ขอขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เวอร์ชันเบราว์เซอร์ที่มีการรองรับ CSS แบบจำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดต (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจะแสดงไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง หรือใช้ปุ่มแถบเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์ในแต่ละครั้ง
ด้วยการพัฒนาวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษใหม่สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานด้านชีวการแพทย์ การระบุลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ครอบคลุมจึงมีความสำคัญและท้าทายเทคนิคการเยื้องระดับนาโนด้วยกล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมแบบดัดแปลง (AFM) ถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะโมดูลัสพื้นผิวที่ต่ำมากของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจลเลห์ฟิลคอน A แบบชีวเลียนแบบที่เคลือบด้วยชั้นของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านวิธีการนี้ช่วยให้ระบุจุดสัมผัสได้อย่างแม่นยำ โดยไม่มีผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดเมื่อเข้าใกล้โพลีเมอร์ที่มีกิ่งก้านนอกจากนี้ ยังทำให้สามารถกำหนดลักษณะทางกลขององค์ประกอบแปรงแต่ละชิ้นได้ โดยไม่มีผลกระทบจากความยืดหยุ่นของรูพรุนซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือกหัววัด AFM ที่มีการออกแบบ (ขนาดปลาย รูปทรง และอัตราสปริง) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดคุณสมบัติของวัสดุเนื้ออ่อนและตัวอย่างทางชีวภาพวิธีการนี้ช่วยเพิ่มความไวและความแม่นยำในการวัดที่แม่นยำของวัสดุที่อ่อนนุ่มมาก เลห์ฟิลคอน A ซึ่งมีโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ต่ำมากบนพื้นผิว (สูงถึง 2 kPa) และความยืดหยุ่นที่สูงมากในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำภายใน (เกือบ 100%) .ผลการศึกษาพื้นผิวไม่เพียงเผยให้เห็นถึงคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษของเลนส์ lehfilcon A เท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าโมดูลัสของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านนั้นเทียบเคียงได้กับโมดูลัสของซับสเตรตซิลิคอน-ไฮโดรเจนเทคนิคการระบุลักษณะพื้นผิวนี้สามารถนำไปใช้กับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ ได้
สมบัติเชิงกลของวัสดุที่ออกแบบมาเพื่อการสัมผัสโดยตรงกับเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตมักถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมทางชีวภาพการจับคู่ที่สมบูรณ์แบบของคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ช่วยให้บรรลุลักษณะทางคลินิกที่ต้องการของวัสดุโดยไม่ก่อให้เกิดการตอบสนองของเซลล์ที่ไม่พึงประสงค์1,2,3สำหรับวัสดุเนื้อเดียวกันจำนวนมาก การระบุคุณลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติทางกลนั้นค่อนข้างง่ายเนื่องจากมีขั้นตอนมาตรฐานและวิธีการทดสอบ (เช่น การเยื้องระดับไมโคร4,5,6)อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น เจล ไฮโดรเจล โพลีเมอร์ชีวภาพ เซลล์ที่มีชีวิต ฯลฯ โดยทั่วไปวิธีทดสอบเหล่านี้จะไม่สามารถใช้ได้เนื่องจากข้อจำกัดในความละเอียดของการวัดและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของวัสดุบางชนิด7ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา วิธีการเยื้องแบบดั้งเดิมได้รับการแก้ไขและปรับให้เข้ากับลักษณะเฉพาะของวัสดุเนื้ออ่อนที่หลากหลาย แต่วิธีการหลายวิธียังคงมีข้อบกพร่องร้ายแรงที่จำกัดการใช้งาน8,9,10,11,12,13การขาดวิธีทดสอบเฉพาะทางที่สามารถระบุคุณสมบัติทางกลของวัสดุซูเปอร์ซอฟท์และชั้นพื้นผิวได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ ทำให้จำกัดการใช้งานในการใช้งานต่างๆ อย่างรุนแรง
ในงานก่อนหน้าของเรา เราได้แนะนำคอนแทคเลนส์ lehfilcon A (CL) ซึ่งเป็นวัสดุเนื้อนุ่มที่แตกต่างกันพร้อมคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่ได้มาจากการออกแบบที่อาจเลียนแบบทางชีวภาพซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากพื้นผิวของกระจกตาของดวงตาวัสดุชีวภาพนี้ได้รับการพัฒนาโดยการปลูกถ่ายชั้นโพลีเมอร์ที่มีกิ่งก้านและเชื่อมโยงข้ามของโพลี (2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) ลงบนซิลิโคนไฮโดรเจล (SiHy) 15 ที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์กระบวนการต่อกิ่งนี้จะสร้างชั้นบนพื้นผิวที่ประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ที่มีกิ่งก้านสาขาที่นุ่มและยืดหยุ่นสูงงานก่อนหน้านี้ของเราได้ยืนยันว่าโครงสร้างการเลียนแบบทางชีวภาพของ lehfilcon A CL ให้คุณสมบัติพื้นผิวที่เหนือกว่า เช่น การป้องกันเปียกและเปรอะเปื้อนที่ดีขึ้น การหล่อลื่นที่เพิ่มขึ้น และการยึดเกาะของเซลล์และแบคทีเรียลดลง15,16นอกจากนี้ การใช้และการพัฒนาวัสดุเลียนแบบชีวภาพนี้ยังแนะนำให้มีการขยายไปยังอุปกรณ์ชีวการแพทย์อื่นๆ อีกด้วยดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องระบุคุณสมบัติพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษนี้ และทำความเข้าใจปฏิกิริยาทางกลกับดวงตา เพื่อสร้างฐานความรู้ที่ครอบคลุมเพื่อรองรับการพัฒนาและการใช้งานในอนาคตคอนแทคเลนส์ SiHy ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของโพลีเมอร์ที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำซึ่งสร้างโครงสร้างวัสดุที่เหมือนกันมีการศึกษาหลายชิ้นเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติทางกลโดยใช้วิธีทดสอบแรงอัด แรงดึง และรอยเยื้องขนาดเล็กแบบดั้งเดิม18,19,20,21อย่างไรก็ตาม การออกแบบทางชีวภาพแบบใหม่ของ lehfilcon A CL ทำให้มันเป็นวัสดุที่ต่างกันซึ่งมีคุณสมบัติทางกลของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากคุณสมบัติของสารตั้งต้นฐาน SiHyดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะหาปริมาณคุณสมบัติเหล่านี้อย่างแม่นยำโดยใช้วิธีการทั่วไปและการเยื้องวิธีการที่น่าหวังจะใช้วิธีการทดสอบการเยื้องระดับนาโนที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการตรวจสอบคุณสมบัติทางกลของวัสดุยืดหยุ่นหนืดอ่อน เช่น เซลล์และเนื้อเยื่อชีวภาพ รวมถึงโพลีเมอร์แบบอ่อน22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.ในการเยื้องระดับนาโนของ AFM นั้น พื้นฐานของการทดสอบการเยื้องระดับนาโนจะถูกรวมเข้ากับความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี AFM เพื่อเพิ่มความไวในการวัดและการทดสอบวัสดุซูเปอร์ซอฟท์โดยธรรมชาติที่หลากหลายนอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังมอบข้อได้เปรียบที่สำคัญอื่นๆ ผ่านการใช้รูปทรงที่แตกต่างกันหัวกดและโพรบ 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/ประเภทวัสดุเดียวกันตัวอย่างเช่น Lekka และคณะศึกษาและเปรียบเทียบอิทธิพลของเรขาคณิตของโพรบ AFM ต่อโมดูลัสของ Young ที่วัดได้ของไฮโดรเจลที่เป็นเนื้อเดียวกันเชิงกลไกและเซลล์ต่างกันพวกเขารายงานว่าค่ามอดุลัสขึ้นอยู่กับการเลือกคานยื่นและรูปร่างส่วนปลายเป็นอย่างสูง โดยค่าสูงสุดสำหรับโพรบรูปปิรามิดและค่าต่ำสุดคือ 42 สำหรับโพรบทรงกลมในทำนองเดียวกัน Selhuber-Unkel และคณะมีการแสดงให้เห็นว่าความเร็วของหัวกด ขนาดหัวกด และความหนาของตัวอย่างโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ส่งผลต่อโมดูลัสของ Young ที่วัดโดยการเยื้องนาโน ACM43 อย่างไรปัจจัยที่ซับซ้อนอีกประการหนึ่งคือการขาดวัสดุทดสอบโมดูลัสมาตรฐานต่ำมากและขั้นตอนการทดสอบฟรีทำให้เป็นเรื่องยากมากที่จะได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำด้วยความมั่นใจอย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีประโยชน์มากสำหรับการวัดสัมพัทธ์และการประเมินเชิงเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างประเภทที่คล้ายกัน เช่น การใช้ AFM nanoindentation เพื่อแยกเซลล์ปกติออกจากเซลล์มะเร็ง 44, 45
เมื่อทำการทดสอบวัสดุอ่อนที่มีการเยื้องระดับนาโนของ AFM หลักการทั่วไปคือการใช้โพรบที่มีค่าคงที่สปริงต่ำ (k) ซึ่งตรงกับโมดูลัสของตัวอย่างและปลายครึ่งทรงกลม/กลมอย่างใกล้ชิด เพื่อให้โพรบตัวแรกไม่เจาะพื้นผิวของตัวอย่างบนพื้นผิว สัมผัสวัสดุอ่อนเป็นครั้งแรกสิ่งสำคัญคือสัญญาณการโก่งตัวที่สร้างโดยโพรบจะต้องแรงพอที่จะตรวจพบโดยระบบเครื่องตรวจจับด้วยเลเซอร์24,34,46,47ในกรณีของเซลล์ เนื้อเยื่อ และเจลที่ต่างกันที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการเอาชนะแรงยึดเกาะระหว่างโพรบและพื้นผิวตัวอย่าง เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดค่าสามารถทำซ้ำและเชื่อถือได้48,49,50จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ 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 แต่ก็มีปัญหาและข้อจำกัดในตัวเองการใช้ทิปทรงกลมขนาดใหญ่ขนาดไมครอนจะเพิ่มพื้นที่สัมผัสทั้งหมดของทิปกับตัวอย่าง และส่งผลให้สูญเสียความละเอียดเชิงพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญสำหรับชิ้นงานที่อ่อนนุ่มและไม่เหมือนกัน ซึ่งคุณสมบัติทางกลขององค์ประกอบเฉพาะที่อาจแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากค่าเฉลี่ยในพื้นที่ที่กว้างขึ้น การเยื้อง CP สามารถซ่อนความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในคุณสมบัติในระดับท้องถิ่น52โดยทั่วไป หัววัดคอลลอยด์จะทำโดยการติดทรงกลมคอลลอยด์ขนาดไมครอนเข้ากับคานยื่นแบบไม่มีปลายโดยใช้กาวอีพอกซีกระบวนการผลิตเองก็เต็มไปด้วยปัญหามากมาย และอาจนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกันในกระบวนการสอบเทียบโพรบได้นอกจากนี้ ขนาดและมวลของอนุภาคคอลลอยด์ส่งผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์การสอบเทียบหลักของคานยื่น เช่น ความถี่เรโซแนนซ์ ความแข็งของสปริง และความไวในการโก่งตัว56,57,58ดังนั้น วิธีการที่ใช้กันทั่วไปสำหรับโพรบ AFM ทั่วไป เช่น การสอบเทียบอุณหภูมิ อาจไม่สามารถให้การสอบเทียบ CP ที่แม่นยำได้ และอาจจำเป็นต้องใช้วิธีอื่นในการดำเนินการแก้ไขเหล่านี้57, 59, 60, 61 การทดลองการเยื้อง CP โดยทั่วไปจะใช้คานยื่นส่วนเบี่ยงเบนขนาดใหญ่เพื่อ ศึกษาคุณสมบัติของตัวอย่างอ่อน ซึ่งสร้างปัญหาอีกประการหนึ่งเมื่อทำการสอบเทียบพฤติกรรมที่ไม่เป็นเชิงเส้นของคานยื่นออกมาที่มีความเบี่ยงเบนค่อนข้างมาก62,63,64วิธีการเยื้องของโพรบคอลลอยด์สมัยใหม่มักจะคำนึงถึงเรขาคณิตของคานยื่นที่ใช้ในการสอบเทียบโพรบ แต่ไม่สนใจอิทธิพลของอนุภาคคอลลอยด์ ซึ่งสร้างความไม่แน่นอนเพิ่มเติมในความแม่นยำของวิธีการ 38,61ในทำนองเดียวกัน โมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณโดยการปรับแบบจำลองการสัมผัสจะขึ้นอยู่กับรูปทรงของหัววัดการเยื้องโดยตรง และความไม่ตรงกันระหว่างคุณลักษณะของส่วนปลายและพื้นผิวตัวอย่างอาจทำให้เกิดความไม่ถูกต้องได้27, 65, 66, 67, 68 ผลงานล่าสุดบางชิ้นของ Spencer และคณะปัจจัยที่ควรนำมาพิจารณาเมื่อกำหนดคุณลักษณะของแปรงโพลีเมอร์ชนิดอ่อนโดยใช้วิธีการเยื้องระดับนาโน CP-AFM จะถูกเน้นไว้พวกเขารายงานว่าการกักเก็บของเหลวหนืดในแปรงโพลีเมอร์ตามหน้าที่ของความเร็วส่งผลให้มีการโหลดหัวเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้การวัดคุณสมบัติที่ขึ้นกับความเร็วที่แตกต่างกัน30,69,70,71
ในการศึกษานี้ เราได้กำหนดลักษณะโมดูลัสพื้นผิวของวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงพิเศษ lehfilcon A CL โดยใช้วิธี AFM nanoindentation ที่ได้รับการดัดแปลงเมื่อพิจารณาถึงคุณสมบัติและโครงสร้างใหม่ของวัสดุนี้ ช่วงความไวของวิธีการเยื้องแบบเดิมไม่เพียงพอที่จะระบุลักษณะโมดูลัสของวัสดุที่อ่อนนุ่มอย่างยิ่งนี้อย่างชัดเจน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเยื้องนาโน AFM ที่มีความไวสูงและความไวต่ำกว่าระดับ.หลังจากตรวจสอบข้อบกพร่องและปัญหาของเทคนิคการเยื้องระดับนาโนของโพรบ AFM คอลลอยด์ที่มีอยู่แล้ว เราจะแสดงให้เห็นว่าเหตุใดเราจึงเลือกโพรบ AFM ที่มีขนาดเล็กและออกแบบเองเพื่อกำจัดความไว เสียงพื้นหลัง ระบุจุดสัมผัส วัดโมดูลัสความเร็วของวัสดุที่ต่างกันแบบอ่อน เช่น การกักเก็บของเหลว การพึ่งพาอาศัยกันและปริมาณที่แม่นยำนอกจากนี้เรายังสามารถวัดรูปร่างและขนาดของปลายเยื้องได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถใช้แบบจำลองทรงกรวย-ทรงกลมเพื่อกำหนดโมดูลัสความยืดหยุ่นโดยไม่ต้องประเมินพื้นที่สัมผัสของปลายกับวัสดุสมมติฐานโดยนัยสองข้อที่ถูกระบุเป็นปริมาณในงานนี้คือคุณสมบัติของวัสดุที่ยืดหยุ่นเต็มที่และโมดูลัสที่ไม่ขึ้นกับความลึกของการเยื้องเมื่อใช้วิธีการนี้ ขั้นแรกเราได้ทดสอบมาตรฐานที่นุ่มนวลเป็นพิเศษด้วยโมดูลัสที่ทราบเพื่อหาปริมาณของวิธีการ จากนั้นจึงใช้วิธีนี้เพื่อระบุลักษณะพื้นผิวของวัสดุคอนแทคเลนส์ที่แตกต่างกันสองชนิดวิธีการระบุลักษณะพื้นผิวการเยื้องนาโนของ AFM ด้วยความไวที่เพิ่มขึ้นนี้คาดว่าจะใช้ได้กับวัสดุอัลตราซอฟท์ที่ต่างกันแบบ biomimetic ที่หลากหลายพร้อมศักยภาพการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานด้านชีวการแพทย์
คอนแทคเลนส์ Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) และพื้นผิวซิลิโคนไฮโดรเจลถูกเลือกสำหรับการทดลองการเยื้องระดับนาโนการทดลองใช้เมาท์เลนส์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษในการติดตั้งเลนส์สำหรับการทดสอบ ให้วางเลนส์อย่างระมัดระวังบนขาตั้งรูปทรงโดม ตรวจดูให้แน่ใจว่าไม่มีฟองอากาศเข้าไปด้านใน จากนั้นจึงยึดเข้ากับขอบรูในฟิกซ์เจอร์ที่ด้านบนของที่วางเลนส์ช่วยให้สามารถเข้าถึงศูนย์กลางออปติคัลของเลนส์เพื่อการทดลองการเยื้องระดับนาโนในขณะที่ถือของเหลวให้อยู่กับที่ช่วยให้เลนส์ได้รับความชุ่มชื้นอย่างเต็มที่ใช้สารละลายบรรจุภัณฑ์คอนแทคเลนส์ 500 ไมโครลิตรเป็นสารละลายทดสอบเพื่อตรวจสอบผลลัพธ์เชิงปริมาณ ไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ที่ไม่เปิดใช้งานที่มีจำหน่ายในท้องตลาดถูกเตรียมจากส่วนประกอบโพลีอะคริลาไมด์-โค-เมทิลีน-บิซาคริลาไมด์ (จาน Petrisoft Petri 100 มม., Matrigen, Irvine, CA, USA) ซึ่งเป็นโมดูลัสยืดหยุ่นที่รู้จักที่ 1 ปาสคาลใช้น้ำเกลือบัฟเฟอร์ฟอสเฟต 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 เลนส์จะถูกล้างด้วยน้ำก่อนแล้วตัดเป็นชิ้นรูปทรงพายเพื่อให้บรรลุถึงความแตกต่างที่แตกต่างกันระหว่างส่วนประกอบที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำของตัวอย่าง จึงใช้สารละลาย RuO4 ที่เสถียร 0.10% เป็นสีย้อม โดยแช่ตัวอย่างไว้เป็นเวลา 30 นาทีการย้อมสี lehfilcon A CL RuO4 มีความสำคัญไม่เพียงแต่เพื่อให้ได้คอนทราสต์ที่แตกต่างกันที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาโครงสร้างของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านในรูปแบบดั้งเดิม ซึ่งจากนั้นจะมองเห็นได้ในภาพ STEMจากนั้นพวกเขาจะถูกล้างและทำให้แห้งในชุดของผสมเอทานอล/น้ำโดยมีความเข้มข้นของเอทานอลเพิ่มขึ้นจากนั้นตัวอย่างถูกหล่อด้วยอีพอกซี EMBed 812/Araldite ซึ่งบ่มข้ามคืนที่ 70°Cบล็อกตัวอย่างที่ได้จากเรซินโพลีเมอไรเซชันถูกตัดด้วยอัลตราไมโครโตม และส่วนที่บางที่เป็นผลลัพธ์จะถูกมองเห็นด้วยเครื่องตรวจจับ STEM ในโหมดสุญญากาศต่ำที่แรงดันไฟฟ้าเร่งที่ 30 กิโลโวลต์ระบบ SEM เดียวกันนี้ใช้สำหรับการกำหนดคุณลักษณะโดยละเอียดของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA)ภาพ SEM ของโพรบ AFM ได้มาจากโหมดสุญญากาศสูงทั่วไปที่มีแรงดันไฟฟ้าเร่งที่ 30 kVรับภาพที่มุมและกำลังขยายต่างๆ เพื่อบันทึกรายละเอียดทั้งหมดของรูปร่างและขนาดของปลายโพรบ AFMขนาดส่วนปลายทั้งหมดที่น่าสนใจในภาพถูกวัดแบบดิจิทัล
กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมมิกแบบ Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) พร้อมโหมด "PeakForce QNM ใน Fluid" ถูกนำมาใช้เพื่อแสดงภาพและแสดงภาพและตัวอย่าง nanoindentate lehfilcon A CL, SiHy และตัวอย่างไฮโดรเจล PAAmสำหรับการทดลองเกี่ยวกับภาพ โพรบ PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) ที่มีรัศมีปลายระบุ 1 นาโนเมตรถูกนำมาใช้เพื่อจับภาพที่มีความละเอียดสูงของตัวอย่างที่อัตราการสแกน 0.50 เฮิรตซ์ภาพทั้งหมดถูกถ่ายในสารละลายที่มีน้ำ
การทดลองการเยื้องระดับนาโนของ AFM ดำเนินการโดยใช้โพรบ PFQNM-LC-A-CAL (Bruker)โพรบ AFM มีปลายซิลิคอนบนคานยื่นของไนไตรด์ที่มีความหนา 345 นาโนเมตร ยาว 54 µm และกว้าง 4.5 µm โดยมีความถี่เรโซแนนซ์ 45 kHzได้รับการออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อระบุคุณลักษณะและดำเนินการตรวจวัดนาโนกลศาสตร์เชิงปริมาณในตัวอย่างทางชีววิทยาแบบอ่อนเซ็นเซอร์ได้รับการสอบเทียบแยกกันที่โรงงานด้วยการตั้งค่าสปริงที่สอบเทียบไว้ล่วงหน้าค่าคงที่สปริงของโพรบที่ใช้ในการศึกษานี้อยู่ในช่วง 0.05–0.1 N/mเพื่อกำหนดรูปร่างและขนาดของส่วนปลายได้อย่างแม่นยำ โพรบจึงถูกกำหนดลักษณะอย่างละเอียดโดยใช้ SEMบนรูปรูปที่ 1a แสดงไมโครกราฟอิเล็กตรอนสแกนที่มีความละเอียดสูง กำลังขยายต่ำของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL ให้มุมมองแบบองค์รวมของการออกแบบโพรบบนรูป1b แสดงภาพขยายด้านบนของปลายโพรบ โดยให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างและขนาดของปลายที่ปลายสุด เข็มจะเป็นซีกโลกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 140 นาโนเมตร (รูปที่ 1c)ด้านล่างนี้ ปลายจะเรียวลงเป็นรูปทรงกรวย โดยมีความยาวที่วัดได้ประมาณ 500 นาโนเมตรภายนอกบริเวณเรียว ปลายจะเป็นทรงกระบอกและสิ้นสุดด้วยความยาวปลายรวม 1.18 µmนี่คือส่วนการทำงานหลักของปลายโพรบนอกจากนี้ โพรบโพลีสไตรีนทรงกลมขนาดใหญ่ (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนปลาย 45 µm และค่าคงที่สปริง 2 N/m ยังใช้สำหรับการทดสอบเป็นโพรบคอลลอยด์ด้วยโพรบ PFQNM-LC-A-CAL 140 นาโนเมตรสำหรับการเปรียบเทียบ
มีรายงานว่าของเหลวสามารถติดอยู่ระหว่างโพรบ AFM และโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ในระหว่างการเยื้องระดับนาโน ซึ่งจะออกแรงแรงขึ้นบนโพรบ AFM ก่อนที่มันจะสัมผัสกับพื้นผิวจริงผลการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดเนื่องจากการกักเก็บของเหลวสามารถเปลี่ยนจุดสัมผัสที่ปรากฏได้ ซึ่งส่งผลต่อการวัดโมดูลัสพื้นผิวเพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงของโพรบและความเร็วของการเยื้องต่อการกักเก็บของเหลว เส้นโค้งแรงเยื้องถูกพล็อตสำหรับตัวอย่าง lehfilcon A CL โดยใช้โพรบเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการกระจัดคงที่ที่ 1 µm/s และ 2 µm/sเส้นผ่านศูนย์กลางของโพรบ 45 µm การตั้งค่าแรงคงที่ 6 nN ทำได้ที่ 1 µm/sการทดลองกับโพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรดำเนินการที่ความเร็วการเยื้อง 1 µm/s และแรงที่ตั้งไว้ 300 pN เลือกเพื่อสร้างแรงกดสัมผัสภายในช่วงทางสรีรวิทยา (1–8 kPa) ของเปลือกตาบนความดัน 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 รูปร่างกรวยนอกจากนี้ สันนิษฐานว่าพื้นผิวของวัสดุที่ทดสอบจะแสดงการตอบสนองยืดหยุ่นแบบพลิกกลับได้ ซึ่งจะได้รับการยืนยันในส่วนต่อไปนี้ด้วยดังนั้น ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของทิป เราจึงเลือกแบบจำลองกรวย-ทรงกลมที่พัฒนาโดย Briscoe, Sebastian และ Adams ซึ่งมีอยู่ในซอฟต์แวร์ของผู้จำหน่าย เพื่อประมวลผลการทดลอง AFM nanoindentation (NanoScope) ของเราซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลการแยก, Bruker) 73. แบบจำลองนี้อธิบายความสัมพันธ์ของแรง-การเคลื่อนที่ F(δ) สำหรับกรวยที่มีข้อบกพร่องที่ปลายทรงกลมบนรูปรูปที่ 2 แสดงเรขาคณิตของการสัมผัสระหว่างการทำงานร่วมกันของกรวยแข็งกับปลายทรงกลม โดยที่ R คือรัศมีของปลายทรงกลม a คือรัศมีการสัมผัส b คือรัศมีการสัมผัสที่ปลายปลายทรงกลม δ คือ รัศมีการสัมผัสความลึกของการเยื้อง θ คือครึ่งมุมของกรวยภาพ SEM ของโพรบนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าปลายทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรผสานกันในแนวสัมผัสเป็นกรวย ดังนั้น b ในที่นี้จึงถูกกำหนดผ่าน R เท่านั้น กล่าวคือ b = R cos θซอฟต์แวร์ที่ผู้จำหน่ายจัดหาให้มีความสัมพันธ์แบบกรวย-ทรงกลมเพื่อคำนวณค่าโมดูลัส (E) ของ Young จากข้อมูลการแยกแรงโดยสมมติว่า a > bความสัมพันธ์:
โดยที่ F คือแรงเยื้อง E คือโมดูลัสของ Young และ ν คืออัตราส่วนของปัวซองรัศมีการสัมผัส a สามารถประมาณได้โดยใช้:
แผนผังของเรขาคณิตหน้าสัมผัสของกรวยแข็งที่มีปลายทรงกลมกดลงในวัสดุของคอนแทคเลนส์ Lefilcon พร้อมชั้นพื้นผิวของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน
ถ้า a ≤ b ความสัมพันธ์จะลดลงเหลือสมการสำหรับหัวกดทรงกลมแบบธรรมดา
เราเชื่อว่าการทำงานร่วมกันของหัววัดเยื้องกับโครงสร้างกิ่งก้านของแปรงโพลีเมอร์ PMPC จะทำให้รัศมีการสัมผัส a มากกว่ารัศมีการสัมผัสทรงกลม bดังนั้น สำหรับการวัดเชิงปริมาณของโมดูลัสยืดหยุ่นที่ดำเนินการในการศึกษานี้ เราใช้การพึ่งพาที่ได้รับสำหรับกรณี a > b
วัสดุเลียนแบบชีวภาพอัลตราซอฟที่ศึกษาในการศึกษานี้ได้รับการถ่ายภาพอย่างครอบคลุมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแบบสแกน (STEM) ของหน้าตัดตัวอย่างและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ของพื้นผิวการแสดงลักษณะพื้นผิวโดยละเอียดนี้ดำเนินการเป็นส่วนเสริมของงานที่เผยแพร่ก่อนหน้านี้ของเรา ซึ่งเราได้พิจารณาแล้วว่าโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบแยกแขนงแบบไดนามิกของพื้นผิว lehfilcon A CL ที่ดัดแปลงโดย PMPC แสดงคุณสมบัติเชิงกลที่คล้ายกันกับเนื้อเยื่อกระจกตาพื้นเมืองด้วยเหตุนี้ เราจึงเรียกพื้นผิวของคอนแทคเลนส์ว่าเป็นวัสดุเลียนแบบชีวภาพ14บนรูป3a, b แสดงภาพตัดขวางของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านบนพื้นผิวของสารตั้งต้น lehfilcon A CL และสารตั้งต้น SiHy ที่ไม่ผ่านการบำบัดตามลำดับพื้นผิวของตัวอย่างทั้งสองได้รับการวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้ภาพ AFM ความละเอียดสูง ซึ่งยืนยันผลการวิเคราะห์ STEM เพิ่มเติม (รูปที่ 3c, d)เมื่อนำมารวมกัน ภาพเหล่านี้ให้ความยาวโดยประมาณของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบแยกย่อยของ PMPC ที่ 300–400 นาโนเมตร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตีความการวัดการเยื้องนาโนของ AFMข้อสังเกตสำคัญอีกประการหนึ่งที่ได้จากภาพก็คือ โครงสร้างพื้นผิวโดยรวมของวัสดุเลียนแบบชีวภาพ CL นั้นมีความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาจากวัสดุพื้นผิว SiHyความแตกต่างในด้านสัณฐานวิทยาของพื้นผิวนี้สามารถเห็นได้ชัดเจนในระหว่างปฏิสัมพันธ์เชิงกลกับหัววัด AFM ที่มีรอยเยื้อง และต่อมาในค่าโมดูลัสที่วัดได้
ภาพตัดขวาง STEM ของ ( a ) lehfilcon A CL และ ( b ) สารตั้งต้น SiHyสเกลบาร์ 500 นาโนเมตรภาพ AFM ของพื้นผิวของสารตั้งต้น lehfilcon A CL ( c ) และสารตั้งต้น SiHy ฐาน ( d ) (3 µm × 3 µm)
โพลีเมอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพและโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์มีความนุ่มโดยเนื้อแท้ และได้รับการศึกษาและใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานด้านชีวการแพทย์ต่างๆ74,75,76,77ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะใช้วิธีการเยื้องระดับนาโน AFM ซึ่งสามารถวัดคุณสมบัติทางกลได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้แต่ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษเหล่านี้ เช่น โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก ปริมาณของเหลวสูง และความยืดหยุ่นสูง มักทำให้ยากต่อการเลือกวัสดุ รูปร่าง และรูปทรงของหัววัดเยื้องที่เหมาะสมขนาด.นี่เป็นสิ่งสำคัญเพื่อไม่ให้หัวกดเจาะพื้นผิวอ่อนของตัวอย่างซึ่งจะนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการกำหนดจุดสัมผัสกับพื้นผิวและพื้นที่สัมผัส
ด้วยเหตุนี้ ความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของวัสดุเลียนแบบทางชีวภาพที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ (lehfilcon A CL) จึงเป็นสิ่งสำคัญข้อมูลเกี่ยวกับขนาดและโครงสร้างของแปรงโพลีเมอร์แบบแยกกิ่งที่ได้รับโดยใช้วิธีการสร้างภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการกำหนดคุณลักษณะทางกลของพื้นผิวโดยใช้เทคนิคการเยื้องระดับนาโนของ AFMแทนที่จะใช้โพรบคอลลอยด์ทรงกลมขนาดไมครอน เราเลือกโพรบซิลิคอนไนไตรด์ (Bruker) PFQNM-LC-A-CAL ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนปลาย 140 นาโนเมตร ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการทำแผนที่เชิงปริมาณของคุณสมบัติเชิงกลของตัวอย่างทางชีววิทยา 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 เหตุผลในการใช้โพรบที่ค่อนข้างคมเมื่อเปรียบเทียบกับโพรบคอลลอยด์ทั่วไปสามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติโครงสร้างของวัสดุเมื่อเปรียบเทียบขนาดปลายโพรบ (~ 140 นาโนเมตร) กับแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านบนพื้นผิวของ CL lehfilcon A ดังแสดงในรูปที่ 3a สรุปได้ว่าปลายมีขนาดใหญ่พอที่จะสัมผัสโดยตรงกับโครงสร้างแปรงเหล่านี้ ซึ่ง ลดโอกาสที่ทิปจะทะลุผ่านได้เพื่อแสดงให้เห็นประเด็นนี้ 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-AFM69,71เราสันนิษฐานว่าเนื่องจากรูปทรงกรวย-ทรงกลมพิเศษและขนาดค่อนข้างเล็กของทิป AFM นี้ (รูปที่ 1) ธรรมชาติของเส้นโค้งแรงที่สร้างโดย lehfilcon A การเยื้องระดับนาโนของ CL จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วการเยื้องหรือความเร็วในการโหลด/ขนถ่าย .ดังนั้นจึงไม่ได้รับผลกระทบจากผลกระทบจากรูพรุนเพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ ตัวอย่าง lehfilcon A CL ถูกเยื้องด้วยแรงสูงสุดคงที่โดยใช้หัววัด PFQNM-LC-A-CAL แต่ที่ความเร็วที่แตกต่างกันสองระดับ และใช้เส้นโค้งแรงดึงและแรงหดที่เกิดขึ้นเพื่อพล็อตแรง (nN) ในการแยก (µm) แสดงในรูปที่ 5aเป็นที่ชัดเจนว่าเส้นโค้งแรงระหว่างการบรรทุกและการขนถ่ายทับซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ และไม่มีหลักฐานที่ชัดเจนว่าแรงเฉือนที่ความลึกของการเยื้องเป็นศูนย์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วการเยื้องในรูป บ่งชี้ว่าองค์ประกอบแปรงแต่ละชิ้นมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีผลกระทบแบบพรุนในทางตรงกันข้าม ผลการกักเก็บของเหลว (ผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดและความยืดหยุ่นของรูพรุน) จะเห็นได้ชัดสำหรับโพรบ AFM เส้นผ่านศูนย์กลาง 45 µm ที่ความเร็วการเยื้องเท่ากัน และถูกเน้นโดยฮิสเทรีซิสระหว่างเส้นโค้งยืดและหดกลับ ดังแสดงในรูปที่ 5bผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนสมมติฐานและแนะนำว่าโพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มดังกล่าว
lehfilcon A เส้นโค้งแรงเยื้อง CL โดยใช้ ACM;(a) การใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการโหลดสองระดับ แสดงให้เห็นว่าไม่มีผลกระทบแบบรูพรุนในระหว่างการเยื้องพื้นผิว(b) ใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 45 µm และ 140 nmแสดงผลของการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดและความยืดหยุ่นของรูพรุนสำหรับโพรบขนาดใหญ่เมื่อเปรียบเทียบกับโพรบขนาดเล็ก
เพื่อกำหนดลักษณะของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ วิธีการเยื้องนาโนของ AFM จะต้องมีหัววัดที่ดีที่สุดในการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุที่กำลังศึกษาอยู่นอกจากรูปร่างและขนาดของทิปแล้ว ความไวของระบบเครื่องตรวจจับ AFM ความไวต่อการโก่งตัวของทิปในสภาพแวดล้อมการทดสอบ และความแข็งของคานยื่นมีบทบาทสำคัญในการพิจารณาความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการเยื้องระดับนาโนการวัดสำหรับระบบ AFM ของเรา ขีดจำกัดการตรวจจับแบบไวต่อตำแหน่ง (PSD) จะอยู่ที่ประมาณ 0.5 mV และขึ้นอยู่กับอัตราสปริงที่สอบเทียบล่วงหน้าและความไวต่อการโก่งตัวของของไหลที่คำนวณของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL ซึ่งสอดคล้องกับ ความไวโหลดทางทฤษฎีน้อยกว่า 0.1 pNดังนั้น วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดแรงเยื้องขั้นต่ำ ≤ 0.1 pN โดยไม่มีส่วนประกอบของสัญญาณรบกวนต่อพ่วงอย่างไรก็ตาม แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ระบบ AFM จะลดเสียงรบกวนรอบข้างให้เหลือระดับนี้ เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การสั่นสะเทือนทางกลและพลศาสตร์ของไหลปัจจัยเหล่านี้จำกัดความไวโดยรวมของวิธีการเยื้องระดับนาโนของ AFM และยังส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนพื้นหลังประมาณ ≤ 10 pNสำหรับการแสดงลักษณะเฉพาะของพื้นผิว ตัวอย่างซับสเตรต lehfilcon A CL และ SiHy ถูกเยื้องภายใต้สภาวะที่มีไฮเดรตเต็มที่โดยใช้โพรบ 140 นาโนเมตรสำหรับการแสดงลักษณะเฉพาะของ SEM และเส้นโค้งแรงที่ได้ผลลัพธ์ถูกซ้อนทับระหว่างแรง (pN) และความดันแผนภาพการแยก (µm) แสดงไว้ในรูปที่ 6aเมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตฐาน SiHy เส้นโค้งแรง CL ของ lehfilcon A CL แสดงระยะการเปลี่ยนผ่านอย่างชัดเจนโดยเริ่มต้นที่จุดที่สัมผัสกับแปรงโพลีเมอร์แบบแยกและสิ้นสุดด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการทำเครื่องหมายความชันของส่วนปลายกับวัสดุที่อยู่ด้านล่างส่วนเปลี่ยนผ่านของเส้นโค้งแรงนี้เน้นพฤติกรรมยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านบนพื้นผิว ดังที่เห็นได้จากเส้นโค้งแรงอัดอย่างใกล้ชิดตามเส้นโค้งแรงดึง และความแตกต่างในคุณสมบัติทางกลระหว่างโครงสร้างแปรงและวัสดุ SiHy ที่เทอะทะเมื่อเปรียบเทียบเลฟิลคอนการแยกความยาวเฉลี่ยของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านในภาพ STEM ของ PCS (รูปที่ 3a) และเส้นโค้งแรงของมันตามแนว abscissa ในรูปที่ 3a6a แสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถตรวจจับส่วนปลายและโพลีเมอร์ที่แตกแขนงไปถึงด้านบนสุดของพื้นผิวได้สัมผัสกันระหว่างโครงสร้างแปรงนอกจากนี้ การทับซ้อนกันอย่างใกล้ชิดของเส้นโค้งแรงบ่งชี้ว่าไม่มีผลการกักเก็บของเหลวในกรณีนี้ ไม่มีการยึดเกาะระหว่างเข็มกับพื้นผิวของตัวอย่างอย่างแน่นอนส่วนบนสุดของกราฟแรงสำหรับตัวอย่างทั้งสองซ้อนทับกัน ซึ่งสะท้อนถึงความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติทางกลของวัสดุซับสเตรต
( a ) เส้นโค้งแรงเยื้องนาโน AFM สำหรับวัสดุพิมพ์ lehfilcon A CL และวัสดุพิมพ์ SiHy ( b ) เส้นโค้งแรงแสดงการประมาณค่าจุดสัมผัสโดยใช้วิธีเกณฑ์เสียงรบกวนพื้นหลัง
เพื่อศึกษารายละเอียดปลีกย่อยของเส้นโค้งแรง กราฟแรงดึงของตัวอย่าง lehfilcon A CL จะถูกพล็อตใหม่ในรูปที่ 6b ด้วยแรงสูงสุด 50 pN ตามแนวแกน yกราฟนี้ให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับเสียงรบกวนพื้นหลังดั้งเดิมเสียงรบกวนอยู่ในช่วง ±10 pN ซึ่งใช้ในการระบุจุดสัมผัสอย่างแม่นยำ และคำนวณความลึกของการเยื้องตามที่รายงานไว้ในรายงาน การระบุจุดสัมผัสเป็นสิ่งสำคัญในการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ เช่น โมดูลัส85 ได้อย่างแม่นยำวิธีการที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลข้อมูลเส้นโค้งแรงโดยอัตโนมัติได้แสดงให้เห็นถึงความพอดีที่ดีขึ้นระหว่างการปรับข้อมูลให้เหมาะสมและการวัดเชิงปริมาณสำหรับวัสดุอ่อนในงานนี้ การเลือกจุดติดต่อของเราค่อนข้างง่ายและมีวัตถุประสงค์ แต่ก็มีข้อจำกัดวิธีการอนุรักษ์นิยมของเราในการกำหนดจุดสัมผัสอาจส่งผลให้ค่าโมดูลัสประเมินสูงเกินไปเล็กน้อยสำหรับความลึกของการเยื้องที่เล็กลง (< 100 นาโนเมตร)การใช้การตรวจจับจุดสัมผัสตามอัลกอริทึมและการประมวลผลข้อมูลอัตโนมัติอาจเป็นความต่อเนื่องของงานนี้ในอนาคตเพื่อปรับปรุงวิธีการของเราให้ดียิ่งขึ้นดังนั้น สำหรับสัญญาณรบกวนพื้นหลังที่แท้จริงในลำดับ ±10 pN เราจึงกำหนดจุดสัมผัสเป็นจุดข้อมูลจุดแรกบนแกน x ในรูปที่ 6b ที่มีค่า ≥10 pNจากนั้น ตามขีดจำกัดสัญญาณรบกวนที่ 10 pN เส้นแนวตั้งที่ระดับ ~0.27 µm จะทำเครื่องหมายจุดที่สัมผัสกับพื้นผิว หลังจากนั้นเส้นโค้งการยืดจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งวัสดุพิมพ์มีความลึกของการเยื้องที่ ~270 นาโนเมตรที่น่าสนใจขึ้นอยู่กับขนาดของคุณสมบัติแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน (300–400 นาโนเมตร) ที่วัดโดยใช้วิธีการถ่ายภาพ ความลึกของการเยื้องของ CL lehfilcon ตัวอย่างที่สังเกตโดยใช้วิธีเกณฑ์เสียงรบกวนพื้นหลังจะอยู่ที่ประมาณ 270 นาโนเมตร ซึ่งอยู่ใกล้กับมาก ขนาดการวัดด้วย STEMผลลัพธ์เหล่านี้ยังยืนยันความเข้ากันได้และการบังคับใช้ของรูปร่างและขนาดของปลายโพรบ AFM สำหรับการเยื้องโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านที่นุ่มและยืดหยุ่นสูงนี้ข้อมูลนี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนในการสนับสนุนวิธีการของเราในการใช้เสียงรบกวนพื้นหลังเป็นเกณฑ์ในการระบุจุดติดต่อดังนั้นผลลัพธ์เชิงปริมาณใดๆ ที่ได้รับจากการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการปรับเส้นโค้งแรงควรจะค่อนข้างแม่นยำ
การวัดเชิงปริมาณโดยวิธีการเยื้องนาโนของ AFM ขึ้นอยู่กับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการเลือกข้อมูลและการวิเคราะห์ในภายหลังดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาปัจจัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเลือกหัวกด คุณสมบัติของวัสดุ และกลไกของการโต้ตอบก่อนที่จะเลือกรุ่นใดรุ่นหนึ่งในกรณีนี้ เรขาคณิตของส่วนปลายได้รับการกำหนดลักษณะอย่างระมัดระวังโดยใช้ไมโครกราฟ SEM (รูปที่ 1) และจากผลลัพธ์นั้น หัววัดรอยเยื้องนาโน AFM เส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่มีกรวยแข็งและรูปทรงปลายทรงกลมเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการกำหนดลักษณะตัวอย่าง lehfilcon A CL79 .ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องได้รับการประเมินอย่างรอบคอบคือความยืดหยุ่นของวัสดุโพลีเมอร์ที่กำลังทดสอบแม้ว่าข้อมูลเริ่มต้นของการเยื้องระดับนาโน (รูปที่ 5a และ 6a) จะสรุปคุณลักษณะของการทับซ้อนกันของเส้นโค้งแรงดึงและแรงอัดอย่างชัดเจน กล่าวคือ การคืนตัวของวัสดุแบบยืดหยุ่นโดยสมบูรณ์ เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการยืนยันลักษณะความยืดหยุ่นของหน้าสัมผัสล้วนๆ .ด้วยเหตุนี้ จึงมีการดำเนินการเยื้องสองครั้งติดต่อกันที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL ที่อัตราการเยื้องที่ 1 µm/s ภายใต้สภาวะการให้ความชุ่มชื้นเต็มที่ข้อมูลเส้นโค้งแรงที่ได้จะแสดงในรูป7 และตามที่คาดไว้ เส้นโค้งการขยายตัวและการบีบอัดของงานพิมพ์ทั้งสองเกือบจะเหมือนกัน โดยเน้นถึงความยืดหยุ่นสูงของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน
เส้นโค้งแรงเยื้องสองเส้นที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของ lehfilcon A CL บ่งบอกถึงความยืดหยุ่นในอุดมคติของพื้นผิวเลนส์
จากข้อมูลที่ได้รับจากภาพ SEM และ STEM ของปลายโพรบและพื้นผิว lehfilcon A CL ตามลำดับ แบบจำลองกรวย-ทรงกลมเป็นตัวแทนทางคณิตศาสตร์ที่สมเหตุสมผลของอันตรกิริยาระหว่างปลายโพรบ AFM และวัสดุโพลีเมอร์ชนิดอ่อนที่กำลังทดสอบนอกจากนี้ สำหรับแบบจำลองทรงกรวยทรงกลมนี้ ข้อสันนิษฐานพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติความยืดหยุ่นของวัสดุที่พิมพ์ไว้ถือเป็นจริงสำหรับวัสดุเลียนแบบทางชีวภาพชนิดใหม่นี้ และใช้ในการหาปริมาณโมดูลัสยืดหยุ่น
หลังจากการประเมินที่ครอบคลุมของวิธีการเยื้องระดับนาโนของ AFM และส่วนประกอบ รวมถึงคุณสมบัติของหัววัดการเยื้อง (รูปร่าง ขนาด และความแข็งของสปริง) ความไว (เสียงพื้นหลังและการประมาณค่าจุดสัมผัส) และแบบจำลองการปรับข้อมูลให้เหมาะสม (การวัดโมดูลัสเชิงปริมาณ) วิธีการคือ ใช้แล้ว.ระบุลักษณะตัวอย่างที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพื่อตรวจสอบผลลัพธ์เชิงปริมาณไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) เชิงพาณิชย์ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่น 1 kPa ถูกทดสอบภายใต้สภาวะไฮเดรตโดยใช้โพรบ 140 นาโนเมตรรายละเอียดของการทดสอบและการคำนวณโมดูลมีอยู่ในข้อมูลเสริมผลการวิจัยพบว่าโมดูลัสเฉลี่ยที่วัดได้คือ 0.92 kPa และค่าเบี่ยงเบน %RSD และเปอร์เซ็นต์ (%) จากโมดูลัสที่ทราบมีค่าน้อยกว่า 10%ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความถูกต้องและความสามารถในการทำซ้ำของวิธีการเยื้องนาโน AFM ที่ใช้ในงานนี้เพื่อวัดโมดูลัสของวัสดุอัลตร้าซอฟท์พื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL และสารตั้งต้นฐาน SiHy ได้รับการกำหนดลักษณะเพิ่มเติมโดยใช้วิธีการเยื้องนาโน AFM แบบเดียวกันเพื่อศึกษาโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจนของพื้นผิวอัลตร้าซอฟท์ในฐานะฟังก์ชันของความลึกของการเยื้องเส้นโค้งการแยกแรงกดเยื้องถูกสร้างขึ้นสำหรับชิ้นงานแต่ละประเภทสามชิ้น (n = 3; หนึ่งการเยื้องต่อชิ้นงาน) ที่แรง 300 pN ความเร็ว 1 µm/s และการให้น้ำเต็มที่เส้นโค้งการแบ่งปันแรงเยื้องถูกประมาณโดยใช้แบบจำลองทรงกรวย-ทรงกลมเพื่อให้ได้โมดูลัสขึ้นอยู่กับความลึกของการเยื้อง ส่วนกว้าง 40 นาโนเมตรของเส้นโค้งแรงจะถูกตั้งค่าโดยเพิ่มขึ้นครั้งละ 20 นาโนเมตร โดยเริ่มจากจุดที่สัมผัสกัน และค่าที่วัดได้ของโมดูลัสในแต่ละขั้นตอนของเส้นโค้งแรงสปิน Cy และคณะวิธีการที่คล้ายกันได้ถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของการไล่ระดับโมดูลัสของแปรงโพลีเมอร์โพลี (ลอริลเมทาคริเลต) (P12MA) โดยใช้การเยื้องระดับนาโนของโพรบ AFM แบบคอลลอยด์ และพวกมันสอดคล้องกับข้อมูลโดยใช้แบบจำลองหน้าสัมผัสของเฮิรตซ์วิธีการนี้ให้พล็อตของโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน (kPa) เทียบกับความลึกของการเยื้อง (nm) ดังแสดงในรูปที่ 8 ซึ่งแสดงให้เห็นโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน/การไล่ระดับความลึกโมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณได้ของตัวอย่าง CL lehfilcon A อยู่ในช่วง 2–3 kPa ภายใน 100 นาโนเมตรด้านบนของตัวอย่าง ซึ่งเกินกว่านั้นจะเริ่มเพิ่มขึ้นตามความลึกในทางกลับกัน 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 STEMแม้ว่าจะมีหลักฐานบางอย่างเกี่ยวกับการไล่ระดับโมดูลัสที่ขอบด้านนอกของ CL แต่ซับสเตรตโมดูลัสหลักสูงจะมีอิทธิพลมากกว่าอย่างไรก็ตาม ส่วนบน 100 นาโนเมตรของพื้นผิวอยู่ภายใน 20% ของความยาวรวมของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่ง ดังนั้นจึงสมเหตุสมผลที่จะถือว่าค่าที่วัดได้ของโมดูลัสในช่วงความลึกของการเยื้องนี้ค่อนข้างแม่นยำและไม่รุนแรง ขึ้นอยู่กับผลของวัตถุด้านล่าง
เนื่องจากการออกแบบการเลียนแบบทางชีวภาพอันเป็นเอกลักษณ์ของคอนแทคเลนส์ lehfilcon A ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านที่กราฟต์ลงบนพื้นผิวของซับสเตรต SiHy จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะระบุคุณลักษณะทางกลของโครงสร้างพื้นผิวได้อย่างน่าเชื่อถือโดยใช้วิธีการวัดแบบดั้งเดิมที่นี่เรานำเสนอวิธีการเยื้องนาโน AFM ขั้นสูงเพื่อระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น ลีฟิลคอน A ที่มีปริมาณน้ำสูงและความยืดหยุ่นสูงมากอย่างแม่นยำวิธีการนี้อิงจากการใช้หัววัด AFM ซึ่งมีขนาดส่วนปลายและรูปทรงที่ได้รับเลือกอย่างระมัดระวังเพื่อให้ตรงกับขนาดโครงสร้างของคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่จะพิมพ์การผสมผสานระหว่างขนาดระหว่างหัววัดและโครงสร้างนี้ทำให้เกิดความไวเพิ่มขึ้น ช่วยให้เราสามารถวัดโมดูลัสต่ำและคุณสมบัติความยืดหยุ่นโดยธรรมชาติขององค์ประกอบแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน โดยไม่คำนึงถึงผลกระทบจากความยืดหยุ่นของรูพรุนผลการวิจัยพบว่าลักษณะเฉพาะของแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านอันเป็นเอกลักษณ์ของพื้นผิวเลนส์มีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก (สูงถึง 2 kPa) และความยืดหยุ่นสูงมาก (เกือบ 100%) เมื่อทดสอบในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำผลลัพธ์ของการเยื้องระดับนาโนของ AFM ยังช่วยให้เราสามารถระบุลักษณะโมดูลัสการสัมผัส/การไล่ระดับความลึกที่ชัดเจน (30 kPa/200 นาโนเมตร) ของพื้นผิวเลนส์เลียนแบบทางชีวภาพการไล่ระดับสีนี้อาจเนื่องมาจากความแตกต่างของโมดูลัสระหว่างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านและซับสเตรต SiHy หรือโครงสร้างกิ่งก้าน/ความหนาแน่นของแปรงโพลีเมอร์ หรือการรวมกันของสิ่งเหล่านั้นอย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงลึกเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบของการแตกแขนงของแปรงต่อคุณสมบัติเชิงกลการวัดที่คล้ายกันสามารถช่วยระบุคุณสมบัติทางกลของพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ ได้
ชุดข้อมูลที่สร้างขึ้นและ/หรือวิเคราะห์ในระหว่างการศึกษาปัจจุบันสามารถหาได้จากผู้เขียนตามลำดับเมื่อมีการร้องขอที่สมเหตุสมผล
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. และ Haugen, HJ ปฏิกิริยาทางชีวภาพต่อคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของพื้นผิวของวัสดุชีวภาพเคมี.สังคม.เอ็ด49, 5178–5224 (2020)
Chen, FM และ Liu, X. การปรับปรุงวัสดุชีวภาพที่ได้มาจากมนุษย์สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อการเขียนโปรแกรมพอลิเมอร์วิทยาศาสตร์.53, 86 (2559)
แซดท์เลอร์ เค และคณะการออกแบบ การใช้งานทางคลินิก และการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของวัสดุชีวภาพในเวชศาสตร์ฟื้นฟูNational Matt Rev. 1, 16040 (2016)
Oliver WK และ Farr GM วิธีการที่ได้รับการปรับปรุงในการกำหนดความแข็งและโมดูลัสยืดหยุ่นโดยใช้การทดลองการเยื้องพร้อมการวัดโหลดและการเคลื่อนที่เจ. อัลมาเมเตอร์.ถังเก็บ7 ก.ค. 1564–1583 (2011)
Wally, SM ต้นกำเนิดทางประวัติศาสตร์ของการทดสอบความแข็งของการเยื้องโรงเรียนเก่าวิทยาศาสตร์.เทคโนโลยี28, 1028–1044 (2012)
Broitman, E. การวัดความแข็งของการเยื้องที่ระดับมาโคร, ไมโคร- และนาโน: การทบทวนที่สำคัญชนเผ่าไรท์.65, 1–18 (2017)
Kaufman, JD และ Clapperich, SM ข้อผิดพลาดในการตรวจจับพื้นผิวทำให้เกิดค่าโมดูลัสสูงเกินไปในการเยื้องระดับนาโนของวัสดุอ่อนเจ.เมชา.พฤติกรรม.วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์.โรงเรียนเก่า2, 312–317 (2552)
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR และ Yahya M.Yu.การประเมินวิธีการเยื้องระดับนาโนเพื่อกำหนดลักษณะทางกลของนาโนคอมโพสิตที่ต่างกันโดยใช้วิธีการทดลองและการคำนวณวิทยาศาสตร์.บ้าน 9, 15763 (2019)
Liu, K., VanLendingham, MR และ Owart, TS การวิเคราะห์ลักษณะทางกลของเจลที่มีความหนืดแบบอ่อนโดยการเยื้องและการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ผกผันตามการปรับให้เหมาะสมเจ.เมชา.พฤติกรรม.วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์.โรงเรียนเก่า2, 355–363 (2009)
Andrews JW, Bowen J และ Chaneler D. การปรับการหาค่าความยืดหยุ่นของความหนืดให้เหมาะสมโดยใช้ระบบการวัดที่เข้ากันได้เนื้ออ่อน 9, 5581–5593 (2013)
Briscoe, BJ, Fiori, L. และ Pellillo, E. การเยื้องนาโนของพื้นผิวโพลีเมอร์เจ. ฟิสิกส์.ง. สมัครเรียนวิชาฟิสิกส์31, 2395 (1998)
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. และ Van Vliet KJ การแสดงลักษณะเฉพาะของคุณสมบัติเชิงกลแบบยืดหยุ่นหนืดของโพลีเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและเนื้อเยื่อชีวภาพโดยใช้การเยื้องแบบกระแทกวารสารวัสดุชีวภาพ.71, 388–397 (2018)
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM การประเมินโมดูลัสยืดหยุ่นและงานยึดเกาะของวัสดุอ่อนโดยใช้วิธีขยาย Borodich-Galanov (BG) และการเยื้องลึกขน.โรงเรียนเก่า129, 198–213 (2019)
ชิ เอ็กซ์ และคณะสัณฐานวิทยาระดับนาโนและสมบัติเชิงกลของพื้นผิวโพลีเมอร์เลียนแบบชีวภาพของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจลแลงเมียร์ 37, 13961–13967 (2021)