ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com คุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกัน ใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
ด้วยการพัฒนาวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษใหม่สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานด้านชีวการแพทย์ การระบุลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ครอบคลุมจึงมีความสำคัญและท้าทาย เทคนิคการเยื้องระดับนาโนด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมแบบดัดแปลง (AFM) ถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะโมดูลัสพื้นผิวที่ต่ำมากของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจลเลห์ฟิลคอน A แบบชีวเลียนแบบที่เคลือบด้วยชั้นของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน วิธีการนี้ช่วยให้ระบุจุดสัมผัสได้อย่างแม่นยำ โดยไม่มีผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดเมื่อเข้าใกล้โพลีเมอร์ที่มีกิ่งก้าน นอกจากนี้ ยังทำให้สามารถกำหนดลักษณะทางกลขององค์ประกอบแปรงแต่ละชิ้นได้ โดยไม่มีผลกระทบจากความยืดหยุ่นของรูพรุน ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือกหัววัด AFM ที่มีการออกแบบ (ขนาดปลาย รูปทรง และอัตราสปริง) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดคุณสมบัติของวัสดุเนื้ออ่อนและตัวอย่างทางชีวภาพ วิธีการนี้ช่วยเพิ่มความไวและความแม่นยำในการวัดที่แม่นยำของวัสดุที่อ่อนนุ่มมาก เลห์ฟิลคอน A ซึ่งมีโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ต่ำมากบนพื้นผิว (สูงถึง 2 kPa) และความยืดหยุ่นที่สูงมากในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำภายใน (เกือบ 100%) . ผลการศึกษาพื้นผิวไม่เพียงเผยให้เห็นถึงคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษของเลนส์ lehfilcon A เท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าโมดูลัสของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านนั้นเทียบเคียงได้กับโมดูลัสของซับสเตรตซิลิคอน-ไฮโดรเจน เทคนิคการระบุลักษณะพื้นผิวนี้สามารถนำไปใช้กับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ ได้
สมบัติเชิงกลของวัสดุที่ออกแบบมาเพื่อการสัมผัสโดยตรงกับเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตมักถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ การจับคู่ที่สมบูรณ์แบบของคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ช่วยให้บรรลุลักษณะทางคลินิกที่ต้องการของวัสดุโดยไม่ก่อให้เกิดการตอบสนองของเซลล์ที่ไม่พึงประสงค์1,2,3 สำหรับวัสดุเนื้อเดียวกันจำนวนมาก การระบุคุณลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางกลนั้นค่อนข้างง่ายเนื่องจากมีขั้นตอนมาตรฐานและวิธีการทดสอบ (เช่น การเยื้องระดับไมโคร4,5,6) อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น เจล ไฮโดรเจล โพลีเมอร์ชีวภาพ เซลล์ที่มีชีวิต ฯลฯ โดยทั่วไปวิธีทดสอบเหล่านี้จะไม่สามารถใช้ได้เนื่องจากข้อจำกัดในความละเอียดของการวัดและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของวัสดุบางชนิด7 ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา วิธีการเยื้องแบบดั้งเดิมได้รับการแก้ไขและปรับให้เข้ากับลักษณะเฉพาะของวัสดุเนื้ออ่อนที่หลากหลาย แต่วิธีการหลายวิธียังคงมีข้อบกพร่องร้ายแรงที่จำกัดการใช้งาน8,9,10,11,12,13 การขาดวิธีทดสอบเฉพาะทางที่สามารถระบุคุณสมบัติทางกลของวัสดุซูเปอร์ซอฟท์และชั้นพื้นผิวได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ ทำให้จำกัดการใช้งานในการใช้งานต่างๆ อย่างรุนแรง
ในงานก่อนหน้าของเรา เราได้แนะนำคอนแทคเลนส์ lehfilcon A (CL) ซึ่งเป็นวัสดุเนื้อนุ่มที่แตกต่างกันพร้อมคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่ได้มาจากการออกแบบที่อาจเลียนแบบทางชีวภาพซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากพื้นผิวของกระจกตาของดวงตา วัสดุชีวภาพนี้ได้รับการพัฒนาโดยการปลูกถ่ายชั้นโพลีเมอร์ที่มีกิ่งก้านและเชื่อมโยงข้ามของโพลี (2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) ลงบนซิลิโคนไฮโดรเจล (SiHy) 15 ที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ กระบวนการต่อกิ่งนี้จะสร้างชั้นบนพื้นผิวที่ประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ที่มีกิ่งก้านสาขาที่นุ่มและยืดหยุ่นสูง งานก่อนหน้านี้ของเราได้ยืนยันว่าโครงสร้างการเลียนแบบทางชีวภาพของ lehfilcon A CL ให้คุณสมบัติพื้นผิวที่เหนือกว่า เช่น การป้องกันเปียกและเปรอะเปื้อนที่ดีขึ้น การหล่อลื่นที่เพิ่มขึ้น และการยึดเกาะของเซลล์และแบคทีเรียลดลง15,16 นอกจากนี้ การใช้และการพัฒนาวัสดุเลียนแบบชีวภาพนี้ยังแนะนำให้มีการขยายไปยังอุปกรณ์ชีวการแพทย์อื่นๆ อีกด้วย ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องระบุคุณสมบัติพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษนี้ และทำความเข้าใจปฏิกิริยาทางกลกับดวงตา เพื่อสร้างฐานความรู้ที่ครอบคลุมเพื่อรองรับการพัฒนาและการใช้งานในอนาคต คอนแทคเลนส์ SiHy ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของโพลีเมอร์ที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำซึ่งสร้างโครงสร้างวัสดุที่เหมือนกัน มีการศึกษาหลายชิ้นเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติทางกลโดยใช้วิธีทดสอบแรงอัด แรงดึง และรอยเยื้องขนาดเล็กแบบดั้งเดิม18,19,20,21 อย่างไรก็ตาม การออกแบบทางชีวภาพแบบใหม่ของ lehfilcon A CL ทำให้มันเป็นวัสดุที่ต่างกันซึ่งมีคุณสมบัติทางกลของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากคุณสมบัติของสารตั้งต้นฐาน SiHy ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะหาปริมาณคุณสมบัติเหล่านี้อย่างแม่นยำโดยใช้วิธีการทั่วไปและการเยื้อง วิธีการที่น่าหวังจะใช้วิธีการทดสอบการเยื้องระดับนาโนที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการตรวจสอบคุณสมบัติทางกลของวัสดุยืดหยุ่นหนืดอ่อน เช่น เซลล์และเนื้อเยื่อชีวภาพ รวมถึงโพลีเมอร์แบบอ่อน22,23,24,25 . ,26,27,28,29,30. ในการเยื้องระดับนาโนของ AFM นั้น พื้นฐานของการทดสอบการเยื้องระดับนาโนจะถูกรวมเข้ากับความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี AFM เพื่อเพิ่มความไวในการวัดและการทดสอบวัสดุซูเปอร์ซอฟท์โดยธรรมชาติที่หลากหลาย นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังมอบข้อได้เปรียบที่สำคัญอื่นๆ ผ่านการใช้รูปทรงที่แตกต่างกัน หัวกดและโพรบ และความเป็นไปได้ของการทดสอบในตัวกลางของเหลวต่างๆ
การเยื้องระดับนาโนของ AFM สามารถแบ่งตามเงื่อนไขออกเป็นองค์ประกอบหลักสามส่วน: (1) อุปกรณ์ (เซ็นเซอร์ เครื่องตรวจจับ โพรบ ฯลฯ); (2) พารามิเตอร์การวัด (เช่น แรง การกระจัด ความเร็ว ขนาดทางลาด ฯลฯ) (3) การประมวลผลข้อมูล (การแก้ไขพื้นฐาน การประมาณค่าจุดสัมผัส การปรับข้อมูลให้เหมาะสม การสร้างแบบจำลอง ฯลฯ) ปัญหาที่สำคัญของวิธีนี้ก็คือ การศึกษาหลายชิ้นในวรรณกรรมที่ใช้การเยื้องนาโนของ AFM รายงานผลลัพธ์เชิงปริมาณที่แตกต่างกันมากสำหรับตัวอย่าง/เซลล์/ประเภทวัสดุเดียวกัน ตัวอย่างเช่น Lekka และคณะ ศึกษาและเปรียบเทียบอิทธิพลของเรขาคณิตของโพรบ AFM ต่อโมดูลัสของ Young ที่วัดได้ของไฮโดรเจลที่เป็นเนื้อเดียวกันเชิงกลไกและเซลล์ต่างกัน พวกเขารายงานว่าค่ามอดุลัสขึ้นอยู่กับการเลือกคานยื่นและรูปร่างส่วนปลายเป็นอย่างสูง โดยค่าสูงสุดสำหรับโพรบรูปปิรามิดและค่าต่ำสุดคือ 42 สำหรับโพรบทรงกลม ในทำนองเดียวกัน Selhuber-Unkel และคณะ มีการแสดงให้เห็นว่าความเร็วของหัวกด ขนาดหัวกด และความหนาของตัวอย่างโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ส่งผลต่อโมดูลัสของ Young ที่วัดโดยการเยื้องนาโน ACM43 อย่างไร ปัจจัยที่ซับซ้อนอีกประการหนึ่งคือการขาดวัสดุทดสอบโมดูลัสมาตรฐานต่ำมากและขั้นตอนการทดสอบฟรี ทำให้เป็นเรื่องยากมากที่จะได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำด้วยความมั่นใจ อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีประโยชน์มากสำหรับการวัดสัมพัทธ์และการประเมินเชิงเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างประเภทที่คล้ายกัน เช่น การใช้ AFM nanoindentation เพื่อแยกเซลล์ปกติออกจากเซลล์มะเร็ง 44, 45
เมื่อทำการทดสอบวัสดุอ่อนที่มีการเยื้องระดับนาโนของ AFM หลักการทั่วไปคือการใช้โพรบที่มีค่าคงที่สปริงต่ำ (k) ซึ่งตรงกับโมดูลัสของตัวอย่างและปลายครึ่งทรงกลม/กลมอย่างใกล้ชิด เพื่อให้โพรบตัวแรกไม่เจาะพื้นผิวของตัวอย่างบนพื้นผิว สัมผัสวัสดุอ่อนเป็นครั้งแรก สิ่งสำคัญคือสัญญาณการโก่งตัวที่สร้างโดยโพรบจะต้องแรงพอที่จะตรวจพบโดยระบบเครื่องตรวจจับด้วยเลเซอร์24,34,46,47 ในกรณีของเซลล์ เนื้อเยื่อ และเจลที่ต่างกันที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการเอาชนะแรงยึดเกาะระหว่างโพรบและพื้นผิวตัวอย่าง เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดค่าสามารถทำซ้ำและเชื่อถือได้48,49,50 จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ งานส่วนใหญ่เกี่ยวกับการเยื้องนาโนของ AFM ได้มุ่งเน้นไปที่การศึกษาพฤติกรรมเชิงกลของเซลล์ชีวภาพ เนื้อเยื่อ เจล ไฮโดรเจล และชีวโมเลกุลโดยใช้โพรบทรงกลมที่ค่อนข้างใหญ่ ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าโพรบคอลลอยด์ (CPs) , 47, 51, 52, 53, 54, 55 ทิปเหล่านี้มีรัศมี 1 ถึง 50 µm และโดยทั่วไปทำจากแก้วบอโรซิลิเกต โพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) โพลีสไตรีน (PS) ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) และเพชร- เช่น คาร์บอน (DLC) แม้ว่าการเยื้องระดับนาโนของ CP-AFM มักจะเป็นตัวเลือกแรกสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของตัวอย่างแบบอ่อน แต่ก็มีปัญหาและข้อจำกัดในตัวเอง การใช้ทิปทรงกลมขนาดใหญ่ขนาดไมครอนจะเพิ่มพื้นที่สัมผัสทั้งหมดของทิปกับตัวอย่าง และส่งผลให้สูญเสียความละเอียดเชิงพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญ สำหรับชิ้นงานที่อ่อนนุ่มและไม่เหมือนกัน ซึ่งคุณสมบัติทางกลขององค์ประกอบเฉพาะที่อาจแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากค่าเฉลี่ยในพื้นที่ที่กว้างขึ้น การเยื้อง CP สามารถซ่อนความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในคุณสมบัติในระดับท้องถิ่น52 โดยทั่วไป หัววัดคอลลอยด์จะทำโดยการติดทรงกลมคอลลอยด์ขนาดไมครอนเข้ากับคานยื่นแบบไม่มีปลายโดยใช้กาวอีพอกซี กระบวนการผลิตเองก็เต็มไปด้วยปัญหามากมาย และอาจนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกันในกระบวนการสอบเทียบโพรบได้ นอกจากนี้ ขนาดและมวลของอนุภาคคอลลอยด์ส่งผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์การสอบเทียบหลักของคานยื่น เช่น ความถี่เรโซแนนซ์ ความแข็งของสปริง และความไวของการโก่งตัว56,57,58 ดังนั้น วิธีการที่ใช้กันทั่วไปสำหรับโพรบ AFM ทั่วไป เช่น การสอบเทียบอุณหภูมิ อาจไม่สามารถให้การสอบเทียบ CP ที่แม่นยำได้ และอาจจำเป็นต้องใช้วิธีอื่นในการดำเนินการแก้ไขเหล่านี้57, 59, 60, 61 การทดลองการเยื้อง CP โดยทั่วไปจะใช้คานยื่นส่วนเบี่ยงเบนขนาดใหญ่เพื่อ ศึกษาคุณสมบัติของตัวอย่างอ่อน ซึ่งสร้างปัญหาอีกประการหนึ่งเมื่อทำการสอบเทียบพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นของคานยื่นออกมาที่มีความเบี่ยงเบนค่อนข้างมาก62,63,64 วิธีการเยื้องของโพรบคอลลอยด์สมัยใหม่มักจะคำนึงถึงเรขาคณิตของคานยื่นที่ใช้ในการสอบเทียบโพรบ แต่ไม่สนใจอิทธิพลของอนุภาคคอลลอยด์ ซึ่งสร้างความไม่แน่นอนเพิ่มเติมในความแม่นยำของวิธีการ 38,61 ในทำนองเดียวกัน โมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณโดยการปรับแบบจำลองการสัมผัสจะขึ้นอยู่กับรูปทรงของหัววัดการเยื้องโดยตรง และความไม่ตรงกันระหว่างคุณลักษณะของส่วนปลายและพื้นผิวตัวอย่างอาจทำให้เกิดความไม่ถูกต้องได้27, 65, 66, 67, 68 ผลงานล่าสุดบางชิ้นของ Spencer และคณะ ปัจจัยที่ควรนำมาพิจารณาเมื่อกำหนดคุณลักษณะของแปรงโพลีเมอร์ชนิดอ่อนโดยใช้วิธีการเยื้องระดับนาโน CP-AFM จะถูกเน้นไว้ พวกเขารายงานว่าการกักเก็บของเหลวหนืดในแปรงโพลีเมอร์ตามหน้าที่ของความเร็วส่งผลให้มีการโหลดหัวเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้การวัดคุณสมบัติที่ขึ้นกับความเร็วที่แตกต่างกัน30,69,70,71
ในการศึกษานี้ เราได้กำหนดลักษณะโมดูลัสพื้นผิวของวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงพิเศษ lehfilcon A CL โดยใช้วิธี AFM nanoindentation ที่ได้รับการดัดแปลง เมื่อพิจารณาถึงคุณสมบัติและโครงสร้างใหม่ของวัสดุนี้ ช่วงความไวของวิธีการเยื้องแบบเดิมไม่เพียงพอที่จะระบุลักษณะโมดูลัสของวัสดุที่อ่อนนุ่มอย่างยิ่งนี้อย่างชัดเจน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเยื้องนาโน AFM ที่มีความไวสูงและความไวต่ำกว่า ระดับ. หลังจากตรวจสอบข้อบกพร่องและปัญหาของเทคนิคการเยื้องระดับนาโนของโพรบ AFM คอลลอยด์ที่มีอยู่แล้ว เราจะแสดงให้เห็นว่าเหตุใดเราจึงเลือกโพรบ AFM ที่มีขนาดเล็กและออกแบบเองเพื่อกำจัดความไว เสียงพื้นหลัง ระบุจุดสัมผัส วัดโมดูลัสความเร็วของวัสดุที่ต่างกันแบบอ่อน เช่น การกักเก็บของเหลว การพึ่งพาอาศัยกัน และปริมาณที่แม่นยำ นอกจากนี้เรายังสามารถวัดรูปร่างและขนาดของปลายเยื้องได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถใช้แบบจำลองทรงกรวย-ทรงกลมเพื่อกำหนดโมดูลัสความยืดหยุ่นโดยไม่ต้องประเมินพื้นที่สัมผัสของปลายกับวัสดุ สมมติฐานโดยนัยสองข้อที่ถูกระบุเป็นปริมาณในงานนี้คือคุณสมบัติของวัสดุที่ยืดหยุ่นเต็มที่และโมดูลัสที่ไม่ขึ้นกับความลึกของการเยื้อง เมื่อใช้วิธีการนี้ ขั้นแรกเราได้ทดสอบมาตรฐานที่นุ่มนวลเป็นพิเศษด้วยโมดูลัสที่ทราบเพื่อหาปริมาณของวิธีการ จากนั้นจึงใช้วิธีนี้เพื่อระบุลักษณะพื้นผิวของวัสดุคอนแทคเลนส์ที่แตกต่างกันสองชนิด วิธีการระบุลักษณะพื้นผิวการเยื้องนาโนของ AFM ด้วยความไวที่เพิ่มขึ้นนี้คาดว่าจะใช้ได้กับวัสดุอัลตราซอฟท์ที่ต่างกันแบบ biomimetic ที่หลากหลายพร้อมศักยภาพการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานด้านชีวการแพทย์
คอนแทคเลนส์ Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) และพื้นผิวซิลิโคนไฮโดรเจลถูกเลือกสำหรับการทดลองการเยื้องระดับนาโน การทดลองใช้เมาท์เลนส์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ในการติดตั้งเลนส์สำหรับการทดสอบ ให้วางเลนส์อย่างระมัดระวังบนขาตั้งรูปทรงโดม ตรวจดูให้แน่ใจว่าไม่มีฟองอากาศเข้าไปด้านใน จากนั้นจึงยึดเข้ากับขอบ รูในฟิกซ์เจอร์ที่ด้านบนของที่วางเลนส์ช่วยให้สามารถเข้าถึงศูนย์กลางออปติคัลของเลนส์เพื่อการทดลองการเยื้องระดับนาโนในขณะที่ถือของเหลวให้อยู่กับที่ ช่วยให้เลนส์ได้รับความชุ่มชื้นอย่างเต็มที่ ใช้สารละลายบรรจุภัณฑ์คอนแทคเลนส์ 500 ไมโครลิตรเป็นสารละลายทดสอบ เพื่อตรวจสอบผลลัพธ์เชิงปริมาณ ไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ที่ไม่เปิดใช้งานที่มีจำหน่ายในท้องตลาดถูกเตรียมจากส่วนประกอบโพลีอะคริลาไมด์-โค-เมทิลีน-บิซาคริลาไมด์ (จาน Petrisoft Petri 100 มม., Matrigen, Irvine, CA, USA) ซึ่งเป็นโมดูลัสยืดหยุ่นที่รู้จักที่ 1 ปาสคาล ใช้น้ำเกลือบัฟเฟอร์ฟอสเฟต 4-5 หยด (ประมาณ 125 µl) (PBS จาก Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) และสารละลายคอนแทคเลนส์ OPTI-FREE Puremoist 1 หยด (Alcon, Vaud, TX, USA) ) ที่ส่วนต่อประสานโพรบไฮโดรเจล AFM
ตัวอย่างของพื้นผิว Lehfilcon A CL และ SiHy ถูกมองเห็นโดยใช้ระบบกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบสแกนการปล่อยรังสีภาคสนาม FEI Quanta 250 (FEG SEM) ที่ติดตั้งเครื่องตรวจจับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบสแกน (STEM) เพื่อเตรียมตัวอย่าง เลนส์จะถูกล้างด้วยน้ำก่อนแล้วตัดเป็นชิ้นรูปทรงพาย เพื่อให้บรรลุถึงความแตกต่างที่แตกต่างกันระหว่างส่วนประกอบที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำของตัวอย่าง จึงใช้สารละลาย RuO4 ที่เสถียร 0.10% เป็นสีย้อม โดยแช่ตัวอย่างไว้เป็นเวลา 30 นาที การย้อมสี lehfilcon A CL RuO4 มีความสำคัญไม่เพียงแต่เพื่อให้ได้คอนทราสต์ที่แตกต่างกันที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาโครงสร้างของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านในรูปแบบดั้งเดิม ซึ่งจากนั้นจะมองเห็นได้ในภาพ STEM จากนั้นพวกเขาจะถูกล้างและทำให้แห้งในชุดของผสมเอทานอล/น้ำโดยมีความเข้มข้นของเอทานอลเพิ่มขึ้น จากนั้นตัวอย่างถูกหล่อด้วยอีพอกซี EMBed 812/Araldite ซึ่งบ่มข้ามคืนที่ 70°C บล็อกตัวอย่างที่ได้จากเรซินโพลีเมอไรเซชันถูกตัดด้วยอัลตราไมโครโตม และส่วนที่บางที่เป็นผลลัพธ์จะถูกมองเห็นด้วยเครื่องตรวจจับ STEM ในโหมดสุญญากาศต่ำที่แรงดันไฟฟ้าเร่งที่ 30 กิโลโวลต์ ระบบ SEM เดียวกันนี้ใช้สำหรับการกำหนดคุณลักษณะโดยละเอียดของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) ภาพ SEM ของโพรบ AFM ได้มาจากโหมดสุญญากาศสูงทั่วไปที่มีแรงดันไฟฟ้าเร่งที่ 30 kV รับภาพที่มุมและกำลังขยายต่างๆ เพื่อบันทึกรายละเอียดทั้งหมดของรูปร่างและขนาดของปลายโพรบ AFM ขนาดส่วนปลายทั้งหมดที่น่าสนใจในภาพถูกวัดแบบดิจิทัล
กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมมิกแบบ Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) พร้อมโหมด "PeakForce QNM ใน Fluid" ถูกนำมาใช้เพื่อแสดงภาพและแสดงภาพและตัวอย่าง nanoindentate lehfilcon A CL, SiHy และตัวอย่างไฮโดรเจล PAAm สำหรับการทดลองเกี่ยวกับภาพ โพรบ PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) ที่มีรัศมีปลายระบุ 1 นาโนเมตรถูกนำมาใช้เพื่อจับภาพที่มีความละเอียดสูงของตัวอย่างที่อัตราการสแกน 0.50 เฮิรตซ์ ภาพทั้งหมดถูกถ่ายในสารละลายที่มีน้ำ
การทดลองการเยื้องระดับนาโนของ AFM ดำเนินการโดยใช้โพรบ PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) โพรบ AFM มีปลายซิลิคอนบนคานยื่นของไนไตรด์ที่มีความหนา 345 นาโนเมตร ยาว 54 µm และกว้าง 4.5 µm โดยมีความถี่เรโซแนนซ์ 45 kHz ได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อระบุคุณลักษณะและดำเนินการตรวจวัดนาโนกลศาสตร์เชิงปริมาณในตัวอย่างทางชีววิทยาแบบอ่อน เซ็นเซอร์ได้รับการสอบเทียบแยกกันที่โรงงานด้วยการตั้งค่าสปริงที่สอบเทียบไว้ล่วงหน้า ค่าคงที่สปริงของโพรบที่ใช้ในการศึกษานี้อยู่ในช่วง 0.05–0.1 N/m เพื่อกำหนดรูปร่างและขนาดของส่วนปลายได้อย่างแม่นยำ โพรบจึงถูกกำหนดลักษณะอย่างละเอียดโดยใช้ SEM บนรูป รูปที่ 1a แสดงไมโครกราฟอิเล็กตรอนสแกนที่มีความละเอียดสูง กำลังขยายต่ำของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL ให้มุมมองแบบองค์รวมของการออกแบบโพรบ บนรูป 1b แสดงภาพขยายด้านบนของปลายโพรบ โดยให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างและขนาดของปลาย ที่ปลายสุด เข็มจะเป็นซีกโลกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 140 นาโนเมตร (รูปที่ 1c) ด้านล่างนี้ ปลายจะเรียวลงเป็นรูปทรงกรวย โดยมีความยาวที่วัดได้ประมาณ 500 นาโนเมตร ภายนอกบริเวณเรียว ปลายจะเป็นทรงกระบอกและสิ้นสุดด้วยความยาวปลายรวม 1.18 µm นี่คือส่วนการทำงานหลักของปลายโพรบ นอกจากนี้ โพรบโพลีสไตรีนทรงกลมขนาดใหญ่ (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนปลาย 45 µm และค่าคงที่สปริง 2 N/m ยังใช้สำหรับการทดสอบเป็นโพรบคอลลอยด์ ด้วยโพรบ PFQNM-LC-A-CAL 140 นาโนเมตรสำหรับการเปรียบเทียบ
มีรายงานว่าของเหลวสามารถติดอยู่ระหว่างโพรบ AFM และโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ในระหว่างการเยื้องระดับนาโน ซึ่งจะออกแรงแรงขึ้นบนโพรบ AFM ก่อนที่มันจะสัมผัสกับพื้นผิวจริง ผลการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดเนื่องจากการกักเก็บของเหลวสามารถเปลี่ยนจุดสัมผัสที่ปรากฏได้ ซึ่งส่งผลต่อการวัดโมดูลัสพื้นผิว เพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงของโพรบและความเร็วของการเยื้องต่อการกักเก็บของเหลว เส้นโค้งแรงเยื้องถูกพล็อตสำหรับตัวอย่าง lehfilcon A CL โดยใช้โพรบเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการกระจัดคงที่ที่ 1 µm/s และ 2 µm/s เส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบ 45 µm การตั้งค่าแรงคงที่ 6 nN ทำได้ที่ 1 µm/s การทดลองกับโพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรดำเนินการที่ความเร็วการเยื้อง 1 µm/s และแรงที่ตั้งไว้ 300 pN เลือกเพื่อสร้างแรงกดสัมผัสภายในช่วงทางสรีรวิทยา (1–8 kPa) ของเปลือกตาบน ความดัน 72 ตัวอย่างไฮโดรเจล PAA สำเร็จรูปแบบอ่อนที่มีความดัน 1 kPa ได้รับการทดสอบสำหรับแรงเยื้อง 50 pN ที่ความเร็ว 1 µm/s โดยใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 nm
เนื่องจากความยาวของส่วนทรงกรวยของปลายของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL อยู่ที่ประมาณ 500 นาโนเมตร สำหรับความลึกของการเยื้อง < 500 นาโนเมตร จึงสามารถสันนิษฐานได้อย่างปลอดภัยว่ารูปทรงของโพรบในระหว่างการเยื้องจะยังคงเป็นจริงตามนั้น รูปร่างกรวย นอกจากนี้ สันนิษฐานว่าพื้นผิวของวัสดุที่ทดสอบจะแสดงการตอบสนองยืดหยุ่นแบบพลิกกลับได้ ซึ่งจะได้รับการยืนยันในส่วนต่อไปนี้ด้วย ดังนั้น ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของทิป เราจึงเลือกแบบจำลองกรวย-ทรงกลมที่พัฒนาโดย Briscoe, Sebastian และ Adams ซึ่งมีอยู่ในซอฟต์แวร์ของผู้จำหน่าย เพื่อประมวลผลการทดลอง AFM nanoindentation (NanoScope) ของเรา ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลการแยก, Bruker) 73. แบบจำลองนี้อธิบายความสัมพันธ์ของแรง-การเคลื่อนที่ F(δ) สำหรับกรวยที่มีข้อบกพร่องที่ปลายทรงกลม บนรูป รูปที่ 2 แสดงเรขาคณิตของการสัมผัสระหว่างการทำงานร่วมกันของกรวยแข็งกับปลายทรงกลม โดยที่ R คือรัศมีของปลายทรงกลม a คือรัศมีการสัมผัส b คือรัศมีการสัมผัสที่ปลายปลายทรงกลม δ คือ รัศมีการสัมผัส ความลึกของการเยื้อง θ คือครึ่งมุมของกรวย ภาพ SEM ของโพรบนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าปลายทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรผสานกันในแนวสัมผัสเป็นกรวย ดังนั้น b ในที่นี้จึงถูกกำหนดผ่าน R เท่านั้น กล่าวคือ b = R cos θ ซอฟต์แวร์ที่ผู้จำหน่ายจัดหาให้มีความสัมพันธ์แบบกรวย-ทรงกลมเพื่อคำนวณค่าโมดูลัส (E) ของ Young จากข้อมูลการแยกแรงโดยสมมติว่า a > b ความสัมพันธ์:
โดยที่ F คือแรงเยื้อง E คือโมดูลัสของ Young และ ν คืออัตราส่วนของปัวซอง รัศมีการสัมผัส a สามารถประมาณได้โดยใช้:
แผนผังของเรขาคณิตหน้าสัมผัสของกรวยแข็งที่มีปลายทรงกลมกดลงในวัสดุของคอนแทคเลนส์ Lefilcon พร้อมชั้นพื้นผิวของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน
ถ้า a ≤ b ความสัมพันธ์จะลดลงเหลือสมการสำหรับหัวกดทรงกลมแบบธรรมดา
เราเชื่อว่าการทำงานร่วมกันของหัววัดเยื้องกับโครงสร้างกิ่งก้านของแปรงโพลีเมอร์ PMPC จะทำให้รัศมีการสัมผัส a มากกว่ารัศมีการสัมผัสทรงกลม b ดังนั้น สำหรับการวัดเชิงปริมาณของโมดูลัสยืดหยุ่นที่ดำเนินการในการศึกษานี้ เราใช้การพึ่งพาที่ได้รับสำหรับกรณี a > b
วัสดุเลียนแบบชีวภาพอัลตราซอฟที่ศึกษาในการศึกษานี้ได้รับการถ่ายภาพอย่างครอบคลุมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบสแกน (STEM) ของหน้าตัดตัวอย่างและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ของพื้นผิว การแสดงลักษณะพื้นผิวโดยละเอียดนี้ดำเนินการเป็นส่วนเสริมของงานที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้ของเรา ซึ่งเราได้พิจารณาแล้วว่าโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบแยกแขนงแบบไดนามิกของพื้นผิว lehfilcon A CL ที่ดัดแปลงโดย PMPC แสดงคุณสมบัติเชิงกลที่คล้ายกันกับเนื้อเยื่อกระจกตาพื้นเมือง ด้วยเหตุนี้ เราจึงเรียกพื้นผิวของคอนแทคเลนส์ว่าเป็นวัสดุเลียนแบบชีวภาพ14 บนรูป 3a, b แสดงภาพตัดขวางของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านบนพื้นผิวของสารตั้งต้น lehfilcon A CL และสารตั้งต้น SiHy ที่ไม่ผ่านการบำบัดตามลำดับ พื้นผิวของตัวอย่างทั้งสองได้รับการวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้ภาพ AFM ความละเอียดสูง ซึ่งยืนยันผลการวิเคราะห์ STEM เพิ่มเติม (รูปที่ 3c, d) เมื่อนำมารวมกัน ภาพเหล่านี้ให้ความยาวโดยประมาณของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบแยกย่อยของ PMPC ที่ 300–400 นาโนเมตร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตีความการวัดการเยื้องนาโนของ AFM ข้อสังเกตสำคัญอีกประการหนึ่งที่ได้จากภาพก็คือ โครงสร้างพื้นผิวโดยรวมของวัสดุเลียนแบบชีวภาพ CL นั้นมีความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาจากวัสดุพื้นผิว SiHy ความแตกต่างในด้านสัณฐานวิทยาของพื้นผิวนี้สามารถเห็นได้ชัดเจนในระหว่างปฏิสัมพันธ์เชิงกลกับหัววัด AFM ที่มีรอยเยื้อง และต่อมาในค่าโมดูลัสที่วัดได้
ภาพตัดขวาง STEM ของ ( a ) lehfilcon A CL และ ( b ) สารตั้งต้น SiHy สเกลบาร์ 500 นาโนเมตร ภาพ AFM ของพื้นผิวของสารตั้งต้น lehfilcon A CL ( c ) และสารตั้งต้น SiHy ฐาน ( d ) (3 µm × 3 µm)
โพลีเมอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพและโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์มีความนุ่มโดยเนื้อแท้ และได้รับการศึกษาและใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานด้านชีวการแพทย์ต่างๆ74,75,76,77 ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะใช้วิธีการเยื้องระดับนาโน AFM ซึ่งสามารถวัดคุณสมบัติทางกลได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ แต่ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษเหล่านี้ เช่น โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก ปริมาณของเหลวสูง และความยืดหยุ่นสูง มักทำให้ยากต่อการเลือกวัสดุ รูปร่าง และรูปทรงของหัววัดเยื้องที่เหมาะสม ขนาด. นี่เป็นสิ่งสำคัญเพื่อไม่ให้หัวกดเจาะพื้นผิวอ่อนของตัวอย่างซึ่งจะนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการกำหนดจุดสัมผัสกับพื้นผิวและพื้นที่สัมผัส
ด้วยเหตุนี้ ความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของวัสดุเลียนแบบทางชีวภาพที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ (lehfilcon A CL) จึงเป็นสิ่งสำคัญ ข้อมูลเกี่ยวกับขนาดและโครงสร้างของแปรงโพลีเมอร์แบบแยกกิ่งที่ได้รับโดยใช้วิธีการสร้างภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการกำหนดคุณลักษณะทางกลของพื้นผิวโดยใช้เทคนิคการเยื้องระดับนาโนของ AFM แทนที่จะใช้โพรบคอลลอยด์ทรงกลมขนาดไมครอน เราเลือกโพรบซิลิคอนไนไตรด์ (Bruker) PFQNM-LC-A-CAL ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนปลาย 140 นาโนเมตร ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการทำแผนที่เชิงปริมาณของคุณสมบัติเชิงกลของตัวอย่างทางชีววิทยา 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 เหตุผลในการใช้โพรบที่ค่อนข้างคมเมื่อเปรียบเทียบกับโพรบคอลลอยด์ทั่วไปสามารถอธิบายได้โดย คุณสมบัติโครงสร้างของวัสดุ เมื่อเปรียบเทียบขนาดปลายโพรบ (~ 140 นาโนเมตร) กับแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านบนพื้นผิวของ CL lehfilcon A ดังแสดงในรูปที่ 3a สรุปได้ว่าปลายมีขนาดใหญ่พอที่จะสัมผัสโดยตรงกับโครงสร้างแปรงเหล่านี้ ซึ่ง ลดโอกาสที่ทิปจะทะลุผ่าน เพื่อแสดงให้เห็นประเด็นนี้ ในรูปที่ 4 คือภาพ STEM ของ lehfilcon A CL และส่วนปลายของการเยื้องของโพรบ AFM (วาดตามมาตราส่วน)
แผนผังแสดงภาพ STEM ของ lehfilcon A CL และหัววัดเยื้อง ACM (วาดตามขนาด)
นอกจากนี้ ขนาดปลาย 140 นาโนเมตรยังเล็กพอที่จะหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปเหนียวใดๆ ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้สำหรับแปรงโพลีเมอร์ที่ผลิตโดยวิธีการเยื้องนาโน CP-AFM69,71 เราสันนิษฐานว่าเนื่องจากรูปทรงกรวย-ทรงกลมพิเศษและขนาดค่อนข้างเล็กของทิป AFM นี้ (รูปที่ 1) ธรรมชาติของเส้นโค้งแรงที่สร้างโดย lehfilcon A การเยื้องระดับนาโนของ CL จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วการเยื้องหรือความเร็วในการโหลด/ขนถ่าย . ดังนั้นจึงไม่ได้รับผลกระทบจากผลกระทบจากรูพรุน เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ ตัวอย่าง lehfilcon A CL ถูกเยื้องด้วยแรงสูงสุดคงที่โดยใช้หัววัด PFQNM-LC-A-CAL แต่ที่ความเร็วที่แตกต่างกันสองระดับ และใช้เส้นโค้งแรงดึงและแรงหดที่เกิดขึ้นเพื่อพล็อตแรง (nN) ในการแยก (µm) แสดงในรูปที่ 5a เป็นที่ชัดเจนว่าเส้นโค้งแรงระหว่างการบรรทุกและการขนถ่ายทับซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ และไม่มีหลักฐานที่ชัดเจนว่าแรงเฉือนที่ความลึกของการเยื้องเป็นศูนย์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วการเยื้องในรูป บ่งชี้ว่าองค์ประกอบแปรงแต่ละชิ้นมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีผลกระทบแบบพรุน ในทางตรงกันข้าม ผลการกักเก็บของเหลว (ผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดและความยืดหยุ่นของรูพรุน) จะเห็นได้ชัดสำหรับโพรบ AFM เส้นผ่านศูนย์กลาง 45 µm ที่ความเร็วการเยื้องเท่ากัน และถูกเน้นโดยฮิสเทรีซิสระหว่างเส้นโค้งยืดและหดกลับ ดังแสดงในรูปที่ 5b ผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนสมมติฐานและแนะนำว่าโพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มดังกล่าว
lehfilcon A เส้นโค้งแรงเยื้อง CL โดยใช้ ACM; (a) การใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการโหลดสองระดับ แสดงให้เห็นว่าไม่มีผลกระทบแบบรูพรุนในระหว่างการเยื้องพื้นผิว (b) ใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 45 µm และ 140 nm แสดงผลของการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดและความยืดหยุ่นของรูพรุนสำหรับโพรบขนาดใหญ่เมื่อเปรียบเทียบกับโพรบขนาดเล็ก
เพื่อกำหนดลักษณะของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ วิธีการเยื้องนาโนของ AFM จะต้องมีหัววัดที่ดีที่สุดในการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุที่กำลังศึกษาอยู่ นอกจากรูปร่างและขนาดของทิปแล้ว ความไวของระบบเครื่องตรวจจับ AFM ความไวต่อการโก่งตัวของทิปในสภาพแวดล้อมการทดสอบ และความแข็งของคานยื่นมีบทบาทสำคัญในการพิจารณาความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการเยื้องระดับนาโน การวัด สำหรับระบบ AFM ของเรา ขีดจำกัดการตรวจจับแบบไวต่อตำแหน่ง (PSD) จะอยู่ที่ประมาณ 0.5 mV และอิงตามอัตราสปริงที่สอบเทียบล่วงหน้าและความไวต่อการโก่งตัวของของไหลที่คำนวณของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL ซึ่งสอดคล้องกับ ความไวโหลดทางทฤษฎี น้อยกว่า 0.1 pN ดังนั้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดแรงเยื้องขั้นต่ำ ≤ 0.1 pN โดยไม่มีส่วนประกอบของสัญญาณรบกวนต่อพ่วง อย่างไรก็ตาม แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ระบบ AFM จะลดเสียงรบกวนรอบข้างให้เหลือระดับนี้ เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การสั่นสะเทือนทางกลและพลศาสตร์ของไหล ปัจจัยเหล่านี้จำกัดความไวโดยรวมของวิธีการเยื้องระดับนาโนของ AFM และยังส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนพื้นหลังประมาณ ≤ 10 pN สำหรับการแสดงลักษณะเฉพาะของพื้นผิว ตัวอย่างซับสเตรต lehfilcon A CL และ SiHy ถูกเยื้องภายใต้สภาวะที่มีไฮเดรตเต็มที่โดยใช้โพรบ 140 นาโนเมตรสำหรับการแสดงลักษณะเฉพาะของ SEM และเส้นโค้งแรงที่ได้ผลลัพธ์ถูกซ้อนทับระหว่างแรง (pN) และความดัน แผนภาพการแยก (µm) แสดงไว้ในรูปที่ 6a เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตฐาน SiHy กราฟแรง lehfilcon A CL แสดงระยะการเปลี่ยนผ่านอย่างชัดเจนโดยเริ่มต้นที่จุดที่สัมผัสกับแปรงโพลีเมอร์แบบแยกและสิ้นสุดด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการสัมผัสการทำเครื่องหมายความลาดเอียงของส่วนปลายกับวัสดุที่อยู่ด้านล่าง ส่วนเปลี่ยนผ่านของเส้นโค้งแรงนี้เน้นถึงพฤติกรรมยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านบนพื้นผิว ดังที่เห็นได้จากเส้นโค้งแรงอัดอย่างใกล้ชิดตามเส้นโค้งแรงดึง และความแตกต่างในคุณสมบัติทางกลระหว่างโครงสร้างแปรงและวัสดุ SiHy ที่เทอะทะ เมื่อเปรียบเทียบเลฟิลคอน การแยกความยาวเฉลี่ยของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านในภาพ STEM ของ PCS (รูปที่ 3a) และเส้นโค้งแรงของมันตามแนว abscissa ในรูปที่ 3a 6a แสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถตรวจจับส่วนปลายและโพลีเมอร์ที่แตกแขนงไปถึงด้านบนสุดของพื้นผิวได้ สัมผัสกันระหว่างโครงสร้างแปรง นอกจากนี้ การทับซ้อนกันอย่างใกล้ชิดของเส้นโค้งแรงบ่งชี้ว่าไม่มีผลการกักเก็บของเหลว ในกรณีนี้ ไม่มีการยึดเกาะระหว่างเข็มกับพื้นผิวของตัวอย่างอย่างแน่นอน ส่วนบนสุดของเส้นโค้งแรงสำหรับตัวอย่างทั้งสองซ้อนทับกัน ซึ่งสะท้อนถึงความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติทางกลของวัสดุซับสเตรต
( a ) เส้นโค้งแรงเยื้องนาโน AFM สำหรับวัสดุพิมพ์ lehfilcon A CL และวัสดุพิมพ์ SiHy ( b ) เส้นโค้งแรงแสดงการประมาณค่าจุดสัมผัสโดยใช้วิธีเกณฑ์เสียงรบกวนพื้นหลัง
เพื่อศึกษารายละเอียดปลีกย่อยของเส้นโค้งแรง กราฟแรงดึงของตัวอย่าง lehfilcon A CL จะถูกพล็อตใหม่ในรูปที่ 6b ด้วยแรงสูงสุด 50 pN ตามแนวแกน y กราฟนี้ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับเสียงรบกวนพื้นหลังดั้งเดิม เสียงรบกวนอยู่ในช่วง ±10 pN ซึ่งใช้ในการระบุจุดสัมผัสอย่างแม่นยำ และคำนวณความลึกของการเยื้อง ตามที่รายงานไว้ในรายงาน การระบุจุดสัมผัสเป็นสิ่งสำคัญในการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ เช่น โมดูลัส85 ได้อย่างแม่นยำ วิธีการที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลข้อมูลเส้นโค้งแรงโดยอัตโนมัติได้แสดงให้เห็นถึงความพอดีที่ดีขึ้นระหว่างการปรับข้อมูลให้เหมาะสมและการวัดเชิงปริมาณสำหรับวัสดุอ่อน ในงานนี้ การเลือกจุดติดต่อของเราค่อนข้างง่ายและมีวัตถุประสงค์ แต่ก็มีข้อจำกัด วิธีการอนุรักษ์นิยมของเราในการกำหนดจุดสัมผัสอาจส่งผลให้ค่าโมดูลัสประเมินสูงเกินไปเล็กน้อยสำหรับความลึกของการเยื้องที่เล็กลง (< 100 นาโนเมตร) การใช้การตรวจจับจุดสัมผัสตามอัลกอริทึมและการประมวลผลข้อมูลอัตโนมัติอาจเป็นความต่อเนื่องของงานนี้ในอนาคตเพื่อปรับปรุงวิธีการของเราให้ดียิ่งขึ้น ดังนั้น สำหรับสัญญาณรบกวนพื้นหลังที่แท้จริงในลำดับ ±10 pN เราจึงกำหนดจุดสัมผัสเป็นจุดข้อมูลจุดแรกบนแกน x ในรูปที่ 6b ที่มีค่า ≥10 pN จากนั้น ตามขีดจำกัดสัญญาณรบกวนที่ 10 pN เส้นแนวตั้งที่ระดับ ~0.27 µm จะทำเครื่องหมายจุดที่สัมผัสกับพื้นผิว หลังจากนั้นเส้นโค้งการยืดจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งวัสดุพิมพ์มีความลึกของการเยื้องที่ ~270 นาโนเมตร ที่น่าสนใจขึ้นอยู่กับขนาดของคุณสมบัติแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน (300–400 นาโนเมตร) ที่วัดโดยใช้วิธีการถ่ายภาพ ความลึกของการเยื้องของ CL lehfilcon ตัวอย่างที่สังเกตโดยใช้วิธีเกณฑ์เสียงรบกวนพื้นหลังจะอยู่ที่ประมาณ 270 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ใกล้กับมาก ขนาดการวัดด้วย STEM ผลลัพธ์เหล่านี้ยังยืนยันความเข้ากันได้และการบังคับใช้ของรูปร่างและขนาดของปลายโพรบ AFM สำหรับการเยื้องโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นสูงนี้ ข้อมูลนี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนในการสนับสนุนวิธีการของเราในการใช้เสียงรบกวนพื้นหลังเป็นเกณฑ์ในการระบุจุดติดต่อ ดังนั้นผลลัพธ์เชิงปริมาณใดๆ ที่ได้รับจากการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการปรับเส้นโค้งแรงควรจะค่อนข้างแม่นยำ
การวัดเชิงปริมาณโดยวิธีการเยื้องนาโนของ AFM ขึ้นอยู่กับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการเลือกข้อมูลและการวิเคราะห์ในภายหลัง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาปัจจัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเลือกหัวกด คุณสมบัติของวัสดุ และกลไกของการโต้ตอบก่อนที่จะเลือกรุ่นใดรุ่นหนึ่ง ในกรณีนี้ เรขาคณิตของส่วนปลายได้รับการกำหนดลักษณะอย่างระมัดระวังโดยใช้ไมโครกราฟ SEM (รูปที่ 1) และจากผลลัพธ์นั้น หัววัดรอยเยื้องนาโน AFM เส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่มีกรวยแข็งและรูปทรงปลายทรงกลมเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการกำหนดลักษณะตัวอย่าง lehfilcon A CL79 . ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องได้รับการประเมินอย่างรอบคอบคือความยืดหยุ่นของวัสดุโพลีเมอร์ที่กำลังทดสอบ แม้ว่าข้อมูลเริ่มต้นของการเยื้องระดับนาโน (รูปที่ 5a และ 6a) จะสรุปคุณลักษณะของการทับซ้อนกันของเส้นโค้งแรงดึงและแรงอัดอย่างชัดเจน กล่าวคือ การคืนตัวของวัสดุแบบยืดหยุ่นโดยสมบูรณ์ แต่สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องยืนยันลักษณะความยืดหยุ่นของหน้าสัมผัสล้วนๆ . ด้วยเหตุนี้ จึงมีการดำเนินการเยื้องสองครั้งติดต่อกันที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL ที่อัตราการเยื้องที่ 1 µm/s ภายใต้สภาวะการให้ความชุ่มชื้นเต็มที่ ข้อมูลเส้นโค้งแรงที่ได้จะแสดงในรูป 7 และตามที่คาดไว้ เส้นโค้งการขยายตัวและการบีบอัดของงานพิมพ์ทั้งสองเกือบจะเหมือนกัน โดยเน้นถึงความยืดหยุ่นสูงของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน
เส้นโค้งแรงเยื้องสองเส้นที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของ lehfilcon A CL บ่งบอกถึงความยืดหยุ่นในอุดมคติของพื้นผิวเลนส์
จากข้อมูลที่ได้รับจากภาพ SEM และ STEM ของปลายโพรบและพื้นผิว lehfilcon A CL ตามลำดับ แบบจำลองกรวย-ทรงกลมเป็นตัวแทนทางคณิตศาสตร์ที่สมเหตุสมผลของอันตรกิริยาระหว่างปลายโพรบ AFM และวัสดุโพลีเมอร์ชนิดอ่อนที่กำลังทดสอบ นอกจากนี้ สำหรับแบบจำลองทรงกรวยทรงกลมนี้ ข้อสันนิษฐานพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติความยืดหยุ่นของวัสดุที่พิมพ์ไว้ถือเป็นจริงสำหรับวัสดุเลียนแบบทางชีวภาพชนิดใหม่นี้ และใช้ในการหาปริมาณโมดูลัสยืดหยุ่น
หลังจากการประเมินที่ครอบคลุมของวิธีการเยื้องระดับนาโนของ AFM และส่วนประกอบ รวมถึงคุณสมบัติของหัววัดการเยื้อง (รูปร่าง ขนาด และความแข็งของสปริง) ความไว (เสียงพื้นหลังและการประมาณค่าจุดสัมผัส) และแบบจำลองการปรับข้อมูลให้เหมาะสม (การวัดโมดูลัสเชิงปริมาณ) วิธีการคือ ใช้แล้ว. ระบุลักษณะตัวอย่างที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพื่อตรวจสอบผลลัพธ์เชิงปริมาณ ไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) เชิงพาณิชย์ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่น 1 kPa ได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะไฮเดรตโดยใช้โพรบ 140 นาโนเมตร รายละเอียดของการทดสอบและการคำนวณโมดูลมีอยู่ในข้อมูลเสริม ผลการศึกษาพบว่าโมดูลัสเฉลี่ยที่วัดได้คือ 0.92 กิโลปาสคาล และค่าเบี่ยงเบน %RSD และเปอร์เซ็นต์ (%) จากโมดูลัสที่ทราบมีค่าน้อยกว่า 10% ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความถูกต้องและความสามารถในการทำซ้ำของวิธีการเยื้องนาโน AFM ที่ใช้ในงานนี้เพื่อวัดโมดูลัสของวัสดุอัลตร้าซอฟท์ พื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL และสารตั้งต้นฐาน SiHy ได้รับการกำหนดลักษณะเพิ่มเติมโดยใช้วิธีการเยื้องนาโน AFM แบบเดียวกันเพื่อศึกษาโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจนของพื้นผิวอัลตร้าซอฟท์ในฐานะฟังก์ชันของความลึกของการเยื้อง เส้นโค้งการแยกแรงกดเยื้องถูกสร้างขึ้นสำหรับชิ้นงานแต่ละประเภทสามชิ้น (n = 3; หนึ่งการเยื้องต่อชิ้นงาน) ที่แรง 300 pN ความเร็ว 1 µm/s และการให้น้ำเต็มที่ เส้นโค้งการแบ่งปันแรงเยื้องถูกประมาณโดยใช้แบบจำลองทรงกรวย-ทรงกลม เพื่อให้ได้โมดูลัสขึ้นอยู่กับความลึกของการเยื้อง ส่วนกว้าง 40 นาโนเมตรของเส้นโค้งแรงจะถูกตั้งค่าโดยเพิ่มขึ้นครั้งละ 20 นาโนเมตร โดยเริ่มจากจุดที่สัมผัสกัน และค่าที่วัดได้ของโมดูลัสในแต่ละขั้นตอนของเส้นโค้งแรง สปิน Cy และคณะ วิธีการที่คล้ายกันได้ถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของการไล่ระดับโมดูลัสของแปรงโพลีเมอร์โพลี (ลอริลเมทาคริเลต) (P12MA) โดยใช้การเยื้องระดับนาโนของโพรบ AFM แบบคอลลอยด์ และพวกมันสอดคล้องกับข้อมูลโดยใช้แบบจำลองหน้าสัมผัสของเฮิรตซ์ วิธีการนี้ให้พล็อตของโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน (kPa) เทียบกับความลึกของการเยื้อง (nm) ดังแสดงในรูปที่ 8 ซึ่งแสดงให้เห็นโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน/การไล่ระดับความลึก โมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณได้ของตัวอย่าง CL lehfilcon A อยู่ในช่วง 2–3 kPa ภายใน 100 นาโนเมตรด้านบนของตัวอย่าง ซึ่งเกินกว่านั้นจะเริ่มเพิ่มขึ้นตามความลึก ในทางกลับกัน เมื่อทดสอบซับสเตรตฐาน SiHy โดยไม่ต้องใช้ฟิล์มคล้ายแปรงบนพื้นผิว ความลึกของการเยื้องสูงสุดที่ทำได้ที่แรง 300 pN จะน้อยกว่า 50 นาโนเมตร และค่าโมดูลัสที่ได้รับจากข้อมูลจะอยู่ที่ประมาณ 400 kPa ซึ่งเทียบได้กับค่าโมดูลัสของ Young สำหรับวัสดุเทกอง
โมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน (kPa) เทียบกับความลึกของการเยื้อง (นาโนเมตร) สำหรับซับสเตรต lehfilcon A CL และ SiHy โดยใช้วิธีการเยื้องนาโน AFM พร้อมเรขาคณิตทรงกรวยทรงกลมเพื่อวัดโมดูลัส
พื้นผิวส่วนบนสุดของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบแยกแขนงแบบชีวเลียนแบบแบบใหม่มีโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมาก (2–3 kPa) ซึ่งจะตรงกับปลายแขวนอิสระของแปรงโพลีเมอร์แบบแยกดังที่แสดงในภาพ STEM แม้ว่าจะมีหลักฐานบางอย่างเกี่ยวกับการไล่ระดับโมดูลัสที่ขอบด้านนอกของ CL แต่ซับสเตรตโมดูลัสหลักสูงจะมีอิทธิพลมากกว่า อย่างไรก็ตาม ส่วนบน 100 นาโนเมตรของพื้นผิวอยู่ภายใน 20% ของความยาวรวมของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่ง ดังนั้นจึงสมเหตุสมผลที่จะถือว่าค่าที่วัดได้ของโมดูลัสในช่วงความลึกของการเยื้องนี้ค่อนข้างแม่นยำและไม่รุนแรง ขึ้นอยู่กับผลของวัตถุด้านล่าง
เนื่องจากการออกแบบการเลียนแบบทางชีวภาพอันเป็นเอกลักษณ์ของคอนแทคเลนส์ lehfilcon A ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านที่กราฟต์ลงบนพื้นผิวของซับสเตรต SiHy จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะระบุคุณลักษณะทางกลของโครงสร้างพื้นผิวได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้วิธีการวัดแบบดั้งเดิม ที่นี่เรานำเสนอวิธีการเยื้องนาโน AFM ขั้นสูงเพื่อระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น ลีฟิลคอน A ที่มีปริมาณน้ำสูงและความยืดหยุ่นสูงมากอย่างแม่นยำ วิธีการนี้อิงจากการใช้หัววัด AFM ซึ่งมีขนาดส่วนปลายและรูปทรงที่ได้รับเลือกอย่างระมัดระวังเพื่อให้ตรงกับขนาดโครงสร้างของคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่จะพิมพ์ การผสมผสานระหว่างขนาดระหว่างหัววัดและโครงสร้างนี้ทำให้เกิดความไวเพิ่มขึ้น ช่วยให้เราสามารถวัดโมดูลัสต่ำและคุณสมบัติความยืดหยุ่นโดยธรรมชาติขององค์ประกอบแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน โดยไม่คำนึงถึงผลกระทบจากความยืดหยุ่นของรูพรุน ผลการวิจัยพบว่าลักษณะเฉพาะของแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านอันเป็นเอกลักษณ์ของพื้นผิวเลนส์มีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก (สูงถึง 2 kPa) และความยืดหยุ่นสูงมาก (เกือบ 100%) เมื่อทดสอบในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำ ผลลัพธ์ของการเยื้องระดับนาโนของ AFM ยังช่วยให้เราสามารถระบุลักษณะโมดูลัสการสัมผัส/การไล่ระดับความลึกที่ชัดเจน (30 kPa/200 นาโนเมตร) ของพื้นผิวเลนส์เลียนแบบทางชีวภาพ การไล่ระดับสีนี้อาจเนื่องมาจากความแตกต่างของโมดูลัสระหว่างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านและซับสเตรต SiHy หรือโครงสร้างกิ่งก้าน/ความหนาแน่นของแปรงโพลีเมอร์ หรือการรวมกันของสิ่งเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงลึกเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบของการแตกแขนงของแปรงต่อคุณสมบัติเชิงกล การวัดที่คล้ายกันสามารถช่วยระบุคุณสมบัติทางกลของพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ ได้
ชุดข้อมูลที่สร้างขึ้นและ/หรือวิเคราะห์ในระหว่างการศึกษาปัจจุบันสามารถหาได้จากผู้เขียนตามลำดับเมื่อมีการร้องขอที่สมเหตุสมผล
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. และ Haugen, HJ ปฏิกิริยาทางชีวภาพต่อคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของพื้นผิวของวัสดุชีวภาพ เคมี. สังคม. เอ็ด 49, 5178–5224 (2020)
Chen, FM และ Liu, X. การปรับปรุงวัสดุชีวภาพที่ได้มาจากมนุษย์สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การเขียนโปรแกรม พอลิเมอร์ วิทยาศาสตร์ 53, 86 (2559)
แซดท์เลอร์ เค และคณะ การออกแบบ การใช้งานทางคลินิก และการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของวัสดุชีวภาพในเวชศาสตร์ฟื้นฟู National Matt Rev. 1, 16040 (2016)
Oliver WK และ Farr GM วิธีการที่ได้รับการปรับปรุงในการกำหนดความแข็งและโมดูลัสยืดหยุ่นโดยใช้การทดลองการเยื้องพร้อมการวัดโหลดและการเคลื่อนที่ เจ. อัลมาเมเตอร์. ถังเก็บ 7 ก.ค. 1564–1583 (2011)
Wally, SM ต้นกำเนิดทางประวัติศาสตร์ของการทดสอบความแข็งของการเยื้อง โรงเรียนเก่า วิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี 28, 1028–1044 (2012)
Broitman, E. การวัดความแข็งของการเยื้องที่ระดับมาโคร, ไมโคร- และนาโน: การทบทวนที่สำคัญ ชนเผ่า ไรท์. 65, 1–18 (2017)
Kaufman, JD และ Clapperich, SM ข้อผิดพลาดในการตรวจจับพื้นผิวทำให้เกิดค่าโมดูลัสสูงเกินไปในการเยื้องระดับนาโนของวัสดุอ่อน เจ.เมชา. พฤติกรรม. วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์. โรงเรียนเก่า 2, 312–317 (2552)
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR และ Yahya M.Yu. การประเมินวิธีการเยื้องระดับนาโนเพื่อกำหนดลักษณะทางกลของนาโนคอมโพสิตที่ต่างกันโดยใช้วิธีการทดลองและการคำนวณ วิทยาศาสตร์ บ้าน 9, 15763 (2019)
Liu, K., VanLendingham, MR และ Owart, TS การวิเคราะห์ลักษณะทางกลของเจลที่มีความหนืดแบบอ่อนโดยการเยื้องและการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ผกผันตามการปรับให้เหมาะสม เจ.เมชา. พฤติกรรม. วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์. โรงเรียนเก่า 2, 355–363 (2009)
Andrews JW, Bowen J และ Chaneler D. การเพิ่มประสิทธิภาพของการกำหนดความยืดหยุ่นของความหนืดโดยใช้ระบบการวัดที่เข้ากันได้ เนื้ออ่อน 9, 5581–5593 (2013)
Briscoe, BJ, Fiori, L. และ Pellillo, E. การเยื้องนาโนของพื้นผิวโพลีเมอร์ เจ. ฟิสิกส์. ง. สมัครเรียนวิชาฟิสิกส์ 31, 2395 (1998)
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. และ Van Vliet KJ การแสดงลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติเชิงกลแบบยืดหยุ่นหนืดของโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและเนื้อเยื่อชีวภาพโดยใช้การเยื้องแบบกระแทก วารสารวัสดุชีวภาพ. 71, 388–397 (2018)
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM การประเมินโมดูลัสยืดหยุ่นและงานยึดเกาะของวัสดุอ่อนโดยใช้วิธีขยาย Borodich-Galanov (BG) และการเยื้องลึก ขน. โรงเรียนเก่า 129, 198–213 (2019)
ชิ เอ็กซ์ และคณะ สัณฐานวิทยาระดับนาโนและสมบัติเชิงกลของพื้นผิวโพลีเมอร์เลียนแบบชีวภาพของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจล แลงเมียร์ 37, 13961–13967 (2021)