Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном.Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда одједном или користите дугмад клизача на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Са развојем нових ултра-меких материјала за медицинске уређаје и биомедицинске апликације, свеобухватна карактеризација њихових физичких и механичких својстава је и важна и изазовна.Техника наноиндентације модификоване микроскопије атомске силе (АФМ) је примењена да би се карактерисао изузетно низак површински модул новог лехфилцон А биомиметичког силикон хидрогел контактног сочива обложеног слојем разгранате полимерне структуре четкице.Ова метода омогућава прецизно одређивање контактних тачака без ефеката вискозног истискивања када се приближавају разгранатим полимерима.Поред тога, омогућава одређивање механичких карактеристика појединих елемената четкице без ефекта пороеластичности.Ово се постиже одабиром АФМ сонде са дизајном (величина врха, геометрија и брзина опруге) који је посебно погодан за мерење својстава меких материјала и биолошких узорака.Ова метода побољшава осетљивост и тачност за тачно мерење веома меког материјала лехфилцон А, који има изузетно низак модул еластичности на површини (до 2 кПа) и изузетно високу еластичност у унутрашњем (скоро 100%) воденом окружењу. .Резултати површинске студије не само да су открили ултра меке површинске особине лехфилцон А сочива, већ су такође показали да је модул разгранатих полимерних четкица упоредив са модулом силицијум-водониковог супстрата.Ова техника карактеризације површине може се применити на друге ултра-меке материјале и медицинске уређаје.
Механичка својства материјала дизајнираних за директан контакт са живим ткивом често су одређена биолошким окружењем.Савршено подударање ових својстава материјала помаже да се постигну жељене клиничке карактеристике материјала без изазивања нежељених ћелијских одговора1,2,3.За расуте хомогене материјале, карактеризација механичких својстава је релативно лака због доступности стандардних процедура и метода испитивања (нпр. микроиндентација4,5,6).Међутим, за ултра-меке материјале као што су гелови, хидрогелови, биополимери, живе ћелије, итд., ове методе испитивања генерално нису применљиве због ограничења резолуције мерења и нехомогености неких материјала7.Током година, традиционалне методе удубљења су модификоване и прилагођене да карактеришу широк спектар меких материјала, али многе методе и даље пате од озбиљних недостатака који ограничавају њихову употребу8,9,10,11,12,13.Недостатак специјализованих метода испитивања које могу тачно и поуздано да карактеришу механичка својства супермеких материјала и површинских слојева озбиљно ограничава њихову употребу у различитим применама.
У нашем претходном раду, представили смо лехфилцон А (ЦЛ) контактна сочива, меки хетерогени материјал са свим ултра меким површинским својствима проистеклим из потенцијално биомиметичких дизајна инспирисаних површином рожњаче ока.Овај биоматеријал је развијен калемљењем разгранатог, умреженог полимерног слоја поли(2-метакрилоилоксиетилфосфорилхолина (МПЦ)) (ПМПЦ) на силикон хидрогел (СиХи) 15 дизајниран за медицинске уређаје на бази.Овај процес калемљења ствара слој на површини који се састоји од веома меке и високо еластичне разгранате полимерне структуре четкице.Наш претходни рад је потврдио да биомиметичка структура лехфилцон А ЦЛ пружа супериорна својства површине као што су побољшана превенција влажења и прљања, повећано подмазивање и смањена ћелијска и бактеријска адхезија15,16.Поред тога, употреба и развој овог биомиметичког материјала такође сугерише даљу експанзију на друге биомедицинске уређаје.Због тога је критично окарактерисати својства површине овог ултра-меког материјала и разумети његову механичку интеракцију са оком како би се створила свеобухватна база знања за подршку будућем развоју и примени.Већина комерцијално доступних СиХи контактних сочива састављена је од хомогене мешавине хидрофилних и хидрофобних полимера који формирају униформну структуру материјала17.Спроведено је неколико студија како би се испитала њихова механичка својства коришћењем традиционалних метода испитивања компресије, затезања и микроудубљења18,19,20,21.Међутим, нови биомиметички дизајн лехфилцон А ЦЛ чини га јединственим хетерогеним материјалом у коме се механичка својства разгранате полимерне структуре четкице значајно разликују од оних на бази СиХи подлоге.Због тога је веома тешко прецизно квантификовати ова својства коришћењем конвенционалних метода и метода удубљења.Обећавајући метод користи методу тестирања наноиндентације примењену у микроскопији атомске силе (АФМ), методу која је коришћена за одређивање механичких својстава меких вискоеластичних материјала као што су биолошке ћелије и ткива, као и меки полимери22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.У АФМ наноиндентацији, основе тестирања наноиндентације су комбиноване са најновијим достигнућима у АФМ технологији како би се обезбедила повећана осетљивост мерења и тестирање широког спектра инхерентно супермеких материјала31,32,33,34,35,36.Поред тога, технологија нуди и друге важне предности употребом различитих геометрија.индентера и сонде и могућност испитивања у различитим течним медијима.
АФМ наноиндентација се условно може поделити на три главне компоненте: (1) опрема (сензори, детектори, сонде, итд.);(2) мерне параметре (као што су сила, померање, брзина, величина рампе, итд.);(3) Обрада података (исправка основне линије, процена додирне тачке, уклапање података, моделирање, итд.).Значајан проблем са овом методом је што неколико студија у литератури које користе АФМ наноиндентацију извештавају о веома различитим квантитативним резултатима за исти узорак/ћелију/тип материјала37,38,39,40,41.На пример, Лекка ет ал.Испитиван је и упоређен утицај геометрије АФМ сонде на измерени Јангов модул узорака механички хомогеног хидрогела и хетерогених ћелија.Они наводе да вредности модула у великој мери зависе од избора конзоле и облика врха, са највишом вредношћу за сонду у облику пирамиде и најнижом вредношћу од 42 за сферичну сонду.Слично, Селхубер-Ункел ет ал.Показано је како брзина утискивача, величина и дебљина полиакриламида (ПААМ) узорака утичу на Јангов модул мерен АЦМ43 наноиндентацијом.Други фактор који компликује је недостатак стандардних материјала за испитивање изузетно ниског модула и бесплатних тестних процедура.Због тога је веома тешко добити тачне резултате са самопоуздањем.Међутим, метода је веома корисна за релативна мерења и упоредне процене између сличних типова узорака, на пример коришћењем АФМ наноиндентације за разликовање нормалних ћелија од ћелија рака 44, 45 .
Када се тестирају меки материјали са АФМ наноиндентацијом, опште правило је да се користи сонда са ниском константом опруге (к) која блиско одговара модулу узорка и хемисферичним/округлим врхом тако да прва сонда не пробије површине узорка на први контакт са меким материјалима.Такође је важно да сигнал отклона који генерише сонда буде довољно јак да га систем ласерског детектора детектује24,34,46,47.У случају ултра-меких хетерогених ћелија, ткива и гелова, други изазов је превазилажење силе лепљења између сонде и површине узорка како би се обезбедила поновљива и поуздана мерења48,49,50.До недавно, већина радова на АФМ наноиндентацији била је фокусирана на проучавање механичког понашања биолошких ћелија, ткива, гелова, хидрогелова и биомолекула користећи релативно велике сферне сонде, које се обично називају колоидне сонде (ЦП)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ови врхови имају радијус од 1 до 50 µм и обично се праве од боросиликатног стакла, полиметил метакрилата (ПММА), полистирена (ПС), силицијум диоксида (СиО2) и дијаманата. попут угљеника (ДЛЦ).Иако је ЦП-АФМ наноиндентација често први избор за карактеризацију меког узорка, она има своје проблеме и ограничења.Употреба великих сферичних врхова микронске величине повећава укупну површину контакта врха са узорком и резултира значајним губитком просторне резолуције.За меке, нехомогене узорке, где се механичка својства локалних елемената могу значајно разликовати од просека на ширем подручју, ЦП удубљење може сакрити било какву нехомогеност својстава на локалној скали52.Колоидне сонде се обично праве причвршћивањем колоидних сфера микронске величине на конзоле без врха помоћу епоксидних лепкова.Сам процес производње је препун многих проблема и може довести до недоследности у процесу калибрације сонде.Поред тога, величина и маса колоидних честица директно утичу на главне параметре калибрације конзоле, као што су резонантна фреквенција, крутост опруге и осетљивост на отклон56,57,58.Стога, најчешће коришћене методе за конвенционалне АФМ сонде, као што је калибрација температуре, можда неће обезбедити прецизну калибрацију за ЦП, а друге методе могу бити потребне за извођење ових корекција57, 59, 60, 61. Типични експерименти ЦП удубљења користе велика одступања конзоле за проучавају својства меких узорака, што ствара још један проблем при калибрацији нелинеарног понашања конзоле при релативно великим девијацијама62,63,64.Савремене методе утискивања колоидне сонде обично узимају у обзир геометрију конзоле која се користи за калибрацију сонде, али занемарују утицај колоидних честица, што ствара додатну несигурност у тачности методе38,61.Слично томе, модули еластичности израчунати уклапањем контактног модела директно зависе од геометрије сонде за утискивање, а неусклађеност између карактеристика врха и површине узорка може довести до нетачности27, 65, 66, 67, 68. Неки недавни радови Спенцера ет ал.Истакнути су фактори које треба узети у обзир при карактеризацији меких полимерних четкица методом ЦП-АФМ наноиндентације.Они су известили да задржавање вискозног флуида у полимерним четкама као функција брзине доводи до повећања оптерећења главе, а самим тим и до различитих мерења својстава зависних од брзине30,69,70,71.
У овој студији смо окарактерисали површински модул ултра меког високо еластичног материјала лехфилцон А ЦЛ користећи модификовану АФМ методу наноиндентације.С обзиром на својства и нову структуру овог материјала, опсег осетљивости традиционалне методе утискивања је очигледно недовољан за карактеризацију модула овог изузетно меког материјала, па је неопходно користити АФМ метод наноиндентације са већом осетљивошћу и мањом осетљивошћу.ниво.Након прегледа недостатака и проблема постојећих техника наноиндентације колоидне АФМ сонде, показујемо зашто смо одабрали мању, посебно дизајнирану АФМ сонду да елиминишемо осетљивост, позадинску буку, тачку контакта, меримо модул брзине меких хетерогених материјала као што је задржавање течности зависност.и тачна квантификација.Поред тога, били смо у могућности да прецизно измеримо облик и димензије врха удубљења, што нам је омогућило да користимо модел уклапања конусне сфере за одређивање модула еластичности без процене површине контакта врха са материјалом.Две имплицитне претпоставке које су квантификоване у овом раду су својства потпуно еластичног материјала и модул независан од дубине удубљења.Користећи ову методу, прво смо тестирали ултра-меке стандарде са познатим модулом да бисмо квантификовали метод, а затим смо користили ову методу да карактеришемо површине два различита материјала контактних сочива.Очекује се да ће овај метод карактеризације АФМ наноиндентационих површина са повећаном осетљивошћу бити применљив на широк спектар биомиметичких хетерогених ултрамеких материјала са потенцијалном употребом у медицинским уређајима и биомедицинским апликацијама.
Лехфилцон А контактна сочива (Алцон, Форт Вортх, Тексас, САД) и њихови силикон хидрогел супстрати су изабрани за експерименте наноиндентације.У експерименту је коришћен специјално дизајнирани носач сочива.Да би се уградило сочиво за тестирање, пажљиво је постављено на постоље у облику куполе, пазећи да унутра не уђу мехурићи ваздуха, а затим фиксирано ивицама.Рупа у држачу на врху држача сочива омогућава приступ оптичком центру сочива за експерименте наноиндентације док се течност држи на месту.Ово одржава сочива потпуно хидратизована.Као тестни раствор коришћено је 500 μл раствора за паковање контактних сочива.Да би се потврдили квантитативни резултати, комерцијално доступни неактивирани полиакриламид (ПААМ) хидрогелови су припремљени од полиакриламид-ко-метилен-бисакриламидне композиције (100 мм Петрисофт Петријеве здјелице, Матриген, Ирвине, Калифорнија, САД), познатог модула еластичности од 1 кПа.Користите 4-5 капи (приближно 125 µл) физиолошког раствора пуферованог фосфатом (ПБС од Цорнинг Лифе Сциенцес, Тевкесбури, МА, САД) и 1 кап раствора за контактна сочива ОПТИ-ФРЕЕ Пуремоист (Алцон, Вауд, ТКС, УСА).) на интерфејсу АФМ хидрогел-сонда.
Узорци Лехфилцон А ЦЛ и СиХи супстрата су визуелизовани коришћењем система ФЕИ Куанта 250 Фиелд Емиссион Сцаннинг Елецтрон Мицросцопе (ФЕГ СЕМ) опремљеног детектором скенирајућег трансмисионог електронског микроскопа (СТЕМ).Да би се припремили узорци, сочива су прво опрана водом и исечена на клинове у облику пите.Да би се постигао диференцијални контраст између хидрофилне и хидрофобне компоненте узорака, као боја је коришћен 0,10% стабилизовани раствор РуО4 у који су узорци потопљени 30 мин.Лехфилцон А ЦЛ РуО4 бојење је важно не само за постизање побољшаног диференцијалног контраста, већ такође помаже да се очува структура разгранатих полимерних четкица у њиховом оригиналном облику, које су тада видљиве на СТЕМ сликама.Затим су испрани и дехидрирани у низу мешавина етанол/вода са повећањем концентрације етанола.Узорци су затим изливени ЕМБед 812/Аралдите епоксидом, који је очврснуо преко ноћи на 70°Ц.Блокови узорака добијени полимеризацијом смоле су исечени ултрамикротомом, а добијени танки пресеци су визуелизовани СТЕМ детектором у режиму ниског вакуума при убрзавајућем напону од 30 кВ.Исти СЕМ систем је коришћен за детаљну карактеризацију ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ АФМ сонде (Брукер Нано, Санта Барбара, Калифорнија, САД).СЕМ слике АФМ сонде су добијене у типичном режиму високог вакуума са убрзавајућим напоном од 30 кВ.Набавите слике под различитим угловима и увећањима да бисте забележили све детаље облика и величине врха АФМ сонде.Све димензије врха од интереса на сликама мерене су дигитално.
Микроскоп атомске силе Дименсион ФастСцан Био Ицон (Брукер Нано, Санта Барбара, Калифорнија, САД) са режимом „ПеакФорце КНМ ин Флуид“ коришћен је за визуелизацију и наноиндентирање лехфилцон А ЦЛ, СиХи супстрата и ПААм хидрогела.За експерименте снимања, ПЕАКФОРЦЕ-ХИРС-ФА сонда (Брукер) са номиналним радијусом врха од 1 нм је коришћена за снимање слика високе резолуције узорка при брзини скенирања од 0,50 Хз.Све слике су снимљене у воденом раствору.
Експерименти АФМ наноиндентације су изведени коришћењем ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ сонде (Брукер).АФМ сонда има силицијумски врх на нитридној конзоли дебљине 345 нм, дужине 54 µм и ширине 4,5 µм са резонантном фреквенцијом од 45 кХз.Посебно је дизајниран за карактеризацију и извођење квантитативних наномеханичких мерења на меким биолошким узорцима.Сензори су фабрички индивидуално калибрисани са унапред калибрисаним поставкама опруге.Константе опруге сонди коришћених у овој студији биле су у опсегу од 0,05–0,1 Н/м.Да би се тачно одредио облик и величина врха, сонда је детаљно окарактерисана коришћењем СЕМ.На сл.Слика 1а приказује скенирајућу електронску микрографију високе резолуције и малог увећања ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ сонде, пружајући холистички поглед на дизајн сонде.На сл.1б приказује увећани приказ врха сонде, пружајући информације о облику и величини врха.На крајњем крају, игла је хемисфера пречника око 140 нм (слика 1ц).Испод овога врх се сужава у конусни облик, достижући измерену дужину од приближно 500 нм.Изван области сужења, врх је цилиндричан и завршава се са укупном дужином врха од 1,18 µм.Ово је главни функционални део врха сонде.Поред тога, велика сферна полистиренска (ПС) сонда (Новасцан Тецхнологиес, ​​Инц., Бооне, Ајова, САД) са пречником врха од 45 µм и константом опруге од 2 Н/м такође је коришћена за тестирање као колоидна сонда.са ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ сондом од 140 нм за поређење.
Пријављено је да се течност може заробити између АФМ сонде и структуре полимерне четке током наноиндентације, што ће вршити силу нагоре на АФМ сонду пре него што она стварно додирне површину69.Овај ефекат вискозног истискивања услед задржавања течности може да промени привидну тачку контакта, чиме утиче на мерење површинског модула.Да би се проучавао утицај геометрије сонде и брзине удубљења на задржавање течности, криве силе утискивања су нацртане за лехфилцон А ЦЛ узорке коришћењем сонде пречника 140 нм при константним брзинама померања од 1 µм/с и 2 µм/с.пречник сонде 45 µм, фиксна поставка силе 6 нН постигнута при 1 µм/с.Експерименти са сондом пречника 140 нм изведени су при брзини увлачења од 1 µм/с и подешеној сили од 300 пН, изабраној да створи контактни притисак у физиолошком опсегу (1–8 кПа) горњег капка.притисак 72. Меки готови узорци ПАА хидрогела са притиском од 1 кПа испитани су на силу утискивања од 50 пН брзином од 1 μм/с помоћу сонде пречника 140 нм.
Пошто је дужина конусног дела врха ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ сонде приближно 500 нм, за било коју дубину удубљења < 500 нм може се са сигурношћу претпоставити да ће геометрија сонде током утискивања остати иста облик конуса.Поред тога, претпоставља се да ће површина материјала који се испитује показати реверзибилни еластични одговор, што ће такође бити потврђено у наредним одељцима.Због тога, у зависности од облика и величине врха, одабрали смо модел уклапања конусне сфере који су развили Брисцое, Себастиан и Адамс, који је доступан у софтверу продавца, за обраду наших АФМ наноиндентационих експеримената (НаноСцопе).Софтвер за анализу података о раздвајању, Брукер) 73. Модел описује однос сила-померај Ф(δ) за конус са сферним дефектом на врху.На сл.На слици 2 приказана је контактна геометрија током интеракције крутог конуса са сферним врхом, где је Р полупречник сферног врха, а је полупречник контакта, б је полупречник контакта на крају сферног врха, δ је полупречник сферног врха. контактни радијус.дубина удубљења, θ је полуугао конуса.СЕМ слика ове сонде јасно показује да се сферни врх пречника 140 нм тангенцијално спаја у конус, тако да је овде б дефинисан само кроз Р, тј. б = Р цос θ.Софтвер који је испоручио произвођач обезбеђује однос конусне сфере за израчунавање вредности Јанговог модула (Е) из података о раздвајању сила под претпоставком а > б.Однос:
где је Ф сила утискивања, Е је Јангов модул, ν је Поасонов однос.Контактни радијус а може се проценити коришћењем:
Шема контактне геометрије крутог конуса са сферним врхом утиснутим у материјал Лефилцон контактног сочива са површинским слојем разгранатих полимерних четкица.
Ако је а ≤ б, релација се своди на једначину за конвенционални сферни индентер;
Верујемо да ће интеракција сонде за утискивање са разгранатом структуром ПМПЦ полимерне четке проузроковати да контактни радијус а буде већи од сферног контактног радијуса б.Стога смо за сва квантитативна мерења модула еластичности извршена у овој студији користили зависност добијену за случај а > б.
Ултрамеки биомиметички материјали проучавани у овој студији су свеобухватно снимљени помоћу скенирајуће трансмисионе електронске микроскопије (СТЕМ) попречног пресека узорка и микроскопије атомске силе (АФМ) површине.Ова детаљна карактеризација површине изведена је као продужетак нашег претходно објављеног рада, у којем смо утврдили да динамички разграната структура полимерне четкице ПМПЦ-модификоване лехфилцон А ЦЛ површине показује слична механичка својства као нативно ткиво рожњаче 14 .Из тог разлога, површине контактних сочива називамо биомиметичким материјалима14.На сл.3а,б приказују попречне пресеке структура разгранате ПМПЦ полимерне четке на површини лехфилцон А ЦЛ супстрата и необрађеног СиХи супстрата, респективно.Површине оба узорка су даље анализиране коришћењем АФМ слика високе резолуције, што је додатно потврдило резултате СТЕМ анализе (сл. 3ц, д).Узете заједно, ове слике дају приближну дужину структуре ПМПЦ разгранате полимерне четкице на 300–400 нм, што је критично за тумачење мерења АФМ наноиндентације.Још једно кључно запажање изведено из слика је да је укупна површинска структура ЦЛ биомиметичког материјала морфолошки различита од оне СиХи супстратног материјала.Ова разлика у њиховој површинској морфологији може постати очигледна током њихове механичке интеракције са индентираном АФМ сондом, а затим и у измереним вредностима модула.
СТЕМ слике попречног пресека (а) лехфилцон А ЦЛ и (б) СиХи супстрата.Скала трака, 500 нм.АФМ слике површине лехфилцон А ЦЛ супстрата (ц) и основног СиХи супстрата (д) (3 µм × 3 µм).
Биоинспирисани полимери и структуре полимерних четки су инхерентно меке и широко су проучаване и коришћене у различитим биомедицинским применама74,75,76,77.Због тога је важно користити метод наноиндентације АФМ, који може прецизно и поуздано измерити њихова механичка својства.Али у исто време, јединствена својства ових ултра-меких материјала, као што су изузетно низак модул еластичности, висок садржај течности и висока еластичност, често отежавају избор правог материјала, облика и облика сонде за утискивање.величина.Ово је важно како индентер не би пробио меку површину узорка, што би довело до грешака у одређивању тачке контакта са површином и површине контакта.
За ово је неопходно свеобухватно разумевање морфологије ултра-меких биомиметичких материјала (лехфилцон А ЦЛ).Информације о величини и структури разгранатих полимерних четкица добијене методом снимања представљају основу за механичку карактеризацију површине коришћењем АФМ техника наноиндентације.Уместо сферичних колоидних сонди микронске величине, изабрали смо сонду са силицијум нитридом ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ (Брукер) са пречником врха од 140 нм, специјално дизајнирану за квантитативно мапирање механичких својстава биолошких узорака 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Образложење за коришћење релативно оштрих сонди у поређењу са конвенционалним колоидним сондама може се објаснити структурним карактеристикама материјала.Упоређујући величину врха сонде (~140 нм) са разгранатим полимерним четкицама на површини ЦЛ лехфилцон А, приказаном на слици 3а, може се закључити да је врх довољно велик да дође у директан контакт са овим структурама четкице, које смањује могућност да врх пробије кроз њих.Да бисмо илустровали ову тачку, на слици 4 је СТЕМ слика лехфилкона А ЦЛ и врха удубљења АФМ сонде (нацртана у размери).
Шематски приказ СТЕМ слике лехфилцон А ЦЛ и АЦМ индентационе сонде (нацртана у размери).
Поред тога, величина врха од 140 нм је довољно мала да избегне ризик од било ког од ефеката лепљиве екструзије који су претходно пријављени за полимерне четке произведене методом ЦП-АФМ наноиндентације69,71.Претпостављамо да због специјалног конусно-сферног облика и релативно мале величине овог АФМ врха (слика 1), природа криве силе коју генерише лехфилцон А ЦЛ наноиндентација неће зависити од брзине увлачења или брзине утовара/истовара. .Због тога на њега не утичу пороеластични ефекти.Да би се тестирала ова хипотеза, узорци лехфилцон А ЦЛ су увучени при фиксној максималној сили помоћу сонде ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ, али при две различите брзине, а резултујуће криве затезне и повлачења силе су коришћене за цртање силе (нН) у раздвајању (µм) је приказано на слици 5а.Јасно је да се криве силе током утовара и истовара у потпуности преклапају, и нема јасних доказа да се смицање силе на нултој дубини удубљења повећава са брзином утискивања на слици, што сугерише да су појединачни елементи четкице карактерисани без пороеластичног ефекта.Насупрот томе, ефекти задржавања течности (ефекти вискозне екструзије и пороеластичности) су очигледни за АФМ сонду пречника 45 µм при истој брзини утискивања и наглашени су хистерезом између криве растезања и увлачења, као што је приказано на слици 5б.Ови резултати подржавају хипотезу и сугеришу да су сонде пречника 140 нм добар избор за карактеризацију таквих меких површина.
лехфилцон А ЦЛ криве силе удубљења користећи АЦМ;(а) коришћење сонде пречника 140 нм при две брзине оптерећења, што показује одсуство пороеластичног ефекта током површинског утискивања;(б) коришћењем сонди пречника 45 µм и 140 нм.с показују ефекте вискозне екструзије и пороеластичности за велике сонде у поређењу са мањим сондама.
Да би се окарактерисале ултрамеке површине, методе АФМ наноиндентације морају имати најбољу сонду за проучавање особина материјала који се проучава.Поред облика и величине врха, осетљивост АФМ детекторског система, осетљивост на отклон врха у окружењу за тестирање и крутост конзоле играју важну улогу у одређивању тачности и поузданости наноиндентације.мерења.За наш АФМ систем, граница детекције осетљивог на позицију (ПСД) је приближно 0,5 мВ и заснива се на унапред калибрираној брзини опруге и израчунатој осетљивости на отклон течности ПФКНМ-ЛЦ-А-ЦАЛ сонде, која одговара теоријска осетљивост на оптерећење.је мањи од 0,1 пН.Стога, ова метода омогућава мерење минималне силе утискивања ≤ 0,1 пН без икакве периферне компоненте буке.Међутим, скоро је немогуће да АФМ систем смањи периферну буку на овај ниво због фактора као што су механичке вибрације и динамика флуида.Ови фактори ограничавају укупну осетљивост АФМ методе наноиндентације и такође резултирају сигналом позадинске буке од приближно ≤ 10 пН.За површинску карактеризацију, лехфилцон А ЦЛ и СиХи узорци супстрата су увучени под потпуно хидратисаним условима коришћењем 140 нм сонде за СЕМ карактеризацију, а резултујуће криве силе су постављене између силе (пН) и притиска.Графикон раздвајања (µм) је приказан на слици 6а.У поређењу са СиХи базном подлогом, крива лехфилцон А ЦЛ силе јасно показује прелазну фазу која почиње на месту контакта са рачвастом полимерном четком и завршава се оштром променом у контакту врха са основним материјалом који означава нагиб.Овај прелазни део криве силе наглашава истински еластично понашање разгранате полимерне четке на површини, о чему сведочи крива компресије која блиско прати криву затезања и контраст у механичким својствима између структуре четкице и гломазног СиХи материјала.Када се пореди лефилкон.Раздвајање просечне дужине разгранате полимерне четке на СТЕМ слици ПЦС (слика 3а) и њене криве силе дуж апсцисе на слици 3а.Слика 6а показује да је метода у стању да открије врх и разгранати полимер који досежу до самог врха површине.Контакт између структура четкица.Поред тога, блиско преклапање кривуља силе указује да нема ефекта задржавања течности.У овом случају нема апсолутно никаквог приањања између игле и површине узорка.Најгорњи делови криве силе за два узорка се преклапају, што одражава сличност механичких својстава материјала подлоге.
(а) криве силе АФМ наноиндентације за лехфилцон А ЦЛ супстрате и СиХи супстрате, (б) криве силе које показују процену контактне тачке коришћењем методе прага позадинске буке.
Да би се проучавали финији детаљи криве силе, крива затезања лехфилцон А ЦЛ узорка је поново уцртана на Слици 6б са максималном силом од 50 пН дуж и-осе.Овај графикон пружа важне информације о оригиналној позадинској буци.Шум је у опсегу од ±10 пН, који се користи за прецизно одређивање контактне тачке и израчунавање дубине удубљења.Као што је објављено у литератури, идентификација контактних тачака је критична за тачну процену својстава материјала као што је модул85.Приступ који укључује аутоматску обраду података криве силе показао је побољшану усклађеност између уклапања података и квантитативних мерења за меке материјале86.У овом раду наш избор додирних тачака је релативно једноставан и објективан, али има своја ограничења.Наш конзервативни приступ одређивању тачке контакта може довести до незнатно прецењених вредности модула за мање дубине удубљења (< 100 нм).Употреба детекције додирних тачака заснованих на алгоритму и аутоматизоване обраде података могла би да буде наставак овог рада у будућности на даљем побољшању нашег метода.Дакле, за интринзичну позадинску буку реда ±10 пН, дефинишемо контактну тачку као прву тачку података на к-оси на слици 6б са вредношћу од ≥10 пН.Затим, у складу са прагом буке од 10 пН, вертикална линија на нивоу од ~0,27 µм означава тачку контакта са површином, након чега се крива истезања наставља све док подлога не достигне дубину удубљења од ~270 нм.Занимљиво је да на основу величине разгранате полимерне четкице (300–400 нм) мерене методом снимања, дубина удубљења ЦЛ лехфилцон А узорка примећеног методом прага позадинске буке је око 270 нм, што је веома близу величина мерења са СТЕМ.Ови резултати додатно потврђују компатибилност и применљивост облика и величине врха АФМ сонде за утискивање ове веома меке и високо еластичне разгранате полимерне структуре четкице.Ови подаци такође пружају снажне доказе који подржавају наш метод коришћења позадинске буке као прага за прецизно одређивање контактних тачака.Према томе, сви квантитативни резултати добијени математичким моделирањем и уклапањем криве силе треба да буду релативно тачни.
Квантитативна мерења АФМ методама наноиндентације у потпуности зависе од математичких модела који се користе за одабир података и накнадну анализу.Због тога је важно размотрити све факторе који се односе на избор индентера, својства материјала и механику њихове интеракције пре избора одређеног модела.У овом случају, геометрија врха је пажљиво окарактерисана коришћењем СЕМ микрографа (слика 1), а на основу резултата, АФМ наноиндентирајућа сонда пречника 140 нм са тврдим конусом и сферичном геометријом врха је добар избор за карактеризацију лехфилцон А ЦЛ79 узорака. .Још један важан фактор који треба пажљиво проценити је еластичност полимерног материјала који се испитује.Иако почетни подаци наноиндентације (сл. 5а и 6а) јасно оцртавају карактеристике преклапања криве затезања и компресије, односно потпуног еластичног опоравка материјала, изузетно је важно потврдити чисто еластичну природу контаката. .У том циљу, извршена су два узастопна удубљења на истој локацији на површини узорка лехфилцон А ЦЛ при брзини увлачења од 1 µм/с под условима пуне хидратације.Добијени подаци криве силе су приказани на сл.7 и, као што се очекивало, криве експанзије и компресије два отиска су скоро идентичне, наглашавајући високу еластичност структуре разгранате полимерне четке.
Две криве силе удубљења на истој локацији на површини лехфилцон А ЦЛ указују на идеалну еластичност површине сочива.
На основу информација добијених из СЕМ и СТЕМ слика врха сонде и лехфилцон А ЦЛ површине, респективно, модел конусне сфере је разуман математички приказ интеракције између врха АФМ сонде и меког полимерног материјала који се тестира.Поред тога, за овај модел конусне сфере, основне претпоставке о еластичним својствима утиснутог материјала важе за овај нови биомиметички материјал и користе се за квантификацију модула еластичности.
Након свеобухватне процене АФМ методе наноиндентације и њених компоненти, укључујући својства индентационе сонде (облик, величина и крутост опруге), осетљивост (процена позадинске буке и тачке контакта) и модела уклапања података (квантитативна мерења модула), метода је коришћени.карактерише комерцијално доступне ултра-меке узорке да би се потврдили квантитативни резултати.Комерцијални полиакриламид (ПААМ) хидрогел са модулом еластичности од 1 кПа је тестиран под хидратисаним условима коришћењем сонде од 140 нм.Детаљи тестирања модула и прорачуна дати су у Додатним информацијама.Резултати су показали да је просечан измерен модул био 0,92 кПа, а %РСД и проценат (%) одступања од познатог модула мањи од 10%.Ови резултати потврђују тачност и поновљивост методе АФМ наноиндентације која се користи у овом раду за мерење модула ултрамеких материјала.Површине лехфилцон А ЦЛ узорака и СиХи базног супстрата су даље окарактерисане коришћењем исте АФМ наноиндентационе методе за проучавање привидног контактног модула ултрамеке површине као функције дубине удубљења.Криве раздвајања силе удубљења су генерисане за три узорка сваког типа (н = 3; једно удубљење по узорку) при сили од 300 пН, брзини од 1 µм/с и пуној хидратацији.Крива дељења силе удубљења је апроксимирана коришћењем модела конусне сфере.Да би се добио модул који зависи од дубине удубљења, 40 нм широк део криве силе је постављен на сваком кораку од 20 нм почевши од тачке контакта и мерене вредности модула на сваком кораку криве силе.Спин Ци ет ал.Сличан приступ је коришћен за карактеризацију градијента модула поли(лаурил метакрилата) (П12МА) полимерних четкица коришћењем наноиндентације колоидне АФМ сонде, и они су у складу са подацима који користе Хертз контактни модел.Овај приступ даје графикон привидног контактног модула (кПа) у односу на дубину удубљења (нм), као што је приказано на слици 8, ​​која илуструје градијент привидног контактног модула/дубине.Израчунати модул еластичности узорка ЦЛ лехфилцон А је у опсегу од 2–3 кПа унутар горњих 100 нм узорка, након чега почиње да расте са дубином.С друге стране, приликом тестирања СиХи базне подлоге без филма у облику четкице на површини, максимална дубина удубљења постигнута при сили од 300 пН је мања од 50 нм, а вредност модула добијена из података је око 400 кПа. , што је упоредиво са вредностима Јанговог модула за расуте материјале.
Привидни контактни модул (кПа) наспрам дубине удубљења (нм) за лехфилцон А ЦЛ и СиХи супстрате користећи АФМ метод наноиндентације са геометријом конусне сфере за мерење модула.
Најгорња површина нове биомиметичке разгранате полимерне структуре четкице показује изузетно низак модул еластичности (2–3 кПа).Ово ће одговарати слободном висећем крају рачвасте полимерне четке као што је приказано на СТЕМ слици.Иако постоје неки докази о градијенту модула на спољној ивици ЦЛ, главни супстрат високог модула је утицајнији.Међутим, горњих 100 нм површине је унутар 20% укупне дужине разгранате полимерне четке, тако да је разумно претпоставити да су измерене вредности модула у овом опсегу дубине удубљења релативно тачне и да нису јако зависи од ефекта доњег објекта.
Због јединственог биомиметичког дизајна лехфилцон А контактних сочива, који се састоје од разгранатих ПМПЦ полимерних структура четкица накалемљених на површину СиХи супстрата, веома је тешко поуздано окарактерисати механичка својства њихових површинских структура коришћењем традиционалних метода мерења.Овде представљамо напредну АФМ методу наноиндентације за прецизну карактеризацију ултра-меких материјала као што је лефилкон А са високим садржајем воде и изузетно високом еластичношћу.Овај метод се заснива на употреби АФМ сонде чија су величина и геометрија врха пажљиво одабрани да одговарају структурним димензијама ултра меких површинских карактеристика које се утискују.Ова комбинација димензија између сонде и структуре обезбеђује повећану осетљивост, омогућавајући нам мерење ниског модула и инхерентних еластичних својстава разгранатих полимерних елемената четкице, без обзира на пороеластичне ефекте.Резултати су показали да су јединствене разгранате ПМПЦ полимерне четкице карактеристичне за површину сочива имале изузетно низак модул еластичности (до 2 кПа) и веома високу еластичност (скоро 100%) када су тестиране у воденом окружењу.Резултати АФМ наноиндентације су нам такође омогућили да карактеришемо привидни контактни модул/дубински градијент (30 кПа/200 нм) површине биомиметичког сочива.Овај градијент може бити последица разлике у модулу између разгранатих полимерних четкица и СиХи супстрата, или разгранате структуре/густине полимерних четкица, или њихове комбинације.Међутим, потребне су даље дубинске студије да би се у потпуности разумела веза између структуре и својстава, посебно утицаја гранања четкице на механичка својства.Слична мерења могу помоћи у карактеризацији механичких својстава површине других ултра-меких материјала и медицинских уређаја.
Скупови података генерисани и/или анализирани током текуће студије доступни су од одговарајућих аутора на разуман захтев.
Рахмати, М., Силва, ЕА, Реселанд, ЈЕ, Хаивард, К. и Хауген, ХЈ Биолошке реакције на физичка и хемијска својства површина биоматеријала.Хемијски.друштво.Ед.49, 5178–5224 (2020).
Цхен, ФМ и Лиу, Кс. Побољшање биоматеријала добијених од људи за инжењерство ткива.програмирање.полимер.Наука.53, 86 (2016).
Садтлер, К. ет ал.Дизајн, клиничка примена и имуни одговор биоматеријала у регенеративној медицини.Натионал Матт Рев. 1, 16040 (2016).
Оливер ВК и Фарр ГМ Побољшана метода за одређивање тврдоће и модула еластичности коришћењем експеримената удубљења са мерењем оптерећења и померања.Ј. Алма матер.резервоар.7, 1564–1583 (2011).
Валли, СМ Историјско порекло испитивања тврдоће удубљења.Алма Матер.Наука.технологије.28, 1028–1044 (2012).
Броитман, Е. Индентатион Харднесс Меасурементс ат тхе Мацро-, Мицро- и наносцале: А Цритицал Ревиев.племе.Вригхт.65, 1–18 (2017).
Кауфман, ЈД и Цлапперицх, СМ Грешке у детекцији површине доводе до прецењивања модула у наноиндентирању меких материјала.Ј. Мецха.Понашање.Биомедицинских Наука.Алма Матер.2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колоор ССР, Аиатоллакхи МР, Бусхроа АР и Иахиа М.Иу.Евалуација методе наноиндентације за одређивање механичких карактеристика хетерогених нанокомпозита применом експерименталних и рачунарских метода.Наука.Кућа 9, 15763 (2019).
Лиу, К., ВанЛендингхам, МР, и Оварт, ТС Механичка карактеризација меких вискоеластичних гелова индентацијом и инверзном анализом коначних елемената заснованом на оптимизацији.Ј. Мецха.Понашање.Биомедицинских Наука.Алма Матер.2, 355–363 (2009).
Андревс ЈВ, Бовен Ј и Цханелер Д. Оптимизација одређивања вискоеластичности коришћењем компатибилних мерних система.Софт Маттер 9, 5581–5593 (2013).
Брисцое, БЈ, Фиори, Л. анд Пеллилло, Е. Наноиндентатион оф полимериц сурфацес.Ј. Пхисицс.Д. Пријавите се за физику.31, 2395 (1998).
Мииаиловицх АС, Тсин Б., Фортунато Д. и Ван Влиет КЈ. Карактеризација вискоеластичних механичких својстава високоеластичних полимера и биолошких ткива коришћењем ударног утискивања.Јоурнал оф Биоматериалс.71, 388–397 (2018).
Перепелкин НВ, Ковалев АЕ, Горб СН, Бородицх ФМ Процена модула еластичности и рада пријањања меких материјала применом проширене методе Бородича-Галанова (БГ) и дубоког утискивања.крзно.Алма Матер.129, 198–213 (2019).
Схи, Кс. ет ал.Морфологија наноразмера и механичка својства биомиметичких полимерних површина силикон хидрогел контактних сочива.Лангмуир 37, 13961–13967 (2021).