kanta lehfilcon A, tetapi juga menunjukkan bahawa modulus berus polimer bercabang adalah setanding dengan substrat silikon-hidrogen.Teknik pencirian permukaan ini boleh digunakan pada bahan ultra lembut dan peranti perubatan lain.
Sifat mekanikal bahan yang direka untuk sentuhan langsung dengan tisu hidup selalunya ditentukan oleh persekitaran biologi.Padanan sempurna sifat bahan ini membantu mencapai ciri klinikal bahan yang dikehendaki tanpa menyebabkan tindak balas selular yang buruk1,2,3.Bagi bahan homogen pukal, pencirian sifat mekanikal adalah agak mudah kerana terdapatnya prosedur piawai dan kaedah ujian (cth, microindentation4,5,6).Walau bagaimanapun, untuk bahan ultra-lembut seperti gel, hidrogel, biopolimer, sel hidup, dsb., kaedah ujian ini secara amnya tidak terpakai disebabkan oleh had resolusi pengukuran dan ketidakhomogenan sesetengah bahan7.Selama bertahun-tahun, kaedah lekukan tradisional telah diubah suai dan disesuaikan untuk mencirikan pelbagai jenis bahan lembut, tetapi banyak kaedah masih mengalami kekurangan serius yang mengehadkan penggunaannya8,9,10,11,12,13.Kekurangan kaedah ujian khusus yang boleh mencirikan sifat mekanikal bahan supersoft dan lapisan permukaan dengan tepat dan boleh dipercayai sangat mengehadkan penggunaannya dalam pelbagai aplikasi.
Dalam kerja kami sebelum ini, kami memperkenalkan kanta sentuh lehfilcon A (CL), bahan heterogen lembut dengan semua sifat permukaan ultra-lembut yang diperoleh daripada reka bentuk biomimetik berpotensi yang diilhamkan oleh permukaan kornea mata.Biobahan ini telah dibangunkan dengan mencantumkan lapisan polimer polimer bercabang berkait silang poli(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) pada hidrogel silikon (SiHy) 15 yang direka bentuk untuk peranti perubatan berasaskan.Proses cantuman ini menghasilkan lapisan pada permukaan yang terdiri daripada struktur berus polimer bercabang yang sangat lembut dan sangat anjal.Kerja kami sebelum ini telah mengesahkan bahawa struktur biomimetik lehfilcon A CL memberikan sifat permukaan yang unggul seperti pencegahan pembasahan dan kekotoran yang lebih baik, pelinciran yang meningkat, dan pengurangan lekatan sel dan bakteria15,16.Di samping itu, penggunaan dan pembangunan bahan biomimetik ini juga mencadangkan pengembangan selanjutnya kepada peranti bioperubatan yang lain.Oleh itu, adalah penting untuk mencirikan sifat permukaan bahan ultra-lembut ini dan memahami interaksi mekanikalnya dengan mata untuk mencipta pangkalan pengetahuan yang komprehensif untuk menyokong perkembangan dan aplikasi masa depan.Kebanyakan kanta sentuh SiHy yang boleh didapati secara komersial terdiri daripada campuran homogen polimer hidrofilik dan hidrofobik yang membentuk struktur bahan seragam17.Beberapa kajian telah dijalankan untuk menyiasat sifat mekanikalnya menggunakan kaedah ujian mampatan, tegangan dan mikroindentasi tradisional18,19,20,21.Walau bagaimanapun, reka bentuk biomimetik novel lehfilcon A CL menjadikannya bahan heterogen yang unik di mana sifat mekanikal struktur berus polimer bercabang berbeza dengan ketara daripada substrat asas SiHy.Oleh itu, adalah sangat sukar untuk mengukur sifat ini dengan tepat menggunakan kaedah konvensional dan lekukan.Kaedah yang menjanjikan menggunakan kaedah ujian nanoindentation yang dilaksanakan dalam mikroskopi daya atom (AFM), kaedah yang telah digunakan untuk menentukan sifat mekanikal bahan viskoelastik lembut seperti sel dan tisu biologi, serta polimer lembut22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Dalam nanoindentation AFM, asas ujian nanoindentation digabungkan dengan kemajuan terkini dalam teknologi AFM untuk menyediakan peningkatan kepekaan pengukuran dan ujian pelbagai jenis bahan supersoft yang wujud31,32,33,34,35,36.Selain itu, teknologi ini menawarkan kelebihan penting lain melalui penggunaan geometri yang berbeza.indentor dan probe dan kemungkinan ujian dalam pelbagai media cecair.
AFM nanoindentation boleh dibahagikan secara bersyarat kepada tiga komponen utama: (1) peralatan (sensor, pengesan, probe, dll.);(2) parameter pengukuran (seperti daya, anjakan, kelajuan, saiz tanjakan, dll.);(3) Pemprosesan data (pembetulan garis dasar, anggaran titik sentuh, pemasangan data, pemodelan, dll.).Masalah ketara dengan kaedah ini ialah beberapa kajian dalam literatur menggunakan nanoindentation AFM melaporkan keputusan kuantitatif yang sangat berbeza untuk sampel/sel/jenis bahan yang sama37,38,39,40,41.Contohnya, Lekka et al.Pengaruh geometri kuar AFM ke atas modulus Young yang diukur bagi sampel hidrogel homogen dan sel heterogen secara mekanikal telah dikaji dan dibandingkan.Mereka melaporkan bahawa nilai modulus sangat bergantung pada pemilihan julur dan bentuk hujung, dengan nilai tertinggi untuk kuar berbentuk piramid dan nilai terendah 42 untuk kuar sfera.Begitu juga, Selhuber-Unkel et al.Telah ditunjukkan bagaimana kelajuan inden, saiz inden dan ketebalan sampel poliakrilamida (PAAM) mempengaruhi modulus Young yang diukur dengan nanoindentasi ACM43.Faktor lain yang merumitkan ialah kekurangan bahan ujian modulus standard yang sangat rendah dan prosedur ujian percuma.Ini menjadikannya sangat sukar untuk mendapatkan hasil yang tepat dengan yakin.Walau bagaimanapun, kaedah ini sangat berguna untuk pengukuran relatif dan penilaian perbandingan antara jenis sampel yang serupa, contohnya menggunakan nanoindentation AFM untuk membezakan sel normal daripada sel kanser 44, 45 .
Apabila menguji bahan lembut dengan nanoindentasi AFM, peraturan umum ialah menggunakan probe dengan pemalar spring rendah (k) yang hampir sepadan dengan modulus sampel dan hujung hemisfera/bulat supaya kuar pertama tidak menembusi permukaan sampel pada sentuhan pertama dengan bahan lembut.Ia juga penting bahawa isyarat pesongan yang dihasilkan oleh probe cukup kuat untuk dikesan oleh sistem pengesan laser24,34,46,47.Dalam kes sel, tisu dan gel heterogen ultra-lembut, cabaran lain adalah untuk mengatasi daya pelekat antara probe dan permukaan sampel untuk memastikan ukuran yang boleh dibuat semula dan boleh dipercayai48,49,50.Sehingga baru-baru ini, kebanyakan kerja pada nanoindentasi AFM telah menumpukan pada kajian tingkah laku mekanikal sel biologi, tisu, gel, hidrogel, dan biomolekul menggunakan probe sfera yang agak besar, biasanya dirujuk sebagai probe koloid (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Petua ini mempunyai jejari 1 hingga 50 µm dan biasanya diperbuat daripada kaca borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirena (PS), silikon dioksida (SiO2) dan berlian- seperti karbon (DLC).Walaupun nanoindentasi CP-AFM sering menjadi pilihan pertama untuk pencirian sampel lembut, ia mempunyai masalah dan batasannya sendiri.Penggunaan hujung sfera bersaiz mikron yang besar meningkatkan jumlah kawasan sentuhan hujung dengan sampel dan mengakibatkan kehilangan resolusi spatial yang ketara.Untuk spesimen lembut, tidak homogen, di mana sifat mekanikal unsur tempatan mungkin berbeza dengan ketara daripada purata di kawasan yang lebih luas, lekukan CP boleh menyembunyikan sebarang ketidakhomogenan dalam sifat pada skala tempatan52.Probe koloid biasanya dibuat dengan melekatkan sfera koloid bersaiz mikron pada julur tanpa hujung menggunakan pelekat epoksi.Proses pembuatan itu sendiri penuh dengan banyak masalah dan boleh menyebabkan ketidakkonsistenan dalam proses penentukuran probe.Di samping itu, saiz dan jisim zarah koloid secara langsung mempengaruhi parameter penentukuran utama julur, seperti frekuensi resonans, kekakuan spring, dan kepekaan pesongan56,57,58.Oleh itu, kaedah yang biasa digunakan untuk probe AFM konvensional, seperti penentukuran suhu, mungkin tidak memberikan penentukuran yang tepat untuk CP, dan kaedah lain mungkin diperlukan untuk melaksanakan pembetulan ini57, 59, 60, 61. Eksperimen lekukan CP biasa menggunakan julur sisihan besar untuk kaji sifat sampel lembut, yang menimbulkan masalah lain apabila menentukur kelakuan bukan linear julur pada sisihan yang agak besar62,63,64.Kaedah lekukan kuar koloid moden biasanya mengambil kira geometri julur yang digunakan untuk menentukur kuar, tetapi mengabaikan pengaruh zarah koloid, yang mewujudkan ketidakpastian tambahan dalam ketepatan kaedah38,61.Begitu juga, moduli elastik yang dikira dengan pemasangan model kenalan adalah bergantung secara langsung pada geometri probe lekukan, dan ketidakpadanan antara ciri permukaan hujung dan sampel boleh menyebabkan ketidaktepatan27, 65, 66, 67, 68. Beberapa kerja terbaru oleh Spencer et al.Faktor-faktor yang perlu diambil kira semasa mencirikan berus polimer lembut menggunakan kaedah nanoindentasi CP-AFM diserlahkan.Mereka melaporkan bahawa pengekalan cecair likat dalam berus polimer sebagai fungsi kelajuan menghasilkan peningkatan dalam beban kepala dan oleh itu ukuran yang berbeza bagi sifat bergantung kepada kelajuan30,69,70,71.
Dalam kajian ini, kami telah mencirikan modulus permukaan bahan ultra-lembut sangat anjal lehfilcon A CL menggunakan kaedah nanoindentasi AFM yang diubah suai.Memandangkan sifat dan struktur baharu bahan ini, julat sensitiviti kaedah lekukan tradisional jelas tidak mencukupi untuk mencirikan modulus bahan yang sangat lembut ini, jadi perlu menggunakan kaedah nanoindentasi AFM dengan kepekaan yang lebih tinggi dan kepekaan yang lebih rendah.tahap.Selepas mengkaji kelemahan dan masalah teknik indentasi nano probe koloid AFM sedia ada, kami menunjukkan sebab kami memilih probe AFM yang direka khas untuk menghapuskan kepekaan, bunyi latar belakang, titik sentuhan yang tepat, mengukur modulus halaju bahan heterogen lembut seperti pengekalan cecair. pergantungan.dan kuantifikasi yang tepat.Di samping itu, kami dapat mengukur dengan tepat bentuk dan dimensi hujung lekukan, membolehkan kami menggunakan model muat sfera kon untuk menentukan modulus keanjalan tanpa menilai kawasan sentuhan hujung dengan bahan.Dua andaian tersirat yang dikira dalam kerja ini ialah sifat bahan elastik sepenuhnya dan modulus bebas kedalaman lekukan.Menggunakan kaedah ini, kami mula-mula menguji standard ultra-lembut dengan modulus yang diketahui untuk mengukur kaedah, dan kemudian menggunakan kaedah ini untuk mencirikan permukaan dua bahan kanta sentuh yang berbeza.Kaedah pencirian permukaan nanoindentasi AFM dengan kepekaan yang meningkat ini dijangka boleh digunakan pada pelbagai bahan ultrasoft heterogen biomimetik yang berpotensi digunakan dalam peranti perubatan dan aplikasi bioperubatan.
Kanta sentuh Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, Amerika Syarikat) dan substrat hidrogel silikonnya telah dipilih untuk eksperimen nanoindentation.Pelekap lensa yang direka khas telah digunakan dalam eksperimen.Untuk memasang kanta untuk ujian, ia diletakkan dengan berhati-hati pada dirian berbentuk kubah, memastikan tiada gelembung udara masuk ke dalam, dan kemudian diperbaiki dengan tepi.Lubang pada lekapan di bahagian atas pemegang kanta menyediakan akses kepada pusat optik kanta untuk eksperimen nanoindentation sambil memegang cecair di tempatnya.Ini memastikan kanta terhidrat sepenuhnya.500 μl larutan pembungkus kanta sentuh digunakan sebagai penyelesaian ujian.Untuk mengesahkan keputusan kuantitatif, hidrogel poliakrilamida (PAAM) tidak teraktif yang tersedia secara komersial telah disediakan daripada komposisi poliakrilamida-ko-metilena-bisakrilamida (hidangan Petrisoft Petri 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, Amerika Syarikat), modulus elastik yang diketahui 1 kPa.Gunakan 4-5 titis (kira-kira 125 µl) garam penimbal fosfat (PBS dari Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) dan 1 titis larutan kanta sentuh Puremoist OPTI-FREE (Alcon, Vaud, TX, USA).) pada antara muka kuar hidrogel AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL dan SiHy divisualisasikan menggunakan sistem FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) yang dilengkapi dengan pengesan Scanning Transmission Electron Microscope (STEM).Untuk menyediakan sampel, kanta terlebih dahulu dibasuh dengan air dan dipotong menjadi baji berbentuk pai.Untuk mencapai perbezaan perbezaan antara komponen hidrofilik dan hidrofobik sampel, larutan RuO4 stabil 0.10% digunakan sebagai pewarna, di mana sampel direndam selama 30 minit.Pewarnaan lehfilcon A CL RuO4 adalah penting bukan sahaja untuk mencapai kontras pembezaan yang lebih baik, tetapi juga membantu untuk mengekalkan struktur berus polimer bercabang dalam bentuk asalnya, yang kemudiannya boleh dilihat pada imej STEM.Ia kemudiannya dibasuh dan didehidrasi dalam satu siri campuran etanol/air dengan peningkatan kepekatan etanol.Sampel kemudian dibuang dengan epoksi EMBed 812/Araldite, yang sembuh semalaman pada 70°C.Blok sampel yang diperoleh melalui pempolimeran resin dipotong dengan ultramikrotom, dan bahagian nipis yang terhasil divisualisasikan dengan pengesan STEM dalam mod vakum rendah pada voltan pecutan 30 kV.Sistem SEM yang sama digunakan untuk pencirian terperinci probe PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Imej SEM probe AFM diperolehi dalam mod vakum tinggi biasa dengan voltan pecutan 30 kV.Dapatkan imej pada sudut dan pembesaran yang berbeza untuk merekodkan semua butiran bentuk dan saiz hujung probe AFM.Semua dimensi hujung kepentingan dalam imej diukur secara digital.
Mikroskop daya atom Ikon FastScan Bio Dimensi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) dengan mod "PeakForce QNM dalam Bendalir" telah digunakan untuk menggambarkan dan nanoindentate lehfilcon A CL, substrat SiHy dan sampel hidrogel PAAm.Untuk eksperimen pengimejan, probe PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) dengan jejari hujung nominal 1 nm digunakan untuk menangkap imej resolusi tinggi sampel pada kadar imbasan 0.50 Hz.Semua imej diambil dalam larutan akueus.
Eksperimen nanoindentasi AFM telah dijalankan menggunakan probe PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Probe AFM mempunyai hujung silikon pada julur nitrida setebal 345 nm, panjang 54 µm dan lebar 4.5 µm dengan frekuensi resonans 45 kHz.Ia direka khusus untuk mencirikan dan melakukan pengukuran nanomekanikal kuantitatif pada sampel biologi lembut.Penderia ditentukur secara individu di kilang dengan tetapan spring pra-ditentukur.Pemalar spring probe yang digunakan dalam kajian ini adalah dalam julat 0.05–0.1 N/m.Untuk menentukan bentuk dan saiz hujung dengan tepat, probe dicirikan secara terperinci menggunakan SEM.Pada rajah.Rajah 1a menunjukkan resolusi tinggi, mikrograf elektron pengimbasan pembesaran rendah probe PFQNM-LC-A-CAL, memberikan pandangan holistik reka bentuk probe.Pada rajah.1b menunjukkan pandangan yang diperbesarkan pada bahagian atas hujung kuar, memberikan maklumat tentang bentuk dan saiz hujung.Pada hujung yang melampau, jarum adalah hemisfera kira-kira 140 nm diameter (Rajah 1c).Di bawah ini, hujungnya meruncing menjadi bentuk kon, mencapai panjang yang diukur kira-kira 500 nm.Di luar kawasan tirus, hujungnya berbentuk silinder dan berakhir dalam jumlah panjang hujung 1.18 µm.Ini adalah bahagian fungsi utama hujung probe.Selain itu, kuar polistirena (PS) sfera besar (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) dengan diameter hujung 45 µm dan pemalar spring 2 N/m juga digunakan untuk ujian sebagai kuar koloid.dengan probe PFQNM-LC-A-CAL 140 nm untuk perbandingan.
Telah dilaporkan bahawa cecair boleh terperangkap di antara probe AFM dan struktur berus polimer semasa nanoindentation, yang akan mengenakan daya ke atas pada probe AFM sebelum ia benar-benar menyentuh permukaan69.Kesan penyemperitan likat ini akibat pengekalan bendalir boleh mengubah titik sentuhan yang jelas, dengan itu menjejaskan pengukuran modulus permukaan.Untuk mengkaji kesan geometri kuar dan kelajuan lekukan pada pengekalan bendalir, lengkung daya lekukan telah diplot untuk sampel lehfilcon A CL menggunakan kuar diameter 140 nm pada kadar anjakan malar 1 µm/s dan 2 µm/s.diameter probe 45 µm, tetapan daya tetap 6 nN dicapai pada 1 µm/s.Eksperimen dengan probe berdiameter 140 nm telah dijalankan pada kelajuan lekukan 1 µm/s dan set daya 300 pN, dipilih untuk mencipta tekanan sentuhan dalam julat fisiologi (1-8 kPa) kelopak mata atas.tekanan 72. Sampel lembut siap sedia hidrogel PAA dengan tekanan 1 kPa telah diuji untuk daya lekukan 50 pN pada kelajuan 1 μm/s menggunakan probe dengan diameter 140 nm.
Memandangkan panjang bahagian kon hujung probe PFQNM-LC-A-CAL adalah kira-kira 500 nm, untuk sebarang kedalaman lekukan < 500 nm boleh diandaikan dengan selamat bahawa geometri kuar semasa lekukan akan kekal selaras dengannya. bentuk kon.Di samping itu, diandaikan bahawa permukaan bahan yang diuji akan mempamerkan tindak balas anjal boleh balik, yang juga akan disahkan dalam bahagian berikut.Oleh itu, bergantung pada bentuk dan saiz hujung, kami memilih model pemasangan sfera kon yang dibangunkan oleh Briscoe, Sebastian dan Adams, yang tersedia dalam perisian vendor, untuk memproses eksperimen nanoindentasi AFM kami (NanoScope).Perisian analisis data pemisahan, Bruker) 73. Model ini menerangkan hubungan daya-anjakan F(δ) untuk kon dengan kecacatan puncak sfera.Pada rajah.Rajah 2 menunjukkan geometri sentuhan semasa interaksi kon tegar dengan hujung sfera, di mana R ialah jejari hujung sfera, a ialah jejari sentuhan, b ialah jejari sentuhan pada hujung hujung sfera, δ ialah jejari sentuhan.kedalaman lekukan, θ ialah separuh sudut kon.Imej SEM probe ini jelas menunjukkan bahawa hujung sfera berdiameter 140 nm bergabung secara tangensial ke dalam kon, jadi di sini b ditakrifkan hanya melalui R, iaitu b = R cos θ.Perisian yang dibekalkan vendor menyediakan hubungan sfera kon untuk mengira nilai modulus Young (E) daripada data pemisahan daya dengan andaian a > b.perhubungan:
di mana F ialah daya lekukan, E ialah modulus Young, ν ialah nisbah Poisson.Jejari sentuhan a boleh dianggarkan menggunakan:
Skim geometri sentuhan kon tegar dengan hujung sfera ditekan ke dalam bahan kanta sentuh Lefilcon dengan lapisan permukaan berus polimer bercabang.
Jika a ≤ b, hubungan berkurangan kepada persamaan untuk indentor sfera konvensional;
Kami percaya bahawa interaksi probe inden dengan struktur bercabang berus polimer PMPC akan menyebabkan jejari sentuhan a lebih besar daripada jejari sentuhan sfera b.Oleh itu, untuk semua ukuran kuantitatif modulus elastik yang dilakukan dalam kajian ini, kami menggunakan pergantungan yang diperoleh untuk kes a > b.
Bahan biomimetik ultrasoft yang dikaji dalam kajian ini telah diimej secara menyeluruh menggunakan mikroskop elektron penghantaran imbasan (STEM) keratan rentas sampel dan mikroskopi daya atom (AFM) permukaan.Pencirian permukaan terperinci ini dilakukan sebagai lanjutan daripada kerja kami yang telah diterbitkan sebelum ini, di mana kami menentukan bahawa struktur berus polimer bercabang dinamik permukaan lehfilcon A CL yang diubah suai PMPC mempamerkan sifat mekanikal yang serupa dengan tisu kornea asli 14 .Atas sebab ini, kami merujuk kepada permukaan kanta sentuh sebagai bahan biomimetik14.Pada rajah.3a,b menunjukkan keratan rentas struktur berus polimer PMPC bercabang pada permukaan substrat lehfilcon A CL dan substrat SiHy yang tidak dirawat, masing-masing.Permukaan kedua-dua sampel dianalisis selanjutnya menggunakan imej AFM resolusi tinggi, yang seterusnya mengesahkan keputusan analisis STEM (Rajah 3c, d).Diambil bersama, imej-imej ini memberikan anggaran panjang struktur berus polimer bercabang PMPC pada 300-400 nm, yang penting untuk mentafsir ukuran nanoindentasi AFM.Satu lagi pemerhatian utama yang diperoleh daripada imej ialah struktur permukaan keseluruhan bahan biomimetik CL adalah berbeza secara morfologi daripada bahan substrat SiHy.Perbezaan dalam morfologi permukaan mereka boleh menjadi jelas semasa interaksi mekanikal mereka dengan probe AFM inden dan seterusnya dalam nilai modulus yang diukur.
Imej STEM keratan rentas (a) lehfilcon A CL dan (b) substrat SiHy.Bar skala, 500 nm.Imej AFM bagi permukaan substrat lehfilcon A CL (c) dan substrat SiHy asas (d) (3 µm × 3 µm).
Polimer bioinspirasi dan struktur berus polimer sememangnya lembut dan telah dikaji secara meluas dan digunakan dalam pelbagai aplikasi bioperubatan74,75,76,77.Oleh itu, adalah penting untuk menggunakan kaedah nanoindentasi AFM, yang boleh mengukur sifat mekanikalnya dengan tepat dan boleh dipercayai.Tetapi pada masa yang sama, sifat unik bahan ultra-lembut ini, seperti modulus keanjalan yang sangat rendah, kandungan cecair yang tinggi dan keanjalan yang tinggi, sering menyukarkan untuk memilih bahan, bentuk dan bentuk probe inden yang betul.saiz.Ini penting supaya inden tidak menembusi permukaan lembut sampel, yang akan membawa kepada ralat dalam menentukan titik sentuhan dengan permukaan dan kawasan sentuhan.
Untuk ini, pemahaman menyeluruh tentang morfologi bahan biomimetik ultra-lembut (lehfilcon A CL) adalah penting.Maklumat tentang saiz dan struktur berus polimer bercabang yang diperoleh menggunakan kaedah pengimejan menyediakan asas untuk pencirian mekanikal permukaan menggunakan teknik nanoindentasi AFM.Daripada probe koloid sfera bersaiz mikron, kami memilih probe silikon nitrida PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) dengan diameter hujung 140 nm, direka khas untuk pemetaan kuantitatif sifat mekanikal sampel biologi 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Rasional untuk menggunakan kuar yang agak tajam berbanding kuar koloid konvensional boleh dijelaskan oleh ciri-ciri struktur bahan.Membandingkan saiz hujung probe (~140 nm) dengan berus polimer bercabang pada permukaan CL lehfilcon A, ditunjukkan dalam Rajah 3a, boleh disimpulkan bahawa hujungnya cukup besar untuk bersentuhan langsung dengan struktur berus ini, yang mengurangkan kemungkinan hujungnya menembusi mereka.Untuk menggambarkan perkara ini, dalam Rajah 4 ialah imej STEM lehfilcon A CL dan hujung inden probe AFM (dilukis mengikut skala).
Skema yang menunjukkan imej STEM lehfilcon A CL dan probe lekukan ACM (dilukis mengikut skala).
Di samping itu, saiz hujung 140 nm cukup kecil untuk mengelakkan risiko sebarang kesan penyemperitan melekit yang dilaporkan sebelum ini untuk berus polimer yang dihasilkan oleh kaedah nanoindentasi CP-AFM69,71.Kami menganggap bahawa disebabkan oleh bentuk kon-sfera khas dan saiz yang agak kecil pada hujung AFM ini (Rajah 1), sifat lengkung daya yang dihasilkan oleh lehfilcon A CL nanoindentation tidak akan bergantung pada kelajuan lekukan atau kelajuan pemuatan/pemunggahan. .Oleh itu, ia tidak terjejas oleh kesan poroelastik.Untuk menguji hipotesis ini, sampel lehfilcon A CL diindenkan pada daya maksimum tetap menggunakan probe PFQNM-LC-A-CAL, tetapi pada dua halaju yang berbeza, dan lengkung daya tegangan dan tarik balik yang terhasil digunakan untuk memplot daya (nN) dalam pemisahan (µm) ditunjukkan dalam Rajah 5a.Adalah jelas bahawa lengkung daya semasa pemunggahan dan pemunggahan bertindih sepenuhnya, dan tiada bukti jelas bahawa ricih daya pada kedalaman lekukan sifar meningkat dengan kelajuan lekukan dalam rajah, menunjukkan bahawa elemen berus individu dicirikan tanpa kesan poroelastik.Sebaliknya, kesan pengekalan bendalir (kesan penyemperitan likat dan kelenturan) adalah jelas untuk probe AFM diameter 45 µm pada kelajuan lekukan yang sama dan diserlahkan oleh histerisis antara lengkung regangan dan tarik balik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5b.Keputusan ini menyokong hipotesis dan mencadangkan bahawa probe diameter 140 nm adalah pilihan yang baik untuk mencirikan permukaan lembut tersebut.
lehfilcon A CL lengkung daya lekukan menggunakan ACM;(a) menggunakan probe dengan diameter 140 nm pada dua kadar pemuatan, menunjukkan ketiadaan kesan poroelastik semasa lekukan permukaan;(b) menggunakan probe dengan diameter 45 µm dan 140 nm.s menunjukkan kesan penyemperitan likat dan keliangan bagi probe besar berbanding probe yang lebih kecil.
Untuk mencirikan permukaan ultrasoft, kaedah nanoindentasi AFM mesti mempunyai probe terbaik untuk mengkaji sifat bahan yang dikaji.Selain bentuk dan saiz hujung, kepekaan sistem pengesan AFM, kepekaan terhadap pesongan hujung dalam persekitaran ujian, dan kekakuan julur memainkan peranan penting dalam menentukan ketepatan dan kebolehpercayaan nanoindentation.ukuran.Untuk sistem AFM kami, had pengesanan Position Sensitive Detector (PSD) adalah lebih kurang 0.5 mV dan berdasarkan kadar spring pra-ditentukur dan sensitiviti pesongan bendalir yang dikira bagi probe PFQNM-LC-A-CAL, yang sepadan dengan sensitiviti beban teori.adalah kurang daripada 0.1 pN.Oleh itu, kaedah ini membenarkan pengukuran daya lekukan minimum ≤ 0.1 pN tanpa sebarang komponen hingar persisian.Walau bagaimanapun, hampir mustahil untuk sistem AFM mengurangkan hingar persisian ke tahap ini disebabkan oleh faktor seperti getaran mekanikal dan dinamik bendalir.Faktor-faktor ini mengehadkan kepekaan keseluruhan kaedah nanoindentasi AFM dan juga menghasilkan isyarat bunyi latar belakang lebih kurang ≤ 10 pN.Untuk pencirian permukaan, sampel substrat lehfilcon A CL dan SiHy diinden di bawah keadaan terhidrat sepenuhnya menggunakan probe 140 nm untuk pencirian SEM, dan lengkung daya yang terhasil ditindih antara daya (pN) dan tekanan.Plot pemisahan (µm) ditunjukkan dalam Rajah 6a.Berbanding dengan substrat asas SiHy, lengkung daya lehfilcon A CL jelas menunjukkan fasa peralihan bermula pada titik sentuhan dengan berus polimer bercabang dan berakhir dengan perubahan mendadak dalam sentuhan tanda cerun pada hujung dengan bahan asas.Bahagian peralihan lengkung daya ini menyerlahkan kelakuan benar-benar kenyal bagi berus polimer bercabang pada permukaan, seperti yang dibuktikan oleh lengkung mampatan mengikuti lengkung tegangan dan kontras dalam sifat mekanikal antara struktur berus dan bahan SiHy yang besar.Apabila membandingkan lefilcon.Pemisahan purata panjang berus polimer bercabang dalam imej STEM PCS (Rajah 3a) dan lengkung dayanya di sepanjang absis dalam Rajah 3a.6a menunjukkan bahawa kaedah itu dapat mengesan hujung dan polimer bercabang mencapai bahagian paling atas permukaan.Sentuhan antara struktur berus.Di samping itu, pertindihan rapat lengkung daya menunjukkan tiada kesan pengekalan cecair.Dalam kes ini, sama sekali tidak ada lekatan antara jarum dan permukaan sampel.Bahagian paling atas lengkung daya untuk kedua-dua sampel bertindih, mencerminkan persamaan sifat mekanikal bahan substrat.
(a) Lengkung daya indentasi nano AFM untuk substrat lehfilcon A CL dan substrat SiHy, (b) lengkung daya yang menunjukkan anggaran titik sentuhan menggunakan kaedah ambang hingar latar belakang.
Untuk mengkaji butiran yang lebih halus bagi lengkung daya, lengkung tegangan sampel lehfilcon A CL diplot semula dalam Rajah 6b dengan daya maksimum 50 pN di sepanjang paksi-y.Graf ini memberikan maklumat penting tentang bunyi latar belakang asal.Bunyi adalah dalam julat ±10 pN, yang digunakan untuk menentukan titik sentuhan dan mengira kedalaman lekukan dengan tepat.Seperti yang dilaporkan dalam literatur, pengenalpastian titik hubungan adalah penting untuk menilai dengan tepat sifat bahan seperti modulus85.Pendekatan yang melibatkan pemprosesan automatik data lengkung daya telah menunjukkan kesesuaian yang lebih baik antara pemasangan data dan ukuran kuantitatif untuk bahan lembut86.Dalam kerja ini, pilihan tempat hubungan kami agak mudah dan objektif, tetapi ia mempunyai hadnya.Pendekatan konservatif kami untuk menentukan titik sentuhan mungkin menyebabkan nilai modulus yang dianggarkan terlalu tinggi untuk kedalaman lekukan yang lebih kecil (< 100 nm).Penggunaan pengesanan titik sentuh berasaskan algoritma dan pemprosesan data automatik boleh menjadi kesinambungan kerja ini pada masa hadapan untuk menambah baik kaedah kami.Oleh itu, untuk bunyi latar belakang intrinsik pada susunan ±10 pN, kami mentakrifkan titik hubungan sebagai titik data pertama pada paksi-x dalam Rajah 6b dengan nilai ≥10 pN.Kemudian, mengikut ambang hingar 10 pN, garis menegak pada tahap ~0.27 µm menandakan titik sentuhan dengan permukaan, selepas itu lengkung regangan berterusan sehingga substrat memenuhi kedalaman lekukan ~270 nm.Menariknya, berdasarkan saiz ciri berus polimer bercabang (300–400 nm) diukur menggunakan kaedah pengimejan, kedalaman lekukan CL lehfilcon Sampel yang diperhatikan menggunakan kaedah ambang hingar latar adalah kira-kira 270 nm, yang sangat hampir dengan saiz ukuran dengan STEM.Keputusan ini mengesahkan lagi keserasian dan kebolehgunaan bentuk dan saiz hujung probe AFM untuk lekukan struktur berus polimer bercabang yang sangat lembut dan sangat anjal ini.Data ini juga menyediakan bukti kukuh untuk menyokong kaedah kami menggunakan hingar latar belakang sebagai ambang untuk menentukan titik hubungan.Oleh itu, sebarang keputusan kuantitatif yang diperoleh daripada pemodelan matematik dan pemasangan lengkung daya haruslah tepat secara relatif.
Pengukuran kuantitatif oleh kaedah nanoindentasi AFM bergantung sepenuhnya pada model matematik yang digunakan untuk pemilihan data dan analisis seterusnya.Oleh itu, adalah penting untuk mempertimbangkan semua faktor yang berkaitan dengan pilihan indentor, sifat bahan dan mekanik interaksinya sebelum memilih model tertentu.Dalam kes ini, geometri hujung dicirikan dengan teliti menggunakan mikrograf SEM (Rajah 1), dan berdasarkan keputusan, probe nanoindent AFM diameter 140 nm dengan kon keras dan geometri hujung sfera adalah pilihan yang baik untuk mencirikan sampel lehfilcon A CL79. .Satu lagi faktor penting yang perlu dinilai dengan teliti ialah keanjalan bahan polimer yang diuji.Walaupun data awal nanoindentasi (Rajah 5a dan 6a) dengan jelas menggariskan ciri pertindihan ketegangan dan lengkung mampatan, iaitu pemulihan keanjalan lengkap bahan, adalah amat penting untuk mengesahkan sifat keanjalan semata-mata sesentuh. .Untuk tujuan ini, dua lekukan berturut-turut telah dilakukan di lokasi yang sama pada permukaan sampel lehfilcon A CL pada kadar lekukan 1 µm/s di bawah keadaan penghidratan penuh.Data lengkung daya yang terhasil ditunjukkan dalam rajah.7 dan, seperti yang dijangkakan, lengkung pengembangan dan mampatan kedua-dua cetakan adalah hampir sama, menyerlahkan keanjalan tinggi struktur berus polimer bercabang.
Dua lengkung daya lekukan pada lokasi yang sama pada permukaan lehfilcon A CL menunjukkan keanjalan ideal permukaan kanta.
Berdasarkan maklumat yang diperoleh daripada imej SEM dan STEM bagi hujung probe dan permukaan lehfilcon A CL, masing-masing, model sfera kon ialah perwakilan matematik yang munasabah bagi interaksi antara hujung probe AFM dan bahan polimer lembut yang sedang diuji.Di samping itu, untuk model sfera kon ini, andaian asas tentang sifat keanjalan bahan bercetak adalah benar untuk bahan biomimetik baharu ini dan digunakan untuk mengukur modulus keanjalan.
Selepas penilaian menyeluruh kaedah pengesanan nano AFM dan komponennya, termasuk sifat probe lekukan (bentuk, saiz, dan kekakuan spring), kepekaan (bunyi latar belakang dan anggaran titik sentuhan), dan model pemasangan data (pengukuran modulus kuantitatif), kaedah itu digunakan.mencirikan sampel ultra lembut yang tersedia secara komersial untuk mengesahkan keputusan kuantitatif.Hidrogel polyacrylamide (PAAM) komersial dengan modulus elastik 1 kPa telah diuji di bawah keadaan terhidrat menggunakan probe 140 nm.Butiran ujian dan pengiraan modul disediakan dalam Maklumat Tambahan.Keputusan menunjukkan bahawa modulus purata yang diukur ialah 0.92 kPa, dan sisihan %RSD dan peratusan (%) daripada modulus yang diketahui adalah kurang daripada 10%.Keputusan ini mengesahkan ketepatan dan kebolehulangan kaedah nanoindentasi AFM yang digunakan dalam kerja ini untuk mengukur moduli bahan ultrasoft.Permukaan sampel lehfilcon A CL dan substrat asas SiHy selanjutnya dicirikan menggunakan kaedah nanoindentasi AFM yang sama untuk mengkaji modulus sentuhan ketara permukaan ultrasoft sebagai fungsi kedalaman lekukan.Lengkung pemisahan daya lekukan dijana untuk tiga spesimen setiap jenis (n = 3; satu lekukan setiap spesimen) pada daya 300 pN, kelajuan 1 µm/s, dan penghidratan penuh.Lengkung perkongsian daya lekukan telah dianggarkan menggunakan model sfera kon.Untuk mendapatkan modulus yang bergantung pada kedalaman lekukan, bahagian lebar 40 nm lengkung daya ditetapkan pada setiap kenaikan 20 nm bermula dari titik sentuhan, dan mengukur nilai modulus pada setiap langkah lengkung daya.Spin Cy et al.Pendekatan yang sama telah digunakan untuk mencirikan kecerunan modulus berus polimer poli(lauryl metacrylate) (P12MA) menggunakan nanoindentasi probe koloid AFM, dan ia konsisten dengan data menggunakan model hubungan Hertz.Pendekatan ini menyediakan plot modulus sentuhan ketara (kPa) berbanding kedalaman lekukan (nm), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8, yang menggambarkan modulus sentuhan ketara/kecerunan kedalaman.Modulus elastik yang dikira bagi sampel CL lehfilcon A adalah dalam julat 2–3 kPa dalam 100 nm atas sampel, di luar itu ia mula meningkat dengan kedalaman.Sebaliknya, apabila menguji substrat asas SiHy tanpa filem seperti berus pada permukaan, kedalaman lekukan maksimum yang dicapai pada daya 300 pN adalah kurang daripada 50 nm, dan nilai modulus yang diperoleh daripada data ialah kira-kira 400 kPa , yang setanding dengan nilai modulus Young untuk bahan pukal.
Modulus sentuhan ketara (kPa) lwn. kedalaman lekukan (nm) untuk substrat lehfilcon A CL dan SiHy menggunakan kaedah nanoindentasi AFM dengan geometri sfera kon untuk mengukur modulus.
Permukaan paling atas struktur berus polimer bercabang biomimetik novel mempamerkan modulus keanjalan yang sangat rendah (2-3 kPa).Ini akan sepadan dengan hujung gantung bebas berus polimer bercabang seperti yang ditunjukkan dalam imej STEM.Walaupun terdapat beberapa bukti kecerunan modulus di pinggir luar CL, substrat modulus tinggi utama lebih berpengaruh.Walau bagaimanapun, 100 nm permukaan atas adalah dalam lingkungan 20% daripada jumlah panjang berus polimer bercabang, jadi adalah munasabah untuk mengandaikan bahawa nilai diukur modulus dalam julat kedalaman lekukan ini adalah agak tepat dan tidak kuat. bergantung pada kesan objek bawah.
Disebabkan oleh reka bentuk biomimetik unik kanta sentuh lehfilcon A, yang terdiri daripada struktur berus polimer PMPC bercabang yang dicantumkan pada permukaan substrat SiHy, adalah sangat sukar untuk mencirikan sifat mekanikal struktur permukaannya dengan menggunakan kaedah pengukuran tradisional.Di sini kami mempersembahkan kaedah nanoindent AFM termaju untuk mencirikan bahan ultra-lembut dengan tepat seperti lefilcon A dengan kandungan air yang tinggi dan keanjalan yang sangat tinggi.Kaedah ini adalah berdasarkan penggunaan probe AFM yang saiz hujung dan geometrinya dipilih dengan teliti untuk memadankan dimensi struktur ciri permukaan ultra-lembut yang akan dicetak.Gabungan dimensi antara probe dan struktur ini memberikan kepekaan yang lebih tinggi, membolehkan kami mengukur modulus rendah dan sifat keanjalan yang wujud bagi unsur berus polimer bercabang, tanpa mengira kesan poroelastik.Keputusan menunjukkan bahawa ciri berus polimer PMPC bercabang unik pada permukaan kanta mempunyai modulus keanjalan yang sangat rendah (sehingga 2 kPa) dan keanjalan yang sangat tinggi (hampir 100%) apabila diuji dalam persekitaran berair.Keputusan nanoindentasi AFM juga membolehkan kami mencirikan modulus sentuhan/kecerunan kedalaman yang jelas (30 kPa/200 nm) permukaan kanta biomimetik.Kecerunan ini mungkin disebabkan oleh perbezaan modulus antara berus polimer bercabang dan substrat SiHy, atau struktur bercabang/ketumpatan berus polimer, atau gabungannya.Walau bagaimanapun, kajian yang lebih mendalam diperlukan untuk memahami sepenuhnya hubungan antara struktur dan sifat, terutamanya kesan cawangan berus pada sifat mekanikal.Pengukuran yang serupa boleh membantu mencirikan sifat mekanikal permukaan bahan ultra lembut dan peranti perubatan lain.
Set data yang dijana dan/atau dianalisis semasa kajian semasa tersedia daripada pengarang masing-masing atas permintaan yang munasabah.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. dan Haugen, HJ Tindak balas biologi terhadap sifat fizikal dan kimia permukaan biomaterial.bahan kimia.masyarakat.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM dan Liu, X. Penambahbaikan biomaterial terbitan manusia untuk kejuruteraan tisu.pengaturcaraan.polimer.Sains.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Reka bentuk, pelaksanaan klinikal, dan tindak balas imun biomaterial dalam perubatan regeneratif.Kebangsaan Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK dan Farr GM Kaedah yang lebih baik untuk menentukan kekerasan dan modulus keanjalan menggunakan eksperimen lekukan dengan ukuran beban dan anjakan.J. Alma mater.tangki simpanan.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Asal-usul sejarah ujian kekerasan lekukan.almamater.Sains.teknologi.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Pengukuran Kekerasan Indentasi pada Skala Makro, Mikro dan Nano: Kajian Kritikal.suku kaum.Wright.65, 1–18 (2017).
Ralat pengesanan Permukaan Kaufman, JD dan Clapperich, SM membawa kepada anggaran berlebihan modulus dalam nanoindentasi bahan lembut.J. Mecha.Tingkah laku.Sains Bioperubatan.almamater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR dan Yahya M.Yu.Penilaian kaedah nanoindentation untuk menentukan ciri mekanikal nanokomposit heterogen menggunakan kaedah eksperimen dan pengiraan.Sains.Rumah 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, dan Owart, TS Pencirian mekanikal gel viskoelastik lembut dengan analisis unsur terhingga songsang berasaskan lekukan dan pengoptimuman.J. Mecha.Tingkah laku.Sains Bioperubatan.almamater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J dan Chaneler D. Pengoptimuman penentuan viscoelasticity menggunakan sistem pengukuran yang serasi.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. dan Pellillo, E. Nanoindentation permukaan polimer.J. Fizik.D. Memohon fizik.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. dan Van Vliet KJ Pencirian sifat mekanikal viskoelastik polimer sangat kenyal dan tisu biologi menggunakan lekukan kejutan.Jurnal Biomaterial.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Penilaian modulus keanjalan dan kerja lekatan bahan lembut menggunakan kaedah Borodich-Galanov (BG) lanjutan dan lekukan dalam.bulu.almamater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Morfologi skala nano dan sifat mekanikal permukaan polimer biomimetik kanta sentuh hidrogel silikon.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).