Hatur nuhun pikeun ngadatangan Nature.com.Anjeun nganggo versi browser kalayan dukungan CSS kawates.Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun yén anjeun nganggo browser anu diropéa (atanapi nganonaktipkeun Mode Kasaluyuan dina Internet Explorer).Sajaba ti éta, pikeun mastikeun rojongan lumangsung, urang némbongkeun situs tanpa gaya na JavaScript.
Nampilkeun carousel tilu slide sakaligus.Pake tombol Saméméhna jeung Salajengna pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu, atawa make tombol geseran di ahir pikeun mindahkeun ngaliwatan tilu slides dina hiji waktu.
Kalayan ngembangkeun bahan ultra-lemes anyar pikeun alat médis sareng aplikasi biomedis, karakterisasi komprehensif sipat fisik sareng mékanisna penting sareng nangtang.Téhnik nanoindentation gaya atom dirobah (AFM) dilarapkeun ka characterize modulus permukaan pisan low tina lehfilcon A lénsa kontak hidrogel silikon biomimetic anyar coated ku lapisan struktur sikat polimér cabang.Metoda ieu ngamungkinkeun tekad tepat titik kontak tanpa épék extrusion kentel nalika ngadeukeutan polimér cabang.Sajaba ti éta, ngamungkinkeun pikeun nangtukeun ciri mékanis elemen sikat individu tanpa pangaruh poroelasticity.Ieu kahontal ku milih hiji usik AFM kalawan desain (ukuran tip, géométri jeung spring rate) nu utamana cocog pikeun ngukur sipat bahan lemes jeung sampel biologis.Metoda ieu ningkatkeun sensitipitas sareng akurasi pikeun pangukuran anu akurat tina bahan anu lemes pisan lehfilcon A, anu ngagaduhan modulus élastisitas anu handap pisan dina daérah permukaan (dugi ka 2 kPa) sareng élastisitas anu luhur pisan dina lingkungan cai internal (ampir 100%). .Hasil tina ulikan permukaan henteu ngan ngungkabkeun sipat permukaan ultra-lemes tina lensa lehfilcon A, tapi ogé nunjukkeun yén modulus sikat polimér bercabang tiasa dibandingkeun sareng substrat silikon-hidrogén.Téhnik karakterisasi permukaan ieu tiasa diterapkeun kana bahan ultra-lemes sareng alat médis sanés.
Sipat mékanis bahan anu dirancang pikeun kontak langsung sareng jaringan hirup sering ditangtukeun ku lingkungan biologis.Cocog sampurna sipat bahan ieu mantuan pikeun ngahontal ciri klinis nu dipikahoyong tina bahan tanpa ngabalukarkeun respon sélular ngarugikeun1,2,3.Pikeun bahan homogén bulk, characterization sipat mékanis relatif gampang alatan kasadiaan prosedur baku sarta métode tés (misalna microindentation4,5,6).Nanging, pikeun bahan ultra-lemes sapertos gél, hidrogél, biopolimér, sél hirup, sareng sajabana, metode tés ieu umumna henteu tiasa dianggo kusabab watesan résolusi pangukuran sareng inhomogénitas sababaraha bahan7.Leuwih taun, métode indentation tradisional geus dirobah sarta diadaptasi kana characterize rupa-rupa bahan lemes, tapi loba métode masih kakurangan tina shortcomings serius nu ngawatesan pamakéan maranéhanana8,9,10,11,12,13.Kurangna metodeu tés khusus anu tiasa sacara akurat sareng dipercaya nunjukkeun sipat mékanis bahan supersoft sareng lapisan permukaan parah ngabatesan panggunaanana dina sababaraha aplikasi.
Dina karya urang saméméhna, kami ngenalkeun lensa kontak lehfilcon A (CL), bahan hétérogén lemes kalayan sagala sipat permukaan ultra-lemes diturunkeun tina desain berpotensi biomimetic diideuan ku beungeut kornea panon.Biomaterial ieu dikembangkeun ku cara nyongkokkeun lapisan polimér bercabang, numbu silang tina poli(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) kana hidrogél silikon (SiHy) 15 dirancang pikeun alat médis dumasar kana.Prosés grafting ieu nyiptakeun lapisan dina beungeut cai nu diwangun ku struktur sikat polymeric cabang pisan lemes sareng elastis pisan.Karya urang saméméhna geus dikonfirmasi yén struktur biomimetic of lehfilcon A CL nyadiakeun sipat permukaan unggulan kayaning ningkat wetting sarta pencegahan fouling, ngaronjat lubricity, sarta ngurangan sél jeung baktéri adhesion15,16.Salaku tambahan, pamakean sareng pamekaran bahan biomimétik ieu ogé nyarankeun ékspansi salajengna ka alat biomédis sanés.Ku sabab éta, penting pikeun ngacirian sipat permukaan bahan ultra-lemes ieu sareng ngartos interaksi mékanisna sareng panon pikeun nyiptakeun pangkalan pangaweruh anu komprehensif pikeun ngadukung kamajuan sareng aplikasi anu bakal datang.Kalolobaan lénsa kontak SiHy sadia komersil diwangun ku campuran homogen polimér hidrofilik jeung hidrofobik nu ngabentuk struktur bahan seragam17.Sababaraha studi geus dipigawé pikeun nalungtik sipat mékanis maranéhanana ngagunakeun komprési tradisional, tensile jeung métode uji microindentation18,19,20,21.Sanajan kitu, desain biomimetik novel lehfilcon A CL ngajadikeun eta bahan hétérogén unik nu sipat mékanis tina struktur sikat polimér cabang béda sacara signifikan ti substrat dasar SiHy.Ku alatan éta, hésé pisan pikeun akurat ngitung sipat ieu ngagunakeun métode konvensional sarta indentation.Métode anu ngajangjikeun ngagunakeun métode tés nanoindentation dilaksanakeun dina mikroskop gaya atom (AFM), métode anu geus dipaké pikeun nangtukeun sipat mékanis bahan viscoelastic lemes kayaning sél biologis jeung jaringan, kitu ogé polimér lemes22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.Dina nanoindentation AFM, dasar nguji nanoindentation digabungkeun jeung kamajuan panganyarna dina téhnologi AFM nyadiakeun ngaronjat sensitipitas pangukuran jeung nguji rupa-rupa bahan inherently supersoft31,32,33,34,35,36.Sajaba ti éta, téhnologi nu nawarkeun kaunggulan penting lianna ngaliwatan pamakéan geometries béda.indentor sareng usik sareng kamungkinan tés dina sababaraha média cair.
AFM nanoindentation bisa conditionally dibagi kana tilu komponén utama: (1) parabot (sensor, detéktor, panyilidikan, jsb);(2) parameter pangukuran (sapertos gaya, kapindahan, laju, ukuran tanjakan, jsb.);(3) Ngolah data (koreksi baseline, estimasi titik touch, pas data, modeling, jsb).Hiji masalah signifikan kalawan metoda ieu nu sababaraha studi dina literatur ngagunakeun AFM nanoindentation ngalaporkeun hasil kuantitatif pisan béda pikeun sampel sarua / sél / bahan type37,38,39,40,41.Contona, Lekka et al.Pangaruh géométri usik AFM dina modulus Young diukur sampel hidrogél mékanis homogen jeung sél hétérogén ieu ditalungtik tur dibandingkeun.Aranjeunna ngalaporkeun yén nilai modulus gumantung pisan kana pilihan cantilever sareng bentuk tip, kalayan nilai pangluhurna pikeun usik ngawangun piramida sareng nilai panghandapna 42 pikeun usik buleud.Nya kitu, Selhuber-Unkel et al.Parantos ditingalikeun kumaha laju indenter, ukuran indenter sareng ketebalan sampel polyacrylamide (PAAM) mangaruhan modulus Young anu diukur ku nanoindentation ACM43.Faktor nyusahkeun sanésna nyaéta kurangna bahan uji modulus standar pisan rendah sareng prosedur tés gratis.Hal ieu ngajadikeun hésé pisan pikeun meunangkeun hasil akurat jeung kapercayaan.Sanajan kitu, metoda ieu pohara kapaké pikeun ukuran relatif jeung evaluasi komparatif antara jenis sampel sarupa, contona ngagunakeun nanoindentation AFM keur ngabedakeun sél normal tina sél kanker 44, 45.
Nalika nguji bahan lemes sareng nanoindentation AFM, aturan umum nyaéta ngagunakeun panyilidikan kalayan konstanta spring low (k) anu cocog pisan sareng modulus sampel sareng ujung hémisferik/buleud supados panyilidikan kahiji henteu nembus permukaan sampel dina. kontak munggaran kalayan bahan lemes.Éta ogé penting yén sinyal deflection dihasilkeun ku usik cukup kuat pikeun ditandaan ku sistem detektor laser24,34,46,47.Dina kasus sél hétérogén ultra-lemes, jaringan sareng gél, tangtangan sanés nyaéta pikeun ngatasi gaya napel antara usik sareng permukaan sampel pikeun mastikeun ukuran anu tiasa diulang sareng dipercaya48,49,50.Nepi ka ayeuna, lolobana karya dina nanoindentation AFM geus fokus kana ulikan ngeunaan kabiasaan mékanis sél biologis, jaringan, gél, hydrogels, sarta biomolekul ngagunakeun panyilidikan buleud rélatif badag, ilahar disebut usik koloid (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Tips ieu boga radius 1 nepi ka 50 µm sarta ilaharna dijieun tina kaca borosilikat, polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene (PS), silikon dioksida (SiO2) jeung inten- kawas karbon (DLC).Sanajan CP-AFM nanoindentation mindeng pilihan kahiji pikeun characterization sampel lemes, eta boga masalah jeung watesan sorangan.Pamakéan tip buleud badag, micron-ukuran ngaronjatkeun total aréa kontak ujung jeung sampel sarta ngabalukarkeun leungitna signifikan tina resolusi spasial.Pikeun spésimén lemes, inhomogenous, dimana sipat mékanis unsur lokal bisa béda sacara signifikan tina rata-rata di wewengkon nu leuwih lega, indentation CP bisa nyumputkeun sagala inhomogeneity dina sipat dina skala lokal52.Panyilidikan koloid biasana dilakukeun ku cara ngagantelkeun spheres koloid ukuran micron kana cantilevers tipless nganggo adhesives epoxy.Prosés manufaktur sorangan fraught kalawan loba masalah sarta bisa ngakibatkeun inconsistencies dina prosés calibration usik.Sajaba ti éta, ukuran jeung massa partikel koloid langsung mangaruhan parameter calibration utama cantilever nu, kayaning frékuénsi resonant, spring stiffness, sarta sensitipitas deflection56,57,58.Ku kituna, métode ilahar dipaké pikeun panyilidikan AFM konvensional, kayaning calibration suhu, bisa jadi teu nyadiakeun hiji calibration akurat pikeun CP, jeung métode séjénna bisa jadi diperlukeun pikeun ngalakukeun koreksi ieu57, 59, 60, 61. Ékspérimén indentation CP has ngagunakeun simpangan badag cantilever mun diajar sipat sampel lemes, nu nyiptakeun masalah sejen nalika calibrating kabiasaan non-linier tina cantilever dina simpangan rélatif badag62,63,64.Metoda indentation usik koloid modern biasana tumut kana akun géométri tina cantilever dipaké pikeun calibrate usik, tapi malire pangaruh partikel koloid, nu nyiptakeun kateupastian tambahan dina akurasi metoda38,61.Nya kitu, moduli elastis diitung ku pas modél kontak langsung gumantung kana géométri tina usik indentation, sarta mismatch antara tip sarta ciri permukaan sampel bisa ngakibatkeun inaccuracies27, 65, 66, 67, 68. Sababaraha karya panganyarna ku Spencer et al.Faktor anu kedah diperhatoskeun nalika ngacirian sikat polimér lemes nganggo metode nanoindentation CP-AFM disorot.Aranjeunna ngalaporkeun yén ingetan cairan kentel dina brushes polimér salaku fungsi tina speed hasilna kanaékan beban sirah sahingga ukuran béda tina speed gumantung properties30,69,70,71.
Dina ulikan ieu, kami geus dicirikeun modulus permukaan tina ultra-lemes kacida elastis bahan lehfilcon A CL ngagunakeun métode nanoindentation AFM dirobah.Dibikeun sipat sarta struktur anyar bahan ieu, rentang sensitipitas sahiji metodeu indentation tradisional jelas cukup pikeun characterize modulus bahan lemes pisan ieu, jadi perlu ngagunakeun métode nanoindentation AFM kalawan sensitipitas luhur sarta sensitipitas handap.tingkat.Saatos marios kakurangan sareng masalah tina téknik nanoindentation usik AFM koloid anu tos aya, kami nunjukkeun naha urang milih panyilidikan AFM anu langkung alit, dirancang khusus pikeun ngaleungitkeun sensitipitas, bising latar, titik titik kontak, ngukur modulus laju bahan hétérogén lemes sapertos ingetan cairan. kagumantungan.jeung kuantitas akurat.Salaku tambahan, kami tiasa sacara akurat ngukur bentuk sareng diménsi tip indentation, ngamungkinkeun urang ngagunakeun modél pas congcot-sphere pikeun nangtukeun modulus élastisitas tanpa ngevaluasi daérah kontak tip sareng bahan.Dua asumsi implisit anu diukur dina karya ieu nyaéta sipat bahan elastis sapinuhna sareng modulus bebas jero indentation.Nganggo metode ieu, urang mimiti nguji standar ultra-lemes sareng modulus anu dipikanyaho pikeun ngitung metodeu, teras nganggo metode ieu pikeun ngacirian permukaan dua bahan lensa kontak anu béda.Metoda ieu ngacirian permukaan nanoindentation AFM kalayan sensitipitas ningkat diperkirakeun tiasa dianggo pikeun rupa-rupa bahan ultrasoft hétérogén biomimetik anu tiasa dianggo dina alat médis sareng aplikasi biomedis.
Lehfilcon A lenses kontak (Alcon, Fort Worth, Texas, AS) jeung substrat hydrogel silicone maranéhanana dipilih pikeun percobaan nanoindentation.A dipasang lénsa dirancang husus dipaké dina percobaan.Pikeun masang lénsa pikeun nguji, éta sacara saksama disimpen dina stan ngawangun kubah, mastikeun yén teu aya gelembung hawa anu aya di jero, teras dilereskeun sareng ujungna.Hiji liang dina fixture dina luhureun wadah lénsa nyadiakeun aksés ka puseur optik tina lénsa pikeun percobaan nanoindentation bari nyekel cairan dina tempat.Ieu ngajaga lénsa pinuh caian.500 μl solusi bungkusan lensa kontak dianggo salaku solusi tés.Pikeun pariksa hasil kuantitatif, hidrogél polyacrylamide (PAAM) anu teu diaktipkeun sacara komersil disiapkeun tina komposisi polyacrylamide-co-methylene-bisacrylamide (piring Petrisoft Petri 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), modulus elastis anu dipikanyaho tina 1 kPa.Anggo 4-5 tetes (kira-kira 125 µl) saline buffered fosfat (PBS ti Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) sareng 1 tetes solusi lensa kontak Puremoist OPTI-FREE (Alcon, Vaud, TX, USA).) dina panganteur hydrogel-probe AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL sareng SiHy ditingali nganggo sistem FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) anu dilengkepan ku detektor Scanning Transmission Electron Microscope (STEM).Pikeun nyiapkeun sampel, lénsa mimitina dikumbah ku cai sareng dipotong kana wedges ngawangun pai.Pikeun ngahontal kontras diferensial antara komponén hidrofilik sareng hidrofobik tina conto, solusi stabilisasi 0,10% RuO4 dianggo salaku pewarna, dimana sampel direndam salami 30 menit.The lehfilcon A CL RuO4 staining penting henteu ngan pikeun ngahontal kontras diferensial ningkat, tapi ogé mantuan pikeun ngawétkeun struktur sikat polimér cabang dina formulir aslina, nu lajeng katingali dina gambar STEM.Aranjeunna teras dikumbah sareng didehidrasi dina séri campuran étanol/cai kalayan konsentrasi étanol ningkat.Sampel teras dialungkeun ku EMBed 812 / Araldite epoxy, anu diubaran sapeuting dina 70 ° C.Sampel blok diala ku résin polimérisasi dipotong ku ultramicrotome, sarta bagian ipis anu dihasilkeun ieu visualized ku detektor STEM dina modeu vakum low dina tegangan accelerating 30 kV.Sistim SEM sarua ieu dipaké pikeun characterization detil rupa PFQNM-LC-A-CAL AFM usik (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, AS).Gambar SEM tina usik AFM dicandak dina mode vakum tinggi has kalawan tegangan accelerating 30 kV.Kéngingkeun gambar dina sudut anu béda sareng pembesaran pikeun ngarékam sadaya detil bentuk sareng ukuran ujung usik AFM.Sadaya dimensi tip anu dipikaresep dina gambar diukur sacara digital.
Mikroskop gaya atom Diménsi FastScan Bio Ikon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, AS) kalayan modeu "PeakForce QNM dina Cairan" digunakeun pikeun ngabayangkeun sareng nanoindentate lehfilcon A CL, substrat SiHy, sareng sampel hidrogél PAAm.Pikeun ékspérimén pencitraan, panyilidikan PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) kalayan radius tip nominal 1 nm digunakeun pikeun moto gambar résolusi luhur tina sampel dina laju scan 0.50 Hz.Sadaya gambar dicandak dina leyuran cai.
Percobaan nanoindentation AFM dilaksanakeun nganggo panyilidikan PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Panyilidikan AFM gaduh tip silikon dina cantilever nitride 345 nm kandel, panjang 54 µm sareng rubak 4.5 µm kalayan frékuénsi résonansi 45 kHz.Hal ieu dirarancang khusus pikeun ngacirian sareng ngalaksanakeun pangukuran nanomekanis kuantitatif dina sampel biologis lemes.Sénsor dikalibrasi masing-masing di pabrik kalayan setélan spring anu tos dikalibrasi.Konstanta cinyusu tina panyilidikan dipaké dina ulikan ieu dina rentang 0.05-0.1 N/m.Pikeun akurat nangtukeun bentuk jeung ukuran tip, usik ieu dicirikeun dina jéntré ngagunakeun SEM.Dina Gbr.Gambar 1a nembongkeun resolusi luhur, low magnification scanning micrograph éléktron tina usik PFQNM-LC-A-CAL, nyadiakeun tempoan holistik desain usik.Dina Gbr.1b nembongkeun pintonan enlarged luhureun ujung usik, nyadiakeun informasi ngeunaan bentuk jeung ukuran tip.Dina tungtung ekstrim, jarum mangrupa belahan bumi kira-kira 140 nm diaméterna (Gbr. 1c).Di handap ieu, ujung tapers kana bentuk kerucut, ngahontal panjang diukur kira 500 nm.Di luar wewengkon tapering, ujungna silindris jeung tungtung dina total panjang tip 1,18 µm.Ieu bagian fungsional utama ujung usik.Salaku tambahan, usik polystyrene (PS) buleud badag (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) kalayan diaméter tip 45 µm sareng konstanta cinyusu 2 N / m ogé dianggo pikeun nguji salaku usik koloid.kalawan PFQNM-LC-A-CAL 140 nm usik pikeun babandingan.
Geus dilaporkeun yén cairan bisa trapped antara usik AFM jeung struktur sikat polimér salila nanoindentation, nu bakal exert gaya luhur dina usik AFM saméméh éta sabenerna némpél surface69.Éfék ékstrusi kentel ieu alatan ingetan cairan bisa ngarobah titik katempo tina kontak, kukituna mangaruhan ukuran modulus permukaan.Pikeun nalungtik pangaruh géométri usik jeung speed indentation on ingetan cairan, kurva gaya indentation anu plotted pikeun sampel lehfilcon A CL maké usik diaméterna 140 nm dina laju kapindahan konstan 1 µm / s jeung 2 µm / s.diaméter usik 45 µm, setelan gaya tetep 6 nN kahontal dina 1 µm/s.Ékspérimén sareng usik diaméterna 140 nm dilaksanakeun dina laju indentasi 1 µm/s sareng gaya set 300 pN, dipilih pikeun nyiptakeun tekanan kontak dina kisaran fisiologis (1-8 kPa) tina kongkolak panon luhur.tekanan 72. Sampel siap-dijieun lemes tina PAA hydrogel kalawan tekanan 1 kPa diuji pikeun gaya indentation 50 pN dina laju 1 μm / s maké usik kalayan diaméter 140 nm.
Kusabab panjang bagian kerucut tina ujung panyilidikan PFQNM-LC-A-CAL kira-kira 500 nm, pikeun naon waé jerona indentation <500 nm tiasa aman dianggap yén géométri tina usik salami indentation bakal tetep leres kana na. wangun congcot.Salaku tambahan, dianggap yén permukaan bahan anu diuji bakal nunjukkeun réspon elastis anu tiasa dibalikkeun, anu ogé bakal dikonfirmasi dina bagian-bagian di handap ieu.Ku alatan éta, gumantung kana bentuk jeung ukuran tip, urang milih model pas congcot-sphere dikembangkeun ku Briscoe, Sebastian jeung Adams, nu sadia dina software nu ngajual urang, pikeun ngolah percobaan nanoindentation AFM urang (NanoScope).Parangkat lunak analisis data separation, Bruker) 73. Model ngajelaskeun hubungan gaya-pindahan F(δ) pikeun congcot sareng cacad pungkal buleud.Dina Gbr.Gambar 2 nembongkeun géométri kontak salila interaksi hiji congcot kaku jeung ujung buleud, dimana R nyaéta radius ujung buleud, a nyaéta radius kontak, b nyaéta radius kontak dina tungtung ujung buleud, δ nyaéta radius kontak.jero indentation, θ nyaéta satengah sudut congcot.Gambar SEM tina usik ieu jelas nunjukeun yen 140 nm diaméterna ujung buleud merges tangentially kana congcot, jadi didieu b dihartikeun ukur ngaliwatan R, nyaéta b = R cos θ.Parangkat lunak anu disayogikeun ku vendor nyayogikeun hubungan kerucut-sphere pikeun ngitung nilai modulus Young (E) tina data pamisahan gaya anu nganggap a > b.Hubungan:
dimana F nyaéta gaya indéntasi, E nyaéta modulus Young, ν nyaéta rasio Poisson.Radius kontak a tiasa ditaksir nganggo:
Skéma géométri kontak tina congcot kaku kalayan ujung buleud dipencet kana bahan tina lénsa kontak Lefilcon kalayan lapisan permukaan sikat polimér cabang.
Lamun a ≤ b, hubunganna ngurangan kana persamaan pikeun indentor buleud konvensional;
Kami yakin yén interaksi usik indenting jeung struktur cabang tina sikat polimér PMPC bakal ngabalukarkeun radius kontak a jadi leuwih gede dibandingkeun radius kontak buleud b.Ku alatan éta, pikeun sakabéh ukuran kuantitatif tina modulus elastis dipigawé dina ulikan ieu, kami dipaké gumantungna diala pikeun kasus a > b.
Bahan biomimetik ultrasoft anu ditalungtik dina ulikan ieu sacara komprehensif digambar nganggo scanning transmission electron microscopy (STEM) tina sampel cross section sareng atomic force microscopy (AFM) permukaan.characterization permukaan lengkep ieu dipigawé salaku penyuluhan karya urang saméméhna diterbitkeun, nu urang ditangtukeun yén struktur sikat polymeric cabang dinamis tina lehfilcon A CL permukaan PMPC-dirobah exhibited sipat mékanis sarupa jaringan corneal asli 14.Ku sabab kitu, urang ngarujuk kana permukaan lénsa kontak salaku bahan biomimétik14.Dina Gbr.3a, b némbongkeun bagian melintang struktur sikat polimér PMPC cabang dina beungeut substrat lehfilcon A CL jeung substrat SiHy untreated, masing-masing.The surfaces duanana sampel anu salajengna dianalisis ngagunakeun resolusi luhur gambar AFM, nu salajengna dikonfirmasi hasil analisis STEM (Gbr. 3c, d).Dihijikeun, gambar ieu masihan perkiraan panjang tina struktur sikat polimér cabang PMPC dina 300-400 nm, anu penting pikeun napsirkeun ukuran nanoindentation AFM.Pengamatan konci sanésna anu diturunkeun tina gambar nyaéta struktur permukaan sakabéh bahan biomimétik CL sacara morfologis béda ti bahan substrat SiHy.Bédana ieu dina morfologi permukaanna tiasa katingali nalika interaksi mékanisna sareng panyilidikan AFM indenting sareng salajengna dina nilai modulus anu diukur.
Gambar batang cross-sectional tina (a) lehfilcon A CL jeung (b) substrat SiHy.Skala bar, 500 nm.Gambar AFM tina permukaan substrat lehfilcon A CL (c) sareng substrat dasar SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Polimér bioinspired sareng struktur sikat polimér sacara alami lemes sareng parantos diulik sareng dianggo dina sagala rupa aplikasi biomedis74,75,76,77.Ku alatan éta, hal anu penting pikeun ngagunakeun métode nanoindentation AFM, nu bisa akurat tur reliably ngukur sipat mékanis maranéhanana.Tapi dina waktos anu sareng, sipat unik ieu bahan ultra-lemes, kayaning modulus elastis pisan low, eusi cair tinggi na élastisitas tinggi, mindeng nyieun hésé pikeun milih bahan katuhu, bentuk jeung bentuk usik indenting.ukuran.Ieu penting supados indentor henteu nojos permukaan lemes tina sampel, anu bakal ngakibatkeun kasalahan dina nangtukeun titik kontak sareng permukaan sareng daérah kontak.
Pikeun ieu, pamahaman komprehensif ngeunaan morfologi bahan biomimetic ultra-lemes (lehfilcon A CL) penting.Inpormasi ngeunaan ukuran sareng struktur sikat polimér bercabang anu dicandak nganggo metode pencitraan nyayogikeun dasar pikeun karakterisasi mékanis permukaan nganggo téknik nanoindentation AFM.Gantina panyilidikan koloid buleud ukuran micron, kami milih panyilidikan silikon nitrida PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) kalayan diaméter tip 140 nm, dirarancang khusus pikeun pemetaan kuantitatif sipat mékanis sampel biologis 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Alesan pikeun ngagunakeun panyilidikan rélatif seukeut dibandingkeun panyilidikan koloid konvensional bisa dipedar ku fitur struktural bahan.Ngabandingkeun ukuran tip usik (~ 140 nm) jeung brushes polimér cabang dina beungeut CL lehfilcon A, ditémbongkeun dina Gbr. 3a, bisa dicindekkeun yén tip cukup badag pikeun datang kana kontak langsung jeung struktur sikat ieu, nu ngurangan kasempetan tip piercing ngaliwatan aranjeunna.Pikeun ngagambarkeun titik ieu, dina Gbr. 4 mangrupa gambar bobot tina lehfilcon A CL jeung ujung indenting tina usik AFM (digambar kana skala).
Skématik nunjukkeun gambar STEM tina lehfilcon A CL sareng usik indentasi ACM (digambar kana skala).
Sajaba ti éta, ukuran tip of 140 nm cukup leutik pikeun nyingkahan résiko tina salah sahiji épék ékstrusi caket dilaporkeun saméméhna keur brushes polimér dihasilkeun ku CP-AFM nanoindentation method69,71.Urang nganggap yén alatan bentuk congcot-spherical husus sarta ukuran rélatif leutik tina tip AFM ieu (Gbr. 1), sifat kurva gaya dihasilkeun ku lehfilcon A CL nanoindentation moal gumantung kana speed indentation atawa speed loading / unloading. .Ku alatan éta, éta henteu kapangaruhan ku épék poroélastik.Pikeun nguji hipotésis ieu, sampel lehfilcon A CL indented dina gaya maksimum tetep maké usik PFQNM-LC-A-CAL, tapi dina dua velocities béda, sarta kurva gaya tensile jeung retract anu dihasilkeun dipaké pikeun plot gaya (nN) dina separation (µm) ditémbongkeun dina Gambar 5a.Ieu jelas yén kurva gaya salila loading na unloading lengkep tumpang tindih, sarta euweuh bukti jelas yén gaya geser dina enol indentation jero naek kalawan speed indentation dina gambar, nunjukkeun yén elemen sikat individu dicirikeun tanpa éfék poroelastic.Kontras, épék ingetan cairan (ekstrusi kentel sarta épék poroélasticity) dibuktikeun pikeun 45 μm diaméterna AFM usik dina speed indentation sarua jeung disorot ku hysteresis antara manteng tur mundur kurva, ditémbongkeun saperti dina Gambar 5b.Hasil ieu ngadukung hipotésis sareng nunjukkeun yén panyilidikan diaméterna 140 nm mangrupikeun pilihan anu hadé pikeun ngacirian permukaan lemes sapertos kitu.
lehfilcon A CL kurva gaya indentation maké ACM;(a) ngagunakeun usik kalayan diaméter 140 nm dina dua laju loading, demonstrating henteuna éfék poroélastic salila indentation permukaan;(b) ngagunakeun panyilidikan kalayan diaméter 45 µm sareng 140 nm.s nembongkeun efek tina Tonjolan kentel sarta poroelasticity pikeun panyilidikan badag dibandingkeun panyilidikan leutik.
Pikeun ngacirian permukaan ultrasoft, métode nanoindentation AFM kedah gaduh usik anu pangsaéna pikeun diajar sipat bahan anu ditalungtik.Salian bentuk sareng ukuran tip, sensitipitas sistem detektor AFM, sensitipitas kana defleksi tip dina lingkungan uji, sareng kaku cantilever maénkeun peran anu penting dina nangtukeun akurasi sareng reliabilitas nanoindentation.pangukuran.Pikeun sistem AFM kami, wates deteksi Position Sensitive Detector (PSD) kira-kira 0.5 mV sareng dumasar kana laju cinyusu anu tos dikalibrasi sareng sensitipitas defleksi cairan anu diitung tina panyilidikan PFQNM-LC-A-CAL, anu pakait sareng sensitipitas beban teoritis.nyaeta kirang ti 0,1 pN.Ku alatan éta, métode ieu ngamungkinkeun pangukuran gaya indentation minimum ≤ 0,1 pN tanpa komponén noise periferal.Nanging, ampir teu mungkin pikeun sistem AFM ngirangan bising periferal ka tingkat ieu kusabab faktor sapertos geter mékanis sareng dinamika cairan.Faktor-faktor ieu ngabatesan sensitipitas sakabéh metode nanoindentation AFM sareng ogé nyababkeun sinyal bising latar kirang langkung ≤ 10 pN.Pikeun pencirian permukaan, sampel substrat lehfilcon A CL sareng SiHy di-indent dina kaayaan hidrasi pinuh nganggo usik 140 nm pikeun karakterisasi SEM, sareng kurva gaya anu hasilna ditumpangkeun antara gaya (pN) sareng tekanan.Plot pamisahan (µm) dipidangkeun dina Gambar 6a.Dibandingkeun jeung substrat dasar SiHy, kurva gaya CL lehfilcon A jelas nembongkeun fase peralihan dimimitian dina titik kontak jeung sikat polimér forked sarta ditungtungan make parobahan seukeut dina lamping nyirian kontak ujung jeung bahan dasarna.Bagian transisi tina kurva gaya highlights paripolah sabenerna elastis tina sikat polimér cabang dina beungeut cai, sakumaha dibuktikeun ku kurva komprési raket nuturkeun kurva tegangan jeung kontras dina sipat mékanis antara struktur sikat jeung bahan SiHy gede pisan.Nalika ngabandingkeun lefilcon.Separation tina panjang rata sikat polimér cabang dina gambar STEM tina PCS (Gbr. 3a) jeung kurva gaya na sapanjang abscissa dina Gbr. 3a.6a nunjukkeun yén metodeu tiasa ngadeteksi tip sareng polimér bercabang dugi ka luhur permukaan.Kontak antara struktur sikat.Sajaba ti éta, tumpang tindihna deukeut kurva gaya nunjukkeun euweuh pangaruh ingetan cairan.Dina hal ieu, euweuh adhesion antara jarum jeung beungeut sampel.Bagian uppermost tina kurva gaya pikeun dua sampel tumpang tindih, reflecting kasaruaan sipat mékanis bahan substrat.
(a) kurva gaya nanoindentation AFM pikeun substrat lehfilcon A CL jeung substrat SiHy, (b) kurva gaya némbongkeun estimasi titik kontak ngagunakeun métode bangbarung noise tukang.
Dina raraga diajar rinci finer tina kurva gaya, kurva tegangan sampel lehfilcon A CL ulang plotted dina Gambar 6b ​​kalawan gaya maksimum 50 pN sapanjang sumbu-y.Grafik ieu nyayogikeun inpormasi penting ngeunaan sora latar anu asli.Noise aya dina rentang ± 10 pN, nu dipaké pikeun akurat nangtukeun titik kontak jeung ngitung jero indentation.Salaku dilaporkeun dina literatur, idéntifikasi titik kontak penting pikeun akurat assess sipat bahan kayaning modulus85.Hiji pendekatan ngalibetkeun ngolah otomatis data kurva gaya geus nembongkeun hiji ningkat fit antara pas data jeung ukuran kuantitatif pikeun bahan lemes86.Dina karya ieu, pilihan titik kontak urang kawilang basajan tur obyektif, tapi boga watesan na.Pendekatan konservatif kami pikeun nangtukeun titik kontak tiasa nyababkeun nilai modulus anu rada overestimated pikeun jero indentasi anu langkung alit (<100 nm).Pamakéan deteksi touchpoint dumasar-algoritma jeung ngolah data otomatis bisa jadi tuluyan tina karya ieu dina mangsa nu bakal datang pikeun leuwih ngaronjatkeun metoda urang.Ku kituna, pikeun noise latar intrinsik dina urutan ± 10 pN, urang nangtukeun titik kontak salaku titik data munggaran dina sumbu-x dina Gambar 6b ​​kalawan nilai ≥10 pN.Lajeng, luyu jeung bangbarung noise of 10 pN, garis nangtung dina tingkat ~ 0.27 μm nandaan titik kontak jeung beungeut cai, nu satutasna kurva manjang terus nepi ka substrat meets jero indentation ~ 270 nm.Narikna, dumasar kana ukuran fitur sikat polimér bercabang (300-400 nm) diukur nganggo metode pencitraan, jerona lekukan CL lehfilcon Sampel anu dititénan nganggo metode bangbarung noise latar nyaéta sakitar 270 nm, anu caket pisan sareng ukuran ukuran kalawan STEM.Hasil ieu salajengna mastikeun kasaluyuan jeung applicability tina bentuk jeung ukuran ujung usik AFM pikeun indentation struktur sikat polimér cabang pisan lemes sareng elastis ieu.Data ieu ogé nyayogikeun bukti anu kuat pikeun ngadukung metode kami ngagunakeun sora latar salaku ambang pikeun nunjukkeun titik kontak.Ku kituna, sagala hasil kuantitatif dicandak ti modeling matematik jeung pas kurva gaya kedah rélatif akurat.
Pangukuran kuantitatif ku métode nanoindentation AFM sagemblengna gumantung kana model matematik dipaké pikeun pamilihan data jeung analisis saterusna.Kituna, hal anu penting pikeun mertimbangkeun sagala faktor nu patali jeung pilihan indenter, sipat bahan jeung mékanika interaksi maranéhanana saméméh milih model nu tangtu.Dina hal ieu, géométri tip ieu taliti dicirikeun maké micrographs SEM (Gbr. 1), sarta dumasar kana hasil, usik 140 nm diaméterna AFM nanoindenting kalawan congcot teuas tur géométri tip buleud mangrupakeun pilihan alus pikeun characterizing sampel lehfilcon A CL79. .Faktor penting séjén anu kedah dievaluasi sacara saksama nyaéta élastisitas bahan polimér anu diuji.Sanajan data awal nanoindentation (Gbr. 5a na 6a) jelas outline fitur tumpang tindihna tegangan jeung komprési kurva, nyaéta recovery elastis lengkep bahan, éta penting pisan pikeun mastikeun sipat murni elastis tina kontak. .Pikeun tujuan ieu, dua indentations saterusna dipigawé di lokasi anu sarua dina beungeut sampel lehfilcon A CL dina laju indentation 1 µm / s dina kaayaan hidrasi pinuh.Data kurva gaya anu dihasilkeun dipidangkeun dina Gbr.7 jeung, saperti nu diharapkeun, ékspansi jeung komprési kurva dua prints ampir sarua, panyorot élastisitas tinggi struktur sikat polimér cabang.
Dua kurva gaya indentation di lokasi anu sarua dina beungeut lehfilcon A CL nunjukkeun élastisitas idéal beungeut lénsa.
Dumasar kana inpormasi anu dicandak tina gambar SEM sareng STEM tina ujung usik sareng permukaan lehfilcon A CL masing-masing, modél congcot-sphere mangrupikeun perwakilan matematis anu wajar tina interaksi antara ujung usik AFM sareng bahan polimér lemes anu diuji.Salaku tambahan, pikeun modél lingku kerucut ieu, asumsi dasar ngeunaan sipat elastis tina bahan anu dicitak leres pikeun bahan biomimétik énggal ieu sareng dianggo pikeun ngitung modulus elastis.
Sanggeus evaluasi komprehensif ngeunaan métode nanoindentation AFM sareng komponenana, kaasup sipat indentation usik (wangun, ukuran, jeung spring stiffness), sensitipitas (noise latar tukang jeung estimasi titik kontak), sarta model pas data (ukuran modulus kuantitatif), metoda ieu dipaké.ciri sampel ultra-lemes sadia komersil pikeun pariksa hasil kuantitatif.Hidrogél polyacrylamide komérsial (PAAM) kalayan modulus elastis 1 kPa diuji dina kaayaan caian nganggo usik 140 nm.Rincian tés sareng itungan modul disayogikeun dina Émbaran Suplemén.Hasilna nunjukkeun yén modulus rata-rata anu diukur nyaéta 0,92 kPa, sareng %RSD sareng persentase (%) simpangan tina modulus anu dipikanyaho kirang ti 10%.Hasil ieu mastikeun katepatan sareng reproducibility metode nanoindentation AFM anu dianggo dina karya ieu pikeun ngukur moduli bahan ultrasoft.Permukaan sampel lehfilcon A CL sareng substrat dasar SiHy dicirian deui nganggo metode nanoindentation AFM anu sami pikeun diajar modulus kontak anu katingali tina permukaan ultrasoft salaku fungsi tina jero indentation.Kurva separation gaya indentation dihasilkeun pikeun tilu spésimén unggal tipe (n = 3; hiji indentation per specimen) dina gaya 300 pN, laju 1 µm/s, jeung hidrasi pinuh.Kurva babagi gaya indentation ditaksir ngagunakeun model congcot-sphere.Pikeun ménta modulus gumantung kana jero indentation, porsi lega 40 nm tina kurva gaya diatur dina unggal increment of 20 nm mimitian ti titik kontak, sarta diukur nilai modulus dina unggal hambalan tina kurva gaya.Spin Cy et al.Pendekatan anu sami parantos dianggo pikeun ngacirian gradién modulus poli (lauryl methacrylate) (P12MA) sikat polimér nganggo nanoindentation usik AFM koloid, sareng aranjeunna konsisten sareng data anu nganggo modél kontak Hertz.Pendekatan ieu nyadiakeun plot modulus kontak semu (kPa) versus jero indentation (nm), ditémbongkeun saperti dina Gambar 8, nu illustrates modulus kontak semu / gradién jero.Modulus elastis diitung tina sampel CL lehfilcon A aya dina rentang 2-3 kPa dina 100 nm luhur sampel, saluareun anu eta dimimitian nambahan kalawan jero.Di sisi anu sanés, nalika nguji substrat dasar SiHy tanpa pilem sapertos sikat dina permukaan, jerona indentasi maksimal anu dihontal dina gaya 300 pN kirang ti 50 nm, sareng nilai modulus anu dicandak tina data sakitar 400 kPa. , anu dibandingkeun sareng nilai modulus Young pikeun bahan bulk.
Modulus kontak semu (kPa) vs jero indentation (nm) pikeun lehfilcon A CL jeung substrat SiHy ngagunakeun métode nanoindentation AFM kalawan géométri congcot-sphere pikeun ngukur modulus.
Beungeut paling luhur struktur sikat polimér bercabang biomimétik novel nunjukkeun modulus élastisitas anu handap pisan (2-3 kPa).Ieu bakal cocog sareng tungtung gantung bébas tina sikat polimér bercabang sapertos anu dipidangkeun dina gambar STEM.Bari aya sababaraha bukti gradién modulus di ujung luar CL, substrat modulus tinggi utama leuwih boga pangaruh.Tapi, luhureun 100 nm permukaan aya dina 20% tina total panjang sikat polimér bercabang, jadi wajar mun nganggap yén nilai diukur tina modulus dina rentang jero indentation ieu kawilang akurat tur teu kuat. gumantung kana pangaruh objék handap.
Alatan desain biomimetic unik tina lehfilcon A lenses kontak, diwangun ku cabang PMPC struktur sikat polimér grafted onto beungeut substrat SiHy, éta hésé pisan reliably characterize sipat mékanis struktur permukaan maranéhanana ngagunakeun métode pangukuran tradisional.Di dieu kami nampilkeun métode nanoindentation AFM canggih pikeun akurat characterizing bahan ultra-lemes kayaning lefilcon A kalawan eusi cai luhur sarta élastisitas pisan tinggi.Metoda ieu dumasar kana pamakéan usik AFM anu ukuran tip sarta géométri dipilih taliti pikeun cocog dimensi struktural fitur permukaan ultra-lemes bakal imprinted.Kombinasi ieu dimensi antara usik jeung struktur nyadiakeun ngaronjat sensitipitas, ngamungkinkeun urang pikeun ngukur modulus lemah sareng sipat elastis alamiah elemen sikat polimér cabang, paduli épék poroelastic.Hasilna nunjukkeun yén sikat polimér PMPC bercabang anu unik tina permukaan lensa ngagaduhan modulus elastis anu rendah (dugi ka 2 kPa) sareng élastisitas anu luhur (ampir 100%) nalika diuji dina lingkungan cai.Hasil tina nanoindentation AFM ogé ngamungkinkeun urang pikeun characterize modulus kontak / gradién jero (30 kPa / 200 nm) tina permukaan lensa biomimetic.Gradién ieu bisa jadi alatan bédana modulus antara sikat polimér bercabang jeung substrat SiHy, atawa struktur cabang/dénsitas sikat polimér, atawa kombinasi na.Nanging, studi anu langkung jero diperyogikeun pikeun ngartos hubungan antara struktur sareng sipat, khususna pangaruh cabang sikat dina sipat mékanis.Pangukuran anu sami tiasa ngabantosan ciri mékanis tina permukaan bahan ultra-lemes sareng alat médis sanés.
Datasets dihasilkeun jeung / atawa dianalisis salila ulikan ayeuna sadia ti pangarang masing-masing kana pamundut lumrah.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. sarta Haugen, HJ réaksi biologis kana sipat fisik jeung kimia surfaces of biomaterials.Kimia.masarakat.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM jeung Liu, X. Perbaikan biomaterials turunan manusa pikeun rékayasa jaringan.programming.polimér.élmu.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Desain, palaksanaan klinis, sareng réspon imun biomaterial dina ubar regeneratif.Nasional Matt Wahyu 1, 16040 (2016).
Oliver WK na Farr GM Hiji métode ningkat pikeun nangtukeun karasa jeung modulus elastis ngagunakeun percobaan indentation kalawan beban sarta pangukuran kapindahan.J. Alma mater.tank gudang.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Asal-usul sajarah ngeunaan nguji karasa indentation.almamater.élmu.téknologi.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Indentation karasa ukuran dina Macro-, Micro-, sarta Nanoscale: A Review kritis.suku.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD na Clapperich, SM Surface kasalahan deteksi ngakibatkeun overestimation modulus dina nanoindentation bahan lemes.J. Mecha.kalakuan.Élmu Biomédis.almamater.2, 312-317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR jeung Yahya M.Yu.Evaluasi métode nanoindentation pikeun nangtukeun ciri mékanis nanocomposites hétérogén ngagunakeun métode ékspérimén jeung komputasi.élmu.imah 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, Bapak, sarta Owart, TS Mechanical characterization of gels viscoelastic lemes ku indentation jeung analisis unsur terhingga tibalik basis optimasi.J. Mecha.kalakuan.Élmu Biomédis.almamater.2, 355-363 (2009).
Andrews JW, Bowen J jeung Chaneler D. Optimasi tina tekad viscoelasticity ngagunakeun sistem pangukuran cocog.Lemes Matéri 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. sarta Pellillo, E. Nanoindentation of surfaces polymeric.J. Fisika.D. Ngalamar fisika.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. jeung Van Vliet kJ Characterization sipat mékanis viscoelastic of polimér kacida elastis jeung jaringan biologis maké indentation shock.Jurnal Biomaterial.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluasi modulus elastis jeung karya adhesion bahan lemes ngagunakeun métode Borodich-Galanov (BG) nambahan sarta indentation jero.bulu.almamater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Morfologi skala nano sareng sipat mékanis permukaan polimér biomimétik tina lénsa kontak hidrogél silikon.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).