Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Предыдущий» и «Далее» для перемещения по трем слайдам одновременно или используйте кнопки ползунка в конце для перемещения по трем слайдам одновременно.
С разработкой новых сверхмягких материалов для медицинских устройств и биомедицинских применений комплексная характеристика их физических и механических свойств становится одновременно важной и сложной задачей.Модифицированная методика наноиндентирования атомно-силовой микроскопии (АСМ) была применена для характеристики чрезвычайно низкого поверхностного модуля новой биомиметической силикон-гидрогелевой контактной линзы, покрытой слоем разветвленных полимерных щеточных структур.Этот метод позволяет точно определять точки контакта без эффекта вязкой экструзии при приближении к разветвленным полимерам.Кроме того, это дает возможность определять механические характеристики отдельных элементов щетки без влияния пороупругости.Это достигается путем выбора зонда АСМ, конструкция которого (размер наконечника, геометрия и жесткость пружины) особенно подходит для измерения свойств мягких материалов и биологических образцов.Этот метод повышает чувствительность и точность для точного измерения очень мягкого материала лефилкон А, имеющего чрезвычайно низкий модуль упругости на площади поверхности (до 2 кПа) и чрезвычайно высокую эластичность во внутренней (почти 100%) водной среде. .Результаты исследования поверхности не только выявили сверхмягкие свойства поверхности линзы лефилкон А, но и показали, что модуль разветвленных полимерных щеток сравним с модулем кремний-водородной подложки.Этот метод определения характеристик поверхности можно применять к другим сверхмягким материалам и медицинским устройствам.
Механические свойства материалов, предназначенных для прямого контакта с живой тканью, часто определяются биологической средой.Идеальное соответствие этих свойств материала помогает достичь желаемых клинических характеристик материала, не вызывая неблагоприятных клеточных реакций1,2,3.Для объемных однородных материалов характеристика механических свойств относительно проста благодаря наличию стандартных процедур и методов испытаний (например, микроиндентирования4,5,6).Однако для ультрамягких материалов, таких как гели, гидрогели, биополимеры, живые клетки и т. д., эти методы испытаний обычно неприменимы из-за ограничений разрешения измерений и неоднородности некоторых материалов7.За прошедшие годы традиционные методы индентирования были модифицированы и адаптированы для характеристики широкого спектра мягких материалов, но многие методы по-прежнему страдают от серьезных недостатков, которые ограничивают их использование8,9,10,11,12,13.Отсутствие специализированных методов испытаний, позволяющих точно и надежно охарактеризовать механические свойства сверхмягких материалов и поверхностных слоев, серьезно ограничивает их использование в различных приложениях.
В нашей предыдущей работе мы представили контактные линзы lehfilcon A (CL), мягкий гетерогенный материал со всеми сверхмягкими поверхностными свойствами, полученными на основе потенциально биомиметических конструкций, вдохновленных поверхностью роговицы глаза.Этот биоматериал был разработан путем прививки разветвленного сшитого полимерного слоя поли(2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолина (МПХ)) (ПМФХ) на силикон-гидрогель (SiHy) 15, предназначенный для медицинских изделий на его основе.Этот процесс прививки создает на поверхности слой, состоящий из очень мягкой и очень эластичной разветвленной полимерной структуры кисти.Наша предыдущая работа подтвердила, что биомиметическая структура lehfilcon A CL обеспечивает превосходные свойства поверхности, такие как улучшенное смачивание и предотвращение обрастания, повышенная смазывающая способность и снижение клеточной и бактериальной адгезии15,16.Кроме того, использование и разработка этого биомиметического материала также предполагает дальнейшее распространение на другие биомедицинские устройства.Поэтому крайне важно охарактеризовать свойства поверхности этого сверхмягкого материала и понять его механическое взаимодействие с глазом, чтобы создать всеобъемлющую базу знаний для поддержки будущих разработок и применений.Большинство коммерчески доступных контактных линз SiHy состоят из гомогенной смеси гидрофильных и гидрофобных полимеров, которые образуют однородную структуру материала17.Было проведено несколько исследований для изучения их механических свойств с использованием традиционных методов испытаний на сжатие, растяжение и микроиндентирование18,19,20,21.Однако новый биомиметический дизайн lehfilcon A CL делает его уникальным гетерогенным материалом, в котором механические свойства разветвленных полимерных щеточных структур значительно отличаются от свойств базовой подложки SiHy.Поэтому очень сложно точно оценить эти свойства обычными методами и методами индентирования.Перспективный метод использует метод наноиндентирования, реализованный в атомно-силовой микроскопии (АСМ), метод, который использовался для определения механических свойств мягких вязкоупругих материалов, таких как биологические клетки и ткани, а также мягких полимеров22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.При наноиндентировании AFM основы наноиндентирования сочетаются с последними достижениями в технологии AFM, чтобы обеспечить повышенную чувствительность измерений и тестирование широкого спектра сверхмягких материалов31,32,33,34,35,36.Кроме того, технология предлагает и другие важные преимущества за счет использования различной геометрии.индентор и зонд и возможность проведения испытаний в различных жидких средах.
АСМ-наноиндентирование можно условно разделить на три основные составляющие: (1) оборудование (сенсоры, детекторы, зонды и т. д.);(2) параметры измерения (такие как сила, смещение, скорость, размер рампы и т. д.);(3) Обработка данных (коррекция базовой линии, оценка точки касания, подбор данных, моделирование и т. д.).Существенной проблемой этого метода является то, что несколько исследований в литературе с использованием наноиндентирования АСМ сообщают об очень разных количественных результатах для одного и того же типа образца/клетки/материала37,38,39,40,41.Например, Лекка и др.Изучено и сопоставлено влияние геометрии зонда АСМ на измеряемый модуль Юнга образцов механически однородного гидрогеля и гетерогенных клеток.Они сообщают, что значения модуля сильно зависят от выбора кантилевера и формы наконечника: самое высокое значение для зонда в форме пирамиды и наименьшее значение 42 для сферического зонда.Аналогичным образом, Сельхубер-Ункель и др.Показано, как скорость индентора, его размер и толщина образцов полиакриламида (ПААМ) влияют на модуль Юнга, измеренный методом наноиндентирования ACM43.Еще одним осложняющим фактором является отсутствие стандартных испытательных материалов с чрезвычайно низким модулем упругости и бесплатных процедур испытаний.Это очень затрудняет получение точных результатов с уверенностью.Тем не менее, этот метод очень полезен для относительных измерений и сравнительных оценок между аналогичными типами образцов, например, с использованием наноиндентирования AFM, чтобы отличить нормальные клетки от раковых клеток 44, 45 .
При испытании мягких материалов с помощью наноиндентирования АСМ общее практическое правило заключается в использовании зонда с низкой жесткостью пружины (k), которая точно соответствует модулю упругости образца, и полусферическим/круглым наконечником, чтобы первый зонд не прокалывал поверхность образца на первый контакт с мягкими материалами.Также важно, чтобы сигнал отклонения, генерируемый зондом, был достаточно сильным, чтобы его можно было обнаружить системой лазерного детектора24,34,46,47.В случае сверхмягких гетерогенных клеток, тканей и гелей еще одной проблемой является преодоление силы сцепления между зондом и поверхностью образца, чтобы обеспечить воспроизводимые и надежные измерения48,49,50.До недавнего времени большая часть работ по наноиндентированию АСМ была сосредоточена на изучении механического поведения биологических клеток, тканей, гелей, гидрогелей и биомолекул с использованием относительно больших сферических зондов, обычно называемых коллоидными зондами (КП)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Эти наконечники имеют радиус от 1 до 50 мкм и обычно изготавливаются из боросиликатного стекла, полиметилметакрилата (ПММА), полистирола (ПС), диоксида кремния (SiO2) и алмаза. как карбон (DLC).Хотя наноиндентирование CP-AFM часто является первым выбором для определения характеристик мягких образцов, оно имеет свои проблемы и ограничения.Использование больших сферических наконечников микронного размера увеличивает общую площадь контакта наконечника с образцом и приводит к значительной потере пространственного разрешения.Для мягких неоднородных образцов, где механические свойства локальных элементов могут существенно отличаться от средних значений на более широкой площади, CP-индентирование может скрыть любую неоднородность свойств в локальном масштабе52.Коллоидные зонды обычно изготавливаются путем прикрепления коллоидных сфер микронного размера к кантилеверам без наконечников с помощью эпоксидного клея.Сам процесс производства сопряжен с множеством проблем и может привести к несоответствиям в процессе калибровки датчиков.Кроме того, размер и масса коллоидных частиц напрямую влияют на основные параметры калибровки кантилевера, такие как резонансная частота, жесткость пружины и чувствительность к отклонению56,57,58.Таким образом, обычно используемые методы для обычных датчиков АСМ, такие как температурная калибровка, могут не обеспечить точную калибровку CP, и для выполнения этих поправок могут потребоваться другие методы57, 59, 60, 61. В типичных экспериментах по вдавливанию CP используется кантилевер с большими отклонениями для исследование свойств мягких образцов, что создает еще одну проблему при калибровке нелинейного поведения кантилевера при относительно больших отклонениях62,63,64.Современные методы индентирования коллоидных зондов обычно учитывают геометрию кантилевера, используемого для калибровки зонда, но игнорируют влияние коллоидных частиц, что создает дополнительную неопределенность в точности метода38,61.Аналогичным образом, модули упругости, рассчитанные путем подбора контактной модели, напрямую зависят от геометрии индентирующего зонда, а несоответствие между характеристиками зонда и поверхности образца может привести к неточностям27, 65, 66, 67, 68. Некоторые недавние работы Spencer et al.Выделены факторы, которые следует учитывать при характеристике мягких полимерных щеток методом наноиндентирования CP-AFM.Они сообщили, что удержание вязкой жидкости в полимерных щетках в зависимости от скорости приводит к увеличению нагрузки на головку и, следовательно, к различным измерениям свойств, зависящих от скорости30,69,70,71.
В данной работе мы охарактеризовали модуль поверхности ультрамягкого высокоэластичного материала lehfilcon A CL с использованием модифицированного метода АСМ-наноиндентирования.Учитывая свойства и новую структуру этого материала, диапазон чувствительности традиционного метода индентирования явно недостаточен для характеристики модуля этого чрезвычайно мягкого материала, поэтому необходимо использовать метод АСМ-наноиндентирования с более высокой и меньшей чувствительностью.уровень.После рассмотрения недостатков и проблем существующих методов наноиндентирования коллоидными зондами АСМ мы покажем, почему мы выбрали меньший, специально разработанный зонд АСМ для устранения чувствительности, фонового шума, точной точки контакта, измерения модуля скорости мягких гетерогенных материалов, таких как удержание жидкости. зависимость.и точная количественная оценка.Кроме того, нам удалось точно измерить форму и размеры наконечника отпечатка, что позволило использовать модель посадки конус-сфера для определения модуля упругости без оценки площади контакта наконечника с материалом.Два неявных предположения, которые количественно определены в этой работе, - это полностью упругие свойства материала и модуль упругости, не зависящий от глубины вдавливания.Используя этот метод, мы сначала протестировали ультрамягкие стандарты с известным модулем для количественной оценки метода, а затем использовали этот метод для характеристики поверхностей двух разных материалов контактных линз.Ожидается, что этот метод определения характеристик поверхностей наноиндентирования АСМ с повышенной чувствительностью будет применим к широкому спектру биомиметических гетерогенных ультрамягких материалов с потенциальным использованием в медицинских устройствах и биомедицинских приложениях.
Для экспериментов по наноиндентированию были выбраны контактные линзы Lehfilcon A (Alcon, Форт-Уэрт, Техас, США) и их силикон-гидрогелевые подложки.В эксперименте использовалось специально разработанное крепление объектива.Чтобы установить объектив для тестирования, его аккуратно помещали на куполообразную подставку, следя за тем, чтобы внутрь не попадали пузырьки воздуха, а затем фиксировали краями.Отверстие в приспособлении в верхней части держателя линзы обеспечивает доступ к оптическому центру линзы для экспериментов по наноиндентированию, удерживая при этом жидкость на месте.Благодаря этому линзы остаются полностью увлажненными.В качестве тестируемого раствора использовали 500 мкл раствора для упаковки контактных линз.Для проверки количественных результатов были приготовлены коммерчески доступные гидрогели неактивированного полиакриламида (ПААМ) из композиции полиакриламид-со-метилен-бисакриламид (чашки Петри 100 мм Petrisoft, Matrigen, Ирвайн, Калифорния, США), известный модуль упругости 1. кПа.Используйте 4-5 капель (приблизительно 125 мкл) фосфатно-солевого буфера (PBS от Corning Life Sciences, Тьюксбери, Массачусетс, США) и 1 каплю раствора для контактных линз OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Во, Техас, США).) на границе раздела гидрогель-зонд АСМ.
Образцы подложек Lehfilcon A CL и SiHy визуализировали с помощью системы полевого эмиссионного сканирующего электронного микроскопа FEI Quanta 250 (FEG SEM), оснащенной детектором сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM).Для подготовки образцов линзы сначала промывали водой и разрезали на круглые клинья.Для достижения дифференциального контраста между гидрофильной и гидрофобной компонентами образцов в качестве красителя использовали 0,10% стабилизированный раствор RuO4, в который погружали образцы на 30 мин.Окрашивание lehfilcon A CL RuO4 важно не только для достижения улучшенного дифференциального контраста, но и помогает сохранить структуру разветвленных полимерных кистей в их первоначальном виде, которые затем видны на СТЭМ-изображениях.Затем их промывали и обезвоживали в серии смесей этанол/вода с возрастающей концентрацией этанола.Затем образцы были отлиты эпоксидной смолой EMBed 812/Araldite, которая отверждалась в течение ночи при 70°C.Блоки образцов, полученные полимеризацией смолы, разрезали на ультрамикротоме и полученные тонкие срезы визуализировали с помощью STEM-детектора в режиме низкого вакуума при ускоряющем напряжении 30 кВ.Та же система СЭМ использовалась для детальной характеристики АСМ-зонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Санта-Барбара, Калифорния, США).СЭМ-изображения АСМ-зонда были получены в типичном режиме высокого вакуума с ускоряющим напряжением 30 кВ.Получайте изображения под разными углами и увеличениями, чтобы записать все детали формы и размера кончика зонда АСМ.Все размеры наконечников, представляющие интерес на изображениях, были измерены в цифровом виде.
Атомно-силовой микроскоп Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Санта-Барбара, Калифорния, США) с режимом «PeakForce QNM in Fluid» использовался для визуализации и наноиндентирования образцов lehfilcon A CL, субстрата SiHy и гидрогеля PAAm.Для экспериментов по визуализации использовался зонд PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) с номинальным радиусом кончика 1 нм для получения изображений образца с высоким разрешением при частоте сканирования 0,50 Гц.Все изображения были сделаны в водном растворе.
Эксперименты по наноиндентированию АСМ проводились с использованием зонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Зонд АСМ имеет кремниевый наконечник на нитридном кантилевере толщиной 345 нм, длиной 54 мкм и шириной 4,5 мкм с резонансной частотой 45 кГц.Он специально разработан для определения характеристик и проведения количественных наномеханических измерений на мягких биологических образцах.Датчики индивидуально калибруются на заводе с предварительно откалиброванными настройками пружин.Жесткость пружины зондов, использованных в данном исследовании, находилась в диапазоне 0,05–0,1 Н/м.Чтобы точно определить форму и размер наконечника, зонд был детально охарактеризован с помощью СЭМ.На рис.На рисунке 1а показана сканирующая электронная микрофотография зонда PFQNM-LC-A-CAL с высоким разрешением и малым увеличением, дающая целостное представление о конструкции зонда.На рис.1b показан увеличенный вид верхней части наконечника зонда, дающий информацию о форме и размере наконечника.На крайнем конце игла представляет собой полусферу диаметром около 140 нм (рис. 1в).Ниже этого кончик сужается до конической формы, достигая измеренной длины примерно 500 нм.За пределами сужающейся области наконечник имеет цилиндрическую форму и заканчивается общей длиной 1,18 мкм.Это основная функциональная часть наконечника зонда.Кроме того, в качестве коллоидного зонда для испытаний также использовался большой сферический зонд из полистирола (PS) (Novascan Technologies, Inc., Бун, Айова, США) с диаметром наконечника 45 мкм и жесткостью пружины 2 Н/м.с зондом PFQNM-LC-A-CAL 140 нм для сравнения.
Сообщалось, что жидкость может задерживаться между зондом АСМ и структурой полимерной щетки во время наноиндентирования, что будет оказывать восходящую силу на зонд АСМ до того, как он фактически коснется поверхности69.Этот эффект вязкой экструзии из-за удержания жидкости может изменить видимую точку контакта, тем самым влияя на измерения модуля поверхности.Для изучения влияния геометрии зонда и скорости вдавливания на удержание жидкости были построены кривые силы вдавливания для образцов lehfilcon A CL с использованием зонда диаметром 140 нм при постоянных скоростях смещения 1 мкм/с и 2 мкм/с.диаметр зонда 45 мкм, фиксированное усилие 6 нН, достигаемое при скорости 1 мкм/с.Эксперименты с зондом диаметром 140 нм проводились при скорости вдавливания 1 мкм/с и заданной силе 300 пН, выбранной для создания контактного давления в пределах физиологического диапазона (1–8 кПа) верхнего века.давление 72. Мягкие готовые образцы гидрогеля ПАК давлением 1 кПа испытывали на силу вдавливания 50 пН при скорости 1 мкм/с с использованием зонда диаметром 140 нм.
Поскольку длина конической части кончика зонда PFQNM-LC-A-CAL составляет примерно 500 нм, при любой глубине индентирования < 500 нм можно смело предположить, что геометрия зонда во время индентирования останется верной своей форма конуса.Кроме того, предполагается, что поверхность испытуемого материала будет проявлять обратимую упругую реакцию, что также будет подтверждено в следующих разделах.Поэтому, в зависимости от формы и размера наконечника, мы выбрали модель фитинга конус-сфера, разработанную Бриско, Себастьяном и Адамсом, которая доступна в программном обеспечении поставщика, для обработки наших экспериментов по наноиндентированию АСМ (NanoScope).Программное обеспечение для анализа данных разделения, Bruker) 73. Модель описывает соотношение силы и смещения F(δ) для конуса со сферическим дефектом вершины.На рис.На рис. 2 показана геометрия контакта при взаимодействии жесткого конуса со сферическим наконечником, где R — радиус сферического наконечника, а — радиус контакта, b — радиус контакта на конце сферического наконечника, δ — радиус контакта. радиус контакта.глубина отпечатка, θ — половина угла конуса.СЭМ-изображение этого зонда ясно показывает, что сферический кончик диаметром 140 нм по касательной переходит в конус, поэтому здесь b определяется только через R, т.е. b = R cos θ.Программное обеспечение, поставляемое поставщиком, обеспечивает соотношение конус-сфера для расчета значений модуля Юнга (E) на основе данных разделения сил при условии, что a > b.Отношение:
где F — сила вдавливания, E — модуль Юнга, ν — коэффициент Пуассона.Радиус контакта a можно оценить с помощью:
Схема контактной геометрии жесткого конуса со сферическим наконечником, запрессованного в материал контактной линзы Lefilcon с поверхностным слоем разветвленных полимерных щеток.
Если a ≤ b, соотношение сводится к уравнению для обычного сферического индентора;
Мы полагаем, что взаимодействие индентирующего зонда с разветвленной структурой полимерной щетки из ПМПК приведет к тому, что радиус контакта a станет больше сферического радиуса контакта b.Поэтому для всех количественных измерений модуля упругости, выполненных в данной работе, мы использовали зависимость, полученную для случая a > b.
Ультрамягкие биомиметические материалы, изученные в этом исследовании, были всесторонне отображены с помощью сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (STEM) поперечного сечения образца и атомно-силовой микроскопии (AFM) поверхности.Эта детальная характеристика поверхности была выполнена как продолжение нашей ранее опубликованной работы, в которой мы определили, что динамически разветвленная полимерная структура щетки модифицированной PMPC поверхности lehfilcon A CL проявляет сходные механические свойства с нативной тканью роговицы 14 .По этой причине мы называем поверхности контактных линз биомиметическими материалами14.На рис.3а, б показаны поперечные сечения разветвленных полимерных щеточных структур ПМПК на поверхности подложки lehfilcon A CL и необработанной подложки SiHy соответственно.Поверхности обоих образцов были дополнительно проанализированы с использованием АСМ-изображений высокого разрешения, что дополнительно подтвердило результаты STEM-анализа (рис. 3в, г).В совокупности эти изображения дают приблизительную длину структуры разветвленной полимерной щетки PMPC в диапазоне 300–400 нм, что имеет решающее значение для интерпретации измерений наноиндентирования с помощью АСМ.Еще одно ключевое наблюдение, полученное на основе изображений, заключается в том, что общая структура поверхности биомиметического материала CL морфологически отличается от структуры материала подложки SiHy.Эта разница в морфологии их поверхности может проявиться во время их механического взаимодействия с индентирующим зондом АСМ и впоследствии в измеренных значениях модуля.
Изображения поперечного сечения STEM (а) lehfilcon A CL и (b) подложки SiHy.Масштабная линейка, 500 нм.АСМ-изображения поверхности подложки lehfilcon A CL (в) и базовой подложки SiHy (г) (3 мкм × 3 мкм).
Биоинспирированные полимеры и структуры полимерных щеток по своей природе мягкие и широко изучаются и используются в различных биомедицинских приложениях74,75,76,77.Поэтому важно использовать метод наноиндентирования АСМ, который позволяет точно и надежно измерить их механические свойства.Но в то же время уникальные свойства этих сверхмягких материалов, такие как чрезвычайно низкий модуль упругости, высокое содержание жидкости и высокая эластичность, часто затрудняют выбор правильного материала, формы и формы индентирующего зонда.размер.Это важно для того, чтобы индентор не проткнул мягкую поверхность образца, что привело бы к ошибкам в определении точки контакта с поверхностью и площади контакта.
Для этого необходимо всестороннее понимание морфологии ультрамягких биомиметических материалов (lehfilcon A CL).Информация о размерах и структуре разветвленных полимерных щеток, полученная методом визуализации, служит основой для определения механических характеристик поверхности с использованием методов АСМ-наноиндентирования.Вместо сферических коллоидных зондов микронного размера мы выбрали зонд из нитрида кремния PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) с диаметром кончика 140 нм, специально разработанный для количественного картирования механических свойств биологических образцов 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Обоснование использования относительно острых зондов по сравнению с традиционными коллоидными зондами можно объяснить структурными особенностями материала.Сравнивая размер кончика зонда (~140 нм) с разветвленными полимерными щетками на поверхности CL лефилкона А, показанными на рис. 3а, можно сделать вывод, что кончик достаточно велик, чтобы вступать в непосредственный контакт с этими щеточными структурами, которые снижает вероятность прокола их кончиком.Чтобы проиллюстрировать этот момент, на рис. 4 показано STEM-изображение lehfilcon A CL и наконечника зонда АСМ (нарисовано в масштабе).
Схематическое изображение STEM-изображения lehfilcon A CL и индентирующего зонда ACM (нарисовано в масштабе).
Кроме того, размер кончика 140 нм достаточно мал, чтобы избежать риска любого из эффектов липкой экструзии, о которых ранее сообщалось для полимерных щеток, изготовленных методом наноиндентирования CP-AFM69,71.Мы предполагаем, что благодаря особой конусно-сферической форме и относительно небольшому размеру этого наконечника АСМ (рис. 1) характер силовой кривой, генерируемой наноиндентированием lehfilcon A CL, не будет зависеть от скорости индентирования или скорости загрузки/разгрузки. .Поэтому на него не влияют пороэластические эффекты.Чтобы проверить эту гипотезу, образцы lehfilcon A CL подвергались вдавливанию с фиксированной максимальной силой с использованием зонда PFQNM-LC-A-CAL, но с двумя разными скоростями, а полученные кривые силы растяжения и втягивания использовались для построения графика силы (нН). Расстояние между ними (мкм) показано на рисунке 5а.Видно, что кривые силы при нагружении и разгрузке полностью перекрываются, и нет четких доказательств того, что усилие сдвига при нулевой глубине вдавливания увеличивается с увеличением скорости вдавливания на рисунке, что позволяет предположить, что отдельные элементы щетки характеризовались отсутствием пороупругого эффекта.Напротив, эффекты удержания жидкости (эффекты вязкой экструзии и пороэластичности) очевидны для АСМ-зонда диаметром 45 мкм при той же скорости вдавливания и подчеркнуты гистерезисом между кривыми растяжения и втягивания, как показано на рисунке 5b.Эти результаты подтверждают гипотезу и позволяют предположить, что зонды диаметром 140 нм являются хорошим выбором для определения характеристик таких мягких поверхностей.
lehfilcon A CL кривые силы вдавливания с использованием ACM;а) использование зонда диаметром 140 нм при двух скоростях нагружения, демонстрирующее отсутствие пороупругого эффекта при поверхностном индентировании;(б) с использованием зондов диаметром 45 мкм и 140 нм.На рисунках показаны эффекты вязкой экструзии и пороэластичности для зондов большого размера по сравнению с зондами меньшего размера.
Чтобы охарактеризовать ультрамягкие поверхности, методы наноиндентирования АСМ должны иметь лучший зонд для изучения свойств исследуемого материала.Помимо формы и размера иглы, важную роль в определении точности и надежности наноиндентирования играют чувствительность детекторной системы АСМ, чувствительность к отклонению иглы в испытательной среде и жесткость кантилевера.измерения.Для нашей системы АСМ предел обнаружения позиционно-чувствительного детектора (PSD) составляет примерно 0,5 мВ и основан на предварительно откалиброванной жесткости пружины и рассчитанной чувствительности датчика PFQNM-LC-A-CAL к отклонению жидкости, что соответствует теоретическая чувствительность к нагрузке.составляет менее 0,1 пН.Таким образом, этот метод позволяет измерять минимальную силу вдавливания ≤ 0,1 пН без какой-либо составляющей периферического шума.Однако системе АСМ практически невозможно снизить периферийный шум до этого уровня из-за таких факторов, как механическая вибрация и гидродинамика.Эти факторы ограничивают общую чувствительность метода наноиндентирования АСМ, а также приводят к сигналу фонового шума примерно ≤ 10 пН.Для определения характеристик поверхности образцы подложек lehfilcon A CL и SiHy были подвергнуты индентированию в полностью гидратированных условиях с использованием зонда с длиной волны 140 нм для SEM-характеристики, и полученные кривые силы были наложены между силой (pN) и давлением.График разделения (мкм) показан на рисунке 6а.По сравнению с базовой подложкой SiHy силовая кривая lehfilcon A CL четко показывает переходную фазу, начинающуюся в точке контакта с раздвоенной полимерной щеткой и заканчивающуюся резким изменением наклона, обозначающим контакт кончика с основным материалом.Эта переходная часть кривой силы подчеркивает действительно упругое поведение щетки из разветвленного полимера на поверхности, о чем свидетельствует кривая сжатия, близко повторяющая кривую растяжения, и контраст механических свойств между структурой щетки и объемным материалом SiHy.При сравнении лефилкона.Разделение средней длины разветвленной полимерной щетки на СТЭМ-изображении ПКС (рис. 3а) и ее силовой кривой по оси абсцисс на рис. 3а.6а показывает, что метод способен обнаружить кончик и разветвленный полимер, достигающий самого верха поверхности.Контакт между щеточными структурами.Кроме того, близкое перекрытие кривых силы указывает на отсутствие эффекта удержания жидкости.В этом случае адгезия между иглой и поверхностью образца совершенно отсутствует.Самые верхние участки силовых кривых для двух образцов перекрываются, что отражает сходство механических свойств материалов подложки.
(а) Кривые силы наноиндентирования AFM для подложек lehfilcon A CL и подложек SiHy, (b) кривые силы, показывающие оценку точки контакта с использованием метода порога фонового шума.
Чтобы изучить более мелкие детали кривой силы, кривая растяжения образца lehfilcon A CL повторно построена на рис. 6b с максимальной силой 50 пН вдоль оси y.Этот график предоставляет важную информацию об исходном фоновом шуме.Шум находится в диапазоне ±10 пН, что используется для точного определения точки контакта и расчета глубины вдавливания.Как сообщается в литературе, идентификация точек контакта имеет решающее значение для точной оценки свойств материала, таких как модуль85.Подход, включающий автоматическую обработку данных кривых силы, показал лучшее соответствие между подгонкой данных и количественными измерениями для мягких материалов86.В этой работе наш выбор точек соприкосновения относительно прост и объективен, но имеет свои ограничения.Наш консервативный подход к определению точки контакта может привести к несколько завышенным значениям модуля при меньшей глубине отпечатка (< 100 нм).Использование алгоритмического обнаружения точек касания и автоматизированной обработки данных может стать продолжением этой работы в будущем для дальнейшего совершенствования нашего метода.Таким образом, для собственного фонового шума порядка ±10 пН мы определяем точку контакта как первую точку данных на оси x на рисунке 6b со значением ≥10 пН.Затем в соответствии с шумовым порогом 10 пН вертикальная линия на уровне ~0,27 мкм отмечает точку контакта с поверхностью, после чего кривая растяжения продолжается до достижения подложкой глубины отпечатка ~270 нм.Интересно, что, судя по размеру элементов разветвленной полимерной щетки (300–400 нм), измеренному методом визуализации, глубина отпечатка образца CL lehfilcon A, наблюдаемая с помощью метода порога фонового шума, составляет около 270 нм, что очень близко к размер измерения с помощью STEM.Эти результаты дополнительно подтверждают совместимость и применимость формы и размера наконечника зонда АСМ для вдавливания этой очень мягкой и высокоэластичной структуры разветвленной полимерной щетки.Эти данные также предоставляют убедительные доказательства в поддержку нашего метода использования фонового шума в качестве порога для определения точек контакта.Таким образом, любые количественные результаты, полученные в результате математического моделирования и подбора кривой силы, должны быть относительно точными.
Количественные измерения методами АСМ-наноиндентирования полностью зависят от математических моделей, используемых для отбора данных и их последующего анализа.Поэтому перед выбором той или иной модели важно учитывать все факторы, связанные с выбором индентора, свойствами материала и механикой их взаимодействия.В этом случае геометрия наконечника была тщательно охарактеризована с помощью микрофотографий СЭМ (рис. 1), и на основании результатов АСМ-зонд для наноиндентирования диаметром 140 нм с твердым конусом и сферической геометрией наконечника является хорошим выбором для определения характеристик образцов lehfilcon A CL79. .Еще одним важным фактором, который необходимо тщательно оценить, является эластичность испытуемого полимерного материала.Хотя исходные данные наноиндентирования (рис. 5а и 6а) четко очерчивают особенности перекрытия кривых растяжения и сжатия, т.е. полного упругого восстановления материала, чрезвычайно важно подтвердить чисто упругий характер контактов. .С этой целью в одном и том же месте на поверхности образца lehfilcon A CL были выполнены два последовательных индентирования со скоростью индентирования 1 мкм/с в условиях полной гидратации.Полученные данные кривой силы показаны на рис.7, и, как и ожидалось, кривые расширения и сжатия двух отпечатков практически идентичны, что подчеркивает высокую эластичность разветвленной структуры полимерной щетки.
Две кривые силы вдавливания в одном и том же месте на поверхности lehfilcon A CL указывают на идеальную эластичность поверхности линзы.
На основе информации, полученной с помощью изображений кончика зонда и поверхности lehfilcon A CL, полученных с помощью SEM и STEM, соответственно, модель конус-сферы представляет собой разумное математическое представление взаимодействия между кончиком зонда AFM и тестируемым мягким полимерным материалом.Кроме того, для этой модели конус-сфера фундаментальные предположения об упругих свойствах отпечатанного материала справедливы и для этого нового биомиметического материала и используются для количественной оценки модуля упругости.
После всесторонней оценки метода наноиндентирования АСМ и его компонентов, включая свойства зонда индентирования (форма, размер и жесткость пружины), чувствительность (фоновый шум и оценка точки контакта) и модели аппроксимации данных (количественные измерения модуля), метод был использовал.охарактеризовать коммерчески доступные ультрамягкие образцы для проверки количественных результатов.Коммерческий гидрогель полиакриламида (ПААМ) с модулем упругости 1 кПа был протестирован в гидратированных условиях с использованием зонда 140 нм.Подробности тестирования и расчетов модуля представлены в дополнительной информации.Результаты показали, что средний измеренный модуль упругости составил 0,92 кПа, а %RSD и процентное (%) отклонение от известного модуля составили менее 10%.Эти результаты подтверждают точность и воспроизводимость метода АСМ-наноиндентирования, использованного в данной работе для измерения модулей ультрамягких материалов.Поверхности образцов lehfilcon A CL и базовой подложки SiHy были дополнительно охарактеризованы с использованием того же метода наноиндентирования АСМ для изучения кажущегося контактного модуля ультрамягкой поверхности в зависимости от глубины отпечатка.Кривые разделения силы вдавливания были построены для трех образцов каждого типа (n = 3, по одному отпечатку на образец) при силе 300 пН, скорости 1 мкм/с и полной гидратации.Кривая распределения силы вдавливания была аппроксимирована с использованием модели конус-сфера.Для получения модуля, зависящего от глубины отпечатка, устанавливали участок силовой кривой шириной 40 нм с каждым шагом 20 нм, начиная с точки контакта, и измеряли значения модуля на каждом шаге силовой кривой.Спин Сай и др.Аналогичный подход был использован для характеристики градиента модуля полимерных щеток из поли(лаурилметакрилата) (P12MA) с использованием наноиндентирования коллоидным зондом АСМ, и они согласуются с данными, полученными с использованием контактной модели Герца.Этот подход позволяет построить график зависимости кажущегося контактного модуля (кПа) от глубины вдавливания (нм), как показано на рисунке 8, который иллюстрирует кажущийся контактный модуль/градиент глубины.Рассчитанный модуль упругости образца CL лефилкон А находится в диапазоне 2–3 кПа в пределах верхних 100 нм образца, за пределами которого он начинает увеличиваться с глубиной.С другой стороны, при испытании базовой подложки SiHy без щеткообразной пленки на поверхности максимальная глубина вдавливания, достигаемая при усилии 300 пН, составляет менее 50 нм, а полученное по данным значение модуля составляет около 400 кПа. , что сравнимо со значениями модуля Юнга для сыпучих материалов.
Кажущаяся контактный модуль (кПа) в зависимости от глубины отпечатка (нм) для подложек lehfilcon A CL и SiHy с использованием метода наноиндентирования AFM с геометрией конус-сфера для измерения модуля.
Самая верхняя поверхность новой биомиметической структуры щетки из разветвленного полимера имеет чрезвычайно низкий модуль упругости (2–3 кПа).Это будет соответствовать свободно свисающему концу раздвоенной полимерной кисти, как показано на изображении STEM.Хотя есть некоторые свидетельства градиента модуля на внешнем крае CL, основной высокомодульный субстрат оказывает большее влияние.Однако верхние 100 нм поверхности находятся в пределах 20% от общей длины разветвленной полимерной щетки, поэтому разумно предположить, что измеренные значения модуля в этом диапазоне глубины отпечатка относительно точны и не сильно влияют на зависят от эффекта нижнего объекта.
Из-за уникальной биомиметической конструкции контактных линз lehfilcon A, состоящих из разветвленных щеточных структур из полимера PMPC, привитых на поверхность подложек SiHy, очень сложно достоверно охарактеризовать механические свойства их поверхностных структур с помощью традиционных методов измерения.Здесь мы представляем передовой метод наноиндентирования АСМ для точного определения характеристик ультрамягких материалов, таких как лефилкон А, с высоким содержанием воды и чрезвычайно высокой эластичностью.Этот метод основан на использовании зонда АСМ, размер и геометрия наконечника которого тщательно выбираются в соответствии со структурными размерами элементов сверхмягкой поверхности, подлежащих отпечатку.Такое сочетание размеров зонда и структуры обеспечивает повышенную чувствительность, позволяя нам измерять низкий модуль упругости и присущие упругие свойства щеточных элементов из разветвленного полимера, независимо от пороупругих эффектов.Результаты показали, что уникальные разветвленные полимерные щетки ПМПК, характерные для поверхности линз, обладают чрезвычайно низким модулем упругости (до 2 кПа) и очень высокой эластичностью (почти 100%) при тестировании в водной среде.Результаты АСМ-наноиндентирования также позволили нам охарактеризовать кажущийся градиент контактного модуля/глубины (30 кПа/200 нм) поверхности биомиметической линзы.Этот градиент может быть обусловлен разницей модулей между щетками из разветвленного полимера и подложкой SiHy, или разветвленной структурой/плотностью полимерных щеток, или их комбинацией.Однако необходимы дальнейшие углубленные исследования, чтобы полностью понять взаимосвязь между структурой и свойствами, особенно влияние разветвления щеток на механические свойства.Подобные измерения могут помочь охарактеризовать механические свойства поверхности других сверхмягких материалов и медицинских устройств.
Наборы данных, созданные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующих авторов по обоснованному запросу.
Рахмати М., Сильва Э.А., Резеланд Дж.Э., Хейворд К. и Хауген Х.Дж. Биологические реакции на физические и химические свойства поверхностей биоматериалов.Химический.общество.Эд.49, 5178–5224 (2020).
Чен Ф.М. и Лю К. Улучшение биоматериалов человеческого происхождения для тканевой инженерии.программирование.полимер.наука.53, 86 (2016).
Сэдтлер, К. и др.Разработка, клиническое применение и иммунный ответ биоматериалов в регенеративной медицине.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Оливер В.К. и Фарр Г.М. Улучшенный метод определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов по вдавливанию с измерениями нагрузки и смещения.Дж. Альма-матер.резервуар.7, 1564–1583 (2011).
Уолли, С.М. Историческое происхождение испытаний на твердость при вдавливании.альма-матер.наука.технологии.28, 1028–1044 (2012).
Бройтман, Э. Измерения твердости при отпечатке на макро-, микро- и наномасштабе: критический обзор.племя.Райт.65, 1–18 (2017).
Кауфман Дж. Д. и Клапперих С. ​​М. Ошибки определения поверхности приводят к завышению оценки модуля при наноиндентировании мягких материалов.Дж. Меха.Поведение.Биомедицинская наука.альма-матер.2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колор ССР, Аятоллахи М.Р., Бушроа А.Р. и Яхья М.Ю.Оценка метода наноиндентирования для определения механических характеристик гетерогенных нанокомпозитов экспериментальными и расчетными методами.наука.Дом 9, 15763 (2019).
Лю К., Ван Лендингем М. Р. и Оварт Т. С. Механическая характеристика мягких вязкоупругих гелей путем вдавливания и обратного анализа методом конечных элементов на основе оптимизации.Дж. Меха.Поведение.Биомедицинская наука.альма-матер.2, 355–363 (2009).
Эндрюс Дж.В., Боуэн Дж. и Шанелер Д. Оптимизация определения вязкоупругости с использованием совместимых измерительных систем.Мягкая материя 9, 5581–5593 (2013).
Бриско Б.Дж., Фиори Л. и Пеллилло Э. Наноиндентирование полимерных поверхностей.Дж. Физика.D. Подать заявку на физику.31, 2395 (1998).
Мияилович А.С., Цин Б., Фортунато Д. и Ван Влит К.Дж. Характеристика вязкоупругих механических свойств высокоэластичных полимеров и биологических тканей методом ударного индентирования.Журнал биоматериалов.71, 388–397 (2018).
Перепелкин Н.В., Ковалев А.Е., Горб С.Н., Бородич Ф.М. Оценка модуля упругости и работы адгезии мягких материалов расширенным методом Бородича-Галанова (Б.Г.) и глубоким индентированием.шерсть.альма-матер.129, 198–213 (2019).
Ши, X. и др.Наноразмерная морфология и механические свойства биомиметических полимерных поверхностей силикон-гидрогелевых контактных линз.Ленгмюр 37, 13961–13967 (2021).