Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува рингишпил од три слајдови одеднаш.Користете ги копчињата Previous и Next за да се движите низ три слајдови истовремено или користете ги копчињата за лизгање на крајот за да се движите низ три слајдови истовремено.
Со развојот на нови ултра-меки материјали за медицински помагала и биомедицински апликации, сеопфатното карактеризирање на нивните физички и механички својства е и важно и предизвикувачко.Техниката за нановдлабнување со модифицирана микроскопија на атомска сила (AFM) беше применета за да се карактеризира екстремно нискиот површински модул на новата лефилкон А биомиметична силиконска хидрогел контактна леќа обложена со слој од разгранети полимерни структури на четки.Овој метод овозможува прецизно определување на контактните точки без ефекти на вискозно истиснување при приближување до разгранети полимери.Покрај тоа, овозможува да се одредат механичките карактеристики на поединечните елементи на четката без ефект на пороеластичност.Ова се постигнува со избирање на AFM сонда со дизајн (големина на врвот, геометрија и брзина на пружини) кој е особено погоден за мерење на својствата на меките материјали и биолошките примероци.Овој метод ја подобрува чувствителноста и точноста за прецизно мерење на многу мекиот материјал lehfilcon A, кој има екстремно низок модул на еластичност на површината (до 2 kPa) и екстремно висока еластичност во внатрешната (речиси 100%) водена средина .Резултатите од површинската студија не само што ги открија ултра-меките површински својства на леќата lehfilcon A, туку покажаа и дека модулот на разгранетите полимерни четки е споредлив со оној на супстратот силикон-водород.Оваа техника за карактеризирање на површината може да се примени на други ултра-меки материјали и медицински помагала.
Механичките својства на материјалите дизајнирани за директен контакт со живо ткиво често се одредуваат од биолошката средина.Совршеното совпаѓање на овие својства на материјалот помага да се постигнат саканите клинички карактеристики на материјалот без да се предизвикаат негативни клеточни реакции1,2,3.За рефус хомогени материјали, карактеризирањето на механичките својства е релативно лесно поради достапноста на стандардните процедури и методите за тестирање (на пр., микровдлабнување4,5,6).Меѓутоа, за ултра-меки материјали како што се гелови, хидрогели, биополимери, живи клетки итн., овие методи на тестирање генерално не се применливи поради ограничувањата на резолуцијата на мерењето и нехомогеноста на некои материјали7.Со текот на годините, традиционалните методи на вовлекување беа модифицирани и приспособени за да карактеризираат широк опсег на меки материјали, но многу методи сè уште страдаат од сериозни недостатоци кои ја ограничуваат нивната употреба8,9,10,11,12,13.Недостатокот на специјализирани методи за тестирање кои можат точно и сигурно да ги карактеризираат механичките својства на супермеките материјали и површинските слоеви сериозно ја ограничува нивната употреба во различни апликации.
Во нашата претходна работа, ја претставивме контактната леќа lehfilcon A (CL), мек хетероген материјал со сите ултра-меки површински својства добиени од потенцијално биомиметички дизајни инспирирани од површината на рожницата на окото.Овој биоматеријал е развиен со калемење на разгранет, вкрстено поврзан полимерен слој од поли(2-метакрилоилоксиетилфосфорилхолин (MPC)) (PMPC) на силиконски хидрогел (SiHy) 15 дизајниран за медицински помагала базирани на.Овој процес на калемење создава слој на површината што се состои од многу мека и високо еластична разгранета полимерна структура на четка.Нашата претходна работа потврди дека биомиметичката структура на lehfilcon A CL обезбедува супериорни површински својства како што се подобрена заштита од мокрење и валкање, зголемена подмачкување и намалена адхезија на клетките и бактериите15,16.Покрај тоа, употребата и развојот на овој биомиметички материјал, исто така, сугерира понатамошно проширување на други биомедицински помагала.Затоа, од клучно значење е да се карактеризираат површинските својства на овој ултра-мек материјал и да се разбере неговата механичка интеракција со окото со цел да се создаде сеопфатна база на знаење за поддршка на идните случувања и апликации.Повеќето комерцијално достапни контактни леќи SiHy се составени од хомогена мешавина на хидрофилни и хидрофобни полимери кои формираат униформа структура на материјалот17.Спроведени се неколку студии за да се истражат нивните механички својства со користење на традиционални методи за тестирање на компресија, истегнување и микронавлекување18,19,20,21.Сепак, новиот биомиметички дизајн на lehfilcon A CL го прави уникатен хетероген материјал во кој механичките својства на структурите на разгранетите полимерни четки значително се разликуваат од оние на основната подлога на SiHy.Затоа, многу е тешко точно да се квантифицираат овие својства користејќи конвенционални методи и методи на вовлекување.Ветувачки метод го користи методот на тестирање со наноиндентација имплементиран во микроскопија со атомска сила (AFM), метод кој се користи за одредување на механичките својства на меките вискоеластични материјали како што се биолошките клетки и ткивата, како и меките полимери22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Во нановдлабнувањето AFM, основите на тестирањето со нановдлабнување се комбинираат со најновите достигнувања во технологијата AFM за да се обезбеди зголемена чувствителност на мерење и тестирање на широк опсег на инхерентно супермеки материјали31,32,33,34,35,36.Покрај тоа, технологијата нуди и други важни предности преку употреба на различни геометрии.вовлекувач и сонда и можност за тестирање во различни течни медиуми.
AFM nanoindentation може условно да се подели на три главни компоненти: (1) опрема (сензори, детектори, сонди итн.);(2) мерни параметри (како сила, поместување, брзина, големина на рампата итн.);(3) Обработка на податоци (корекција на основната линија, проценка на допирна точка, фитинг на податоци, моделирање итн.).Значаен проблем со овој метод е тоа што неколку студии во литературата кои користат наноиндентација на AFM известуваат за многу различни квантитативни резултати за ист тип на примерок/клетка/материјал37,38,39,40,41.На пример, Лека и сор.Влијанието на геометријата на сондата AFM врз измерениот Јанг-модул на примероци од механички хомоген хидрогел и хетерогени клетки беше проучен и спореден.Тие известуваат дека вредностите на модулите се многу зависни од изборот на конзола и обликот на врвот, со најголема вредност за сонда во облик на пирамида и најниска вредност од 42 за сферична сонда.Слично на тоа, Селхубер-Ункел и сор.Се покажа како брзината на вовлекувачот, големината на вовлекувачот и дебелината на примероците од полиакриламид (PAAM) влијаат на модулот на Јанг измерен со нановдлабнување ACM43.Друг комплицирачки фактор е недостатокот на стандардни материјали за тестирање со исклучително низок модул и бесплатни процедури за тестирање.Ова го прави многу тешко да се добијат точни резултати со доверба.Како и да е, методот е многу корисен за релативни мерења и компаративни евалуации помеѓу слични типови примероци, на пример со користење на наноиндентација AFM за да се разликуваат нормалните клетки од клетките на ракот 44, 45 .
При тестирање на меки материјали со AFM нановдлабнување, општо правило е да се користи сонда со ниска константа на пружината (k) која тесно се совпаѓа со модулот на примерокот и хемисферичен/окружен врв, така што првата сонда не ги пробива површините на примерокот на прв контакт со меки материјали.Исто така, важно е сигналот за отклонување генериран од сондата да биде доволно силен за да биде откриен од системот на ласерски детектор24,34,46,47.Во случај на ултра-меки хетерогени клетки, ткива и гелови, друг предизвик е да се надмине силата на лепење помеѓу сондата и површината на примерокот за да се обезбедат репродуктивни и сигурни мерења48,49,50.До неодамна, поголемиот дел од работата на AFM наноиндентацијата се фокусираше на проучување на механичкото однесување на биолошките клетки, ткива, гелови, хидрогели и биомолекули со користење на релативно големи сферични сонди, вообичаено наречени колоидни сонди (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Овие врвови имаат радиус од 1 до 50 µm и најчесто се направени од боросиликатно стакло, полиметил метакрилат (PMMA), полистирен (PS), силициум диоксид (SiO2) и дијамант- како јаглерод (DLC).Иако CP-AFM нановдлабнувањето често е првиот избор за карактеризација на меки примероци, таа има свои проблеми и ограничувања.Употребата на големи сферични врвови со големина на микрон ја зголемува вкупната контактна површина на врвот со примерокот и резултира со значително губење на просторната резолуција.За меки, нехомогени примероци, каде што механичките својства на локалните елементи може значително да се разликуваат од просекот на поширока област, вдлабнувањето на CP може да ја скрие секоја нехомогеност во својствата на локално ниво52.Колоидните сонди вообичаено се прават со прикачување на колоидни сфери со големина на микрон на конзоли без врвови со помош на епоксидни лепила.Самиот производствен процес е полн со многу проблеми и може да доведе до недоследности во процесот на калибрација на сондата.Покрај тоа, големината и масата на колоидните честички директно влијаат на главните параметри за калибрација на конзолата, како што се резонантната фреквенција, вкочанетоста на пружините и чувствителноста на отклонување56,57,58.Така, најчесто користените методи за конвенционалните AFM сонди, како што е калибрацијата на температурата, може да не обезбедат точна калибрација за CP и може да бидат потребни други методи за извршување на овие корекции57, 59, 60, 61. Типичните експерименти со вовлекување на CP користат големи отстапувања конзола за проучување на својствата на меките примероци, што создава уште еден проблем при калибрирање на нелинеарното однесување на конзолата при релативно големи отстапувања62,63,64.Современите методи на вовлекување на колоидна сонда обично ја земаат предвид геометријата на конзолата што се користи за калибрирање на сондата, но го игнорираат влијанието на колоидните честички, што создава дополнителна несигурност во точноста на методот38,61.Слично на тоа, еластичните модули пресметани со монтирање на контактниот модел се директно зависни од геометријата на сондата за вовлекување, а несовпаѓањето помеѓу карактеристиките на површината на врвот и примерокот може да доведе до неточности27, 65, 66, 67, 68. Некои неодамнешни трудови на Спенсер и сор.Нагласени се факторите што треба да се земат предвид при карактеризирање на меки полимерни четки со помош на методот на нановдлабнување CP-AFM.Тие објавија дека задржувањето на вискозна течност во полимерните четки како функција на брзината резултира со зголемување на оптоварувањето на главата и оттука различни мерења на својствата зависни од брзината30,69,70,71.
Во оваа студија, го карактеризиравме површинскиот модул на ултра-мекиот високо еластичен материјал lehfilcon A CL користејќи модифициран метод на наноиндентација AFM.Со оглед на својствата и новата структура на овој материјал, опсегот на чувствителност на традиционалниот метод на вовлекување е очигледно недоволен за да се карактеризира модулот на овој исклучително мек материјал, па затоа е неопходно да се користи метод на нановдлабнување AFM со поголема чувствителност и помала чувствителност.ниво.По прегледот на недостатоците и проблемите на постојните техники за нановдлабнување на колоидна AFM сонда, покажуваме зошто избравме помала, дизајнирана по мерка AFM сонда за да се елиминира чувствителноста, бучавата во позадина, точката на допир, да се измери модулот на брзината на меките хетерогени материјали како што е задржувањето течности зависност.и точна квантификација.Дополнително, можевме прецизно да ги измериме обликот и димензиите на вдлабнатиот врв, што ни овозможува да го користиме моделот за вклопување на конус-сфера за да го одредиме модулот на еластичност без да ја процениме површината за контакт на врвот со материјалот.Двете имплицитни претпоставки кои се квантифицирани во оваа работа се целосно еластичните својства на материјалот и модулот независен од длабочината на вдлабнувањето.Користејќи го овој метод, прво тестиравме ултра-меки стандарди со познат модул за квантифицирање на методот, а потоа го користевме овој метод за карактеризирање на површините на два различни материјали за контактни леќи.Овој метод за карактеризирање на нановдлабнатини на AFM површини со зголемена чувствителност се очекува да биде применлив за широк опсег на биомиметички хетерогени ултрамеки материјали со потенцијална употреба во медицински уреди и биомедицински апликации.
Контактните леќи Lehfilcon A (Алкон, Форт Ворт, Тексас, САД) и нивните силиконски хидрогелни супстрати беа избрани за експерименти со нановдлабнување.Во експериментот се користеше специјално дизајниран држач за леќи.За да ја инсталирате леќата за тестирање, таа беше внимателно поставена на држачот во форма на купола, осигурувајќи се дека нема воздушни меури да навлезат внатре, а потоа се фиксира со рабовите.Дупката во прицврстувачот на горниот дел од држачот за објектив обезбедува пристап до оптичкиот центар на леќата за експерименти со нановдлабнување додека ја држи течноста на место.Ова ги одржува леќите целосно хидрирани.Како тест раствор се користеа 500 μl раствор за пакување на контактни леќи.За да се потврдат квантитативните резултати, комерцијално достапните не-активиран полиакриламид (PAAM) хидрогели беа подготвени од составот на полиакриламид-ко-метилен-бисакриламид (100 mm Петрисофт Петри садови, Матриген, Ирвин, Калифорнија, САД), познат еластичен модул од 1 kPa.Користете 4-5 капки (приближно 125 µl) солен раствор со фосфат пуфер (PBS од Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, САД) и 1 капка OPTI-FREE раствор за контактни леќи Puremoist (Alcon, Vaud, TX, САД).) на интерфејсот AFM хидрогел-сонда.
Примероците од супстратите Lehfilcon A CL и SiHy беа визуелизирани со помош на систем за електронски микроскоп за скенирање на поле за емисии FEI Quanta 250 (FEG SEM) опремен со детектор за електронски микроскоп за пренос (STEM).За да се подготват примероците, леќите прво беа измиени со вода и исечени на клинови во форма на пита.За да се постигне диференцијален контраст помеѓу хидрофилните и хидрофобните компоненти на примероците, се користеше 0,10% стабилизиран раствор на RuO4 како боја, во кој примероците беа потопени 30 мин.Боењето lehfilcon A CL RuO4 е важно не само за да се постигне подобрен диференцијален контраст, туку помага и да се зачува структурата на разгранетите полимерни четки во нивната оригинална форма, кои потоа се видливи на СТЕМ сликите.Тие потоа беа измиени и дехидрирани во серија мешавини етанол/вода со зголемена концентрација на етанол.Примероците потоа беа лиени со EMBed 812/Araldite епоксид, кој се стврдна преку ноќ на 70°C.Примерочните блокови добиени со полимеризација на смола беа исечени со ултрамикротом, а добиените тенки делови беа визуелизирани со детектор STEM во режим на низок вакуум на забрзувачки напон од 30 kV.Истиот SEM систем беше користен за детална карактеризација на сондата PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорнија, САД).Сликите на SEM од AFM сондата се добиени во типичен режим на висок вакуум со забрзувачки напон од 30 kV.Добијте слики под различни агли и зголемувања за да ги снимите сите детали за обликот и големината на врвот на сондата AFM.Сите димензии на врвовите од интерес за сликите беа измерени дигитално.
За визуелизирање и наноиндентирање на примероците од lehfilcon A CL, SiHy супстрат и PAAm хидрогел се користеше микроскоп со атомска сила со Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорнија, САД) со режим „PeakForce QNM in Fluid“.За експерименти со сликање, сонда PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) со номинален радиус на врвот од 1 nm беше користена за снимање слики со висока резолуција од примерокот со брзина на скенирање од 0,50 Hz.Сите слики се направени во воден раствор.
Експериментите за нановдлабнување на AFM беа спроведени со помош на сонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Сондата AFM има силиконски врв на нитридна конзола дебела 345 nm, долга 54 µm и широка 4,5 µm со резонантна фреквенција од 45 kHz.Тој е специјално дизајниран да карактеризира и врши квантитативни наномеханички мерења на меки биолошки примероци.Сензорите се индивидуално калибрирани во фабриката со претходно калибрирани пружински поставки.Пролетните константи на сондите користени во оваа студија беа во опсег од 0,05-0,1 N/m.За прецизно одредување на обликот и големината на врвот, сондата беше детално карактеризирана со помош на SEM.На сл.Слика 1а покажува електронска микрографија за скенирање со висока резолуција и мало зголемување на сондата PFQNM-LC-A-CAL, обезбедувајќи холистички приказ на дизајнот на сондата.На сл.1б покажува зголемен приказ на врвот на врвот на сондата, обезбедувајќи информации за обликот и големината на врвот.На крајниот крај, иглата е хемисфера со дијаметар од околу 140 nm (сл. 1в).Под ова, врвот се стеснува во конусна форма, достигнувајќи измерена должина од приближно 500 nm.Надвор од заострениот регион, врвот е цилиндричен и завршува во вкупна должина на врвот од 1,18 µm.Ова е главниот функционален дел од врвот на сондата.Дополнително, голема сферична полистиренска сонда (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Ајова, САД) со дијаметар на врвот од 45 µm и пружина константа од 2 N/m, исто така, беше искористена за тестирање како колоидна сонда.со PFQNM-LC-A-CAL сонда од 140 nm за споредба.
Пријавено е дека течноста може да биде заробена помеѓу сондата AFM и структурата на полимерната четка за време на нановдлабнувањето, што ќе изврши сила нагоре на AFM сондата пред таа всушност да ја допре површината69.Овој вискозен ефект на истиснување поради задржување на течности може да ја промени очигледната точка на контакт, а со тоа да влијае на мерењата на површинскиот модул.За да се проучи ефектот на геометријата на сондата и брзината на вовлекување врз задржувањето на течноста, беа нацртани кривите на силата на вовлекување за примероците од lehfilcon A CL со користење на сонда со дијаметар од 140 nm при постојани стапки на поместување од 1 µm/s и 2 µm/s.дијаметар на сондата 45 µm, подесување на фиксна сила 6 nN постигнато при 1 µm/s.Беа спроведени експерименти со сонда со дијаметар од 140 nm со брзина на вдлабнување од 1 µm/s и поставена сила од 300 pN, избрана за да се создаде контактен притисок во рамките на физиолошкиот опсег (1-8 kPa) на горниот очен капак.притисок 72. Меки готови примероци на PAA хидрогел со притисок од 1 kPa беа тестирани за сила на вдлабнување од 50 pN со брзина од 1 μm/s со помош на сонда со дијаметар од 140 nm.
Бидејќи должината на конусниот дел од врвот на сондата PFQNM-LC-A-CAL е приближно 500 nm, за која било длабочина на вдлабнување < 500 nm, може безбедно да се претпостави дека геометријата на сондата за време на вовлекувањето ќе остане доследна на нејзината форма на конус.Дополнително, се претпоставува дека површината на материјалот што се тестира ќе покаже реверзибилен еластичен одговор, што исто така ќе биде потврдено во следните делови.Затоа, во зависност од обликот и големината на врвот, го избравме моделот на фитинг со конус-сфера развиен од Бриско, Себастијан и Адамс, кој е достапен во софтверот на продавачот, за да ги обработиме нашите експерименти за нановдлабнување AFM (NanoScope).Софтвер за анализа на податоци за раздвојување, Bruker) 73. Моделот ја опишува врската сила-поместување F(δ) за конус со дефект на сферичен врв.На сл.Слика 2 ја прикажува геометријата на контактот за време на интеракцијата на крут конус со сферичен врв, каде што R е радиусот на сферичниот врв, a е радиусот на контактот, b е радиусот на контакт на крајот на сферичниот врв, δ е радиус на контакт.длабочина на вдлабнување, θ е полуаголот на конусот.SEM сликата на оваа сонда јасно покажува дека сферичниот врв со дијаметар од 140 nm тангенцијално се спојува во конус, така што овде b е дефиниран само преку R, т.е. b = R cos θ.Софтверот испорачан од продавачот обезбедува врска конус-сфера за пресметување на вредностите на модулот на Јанг (E) од податоците за раздвојување на силите под претпоставка a > b.Врска:
каде што F е силата на вовлекување, E е Јанг-овиот модул, ν е Поасонов однос.Радиусот на контакт a може да се процени со помош на:
Шема на контактната геометрија на крут конус со сферичен врв втиснат во материјалот на контактната леќа Lefilcon со површински слој од разгранети полимерни четки.
Ако a ≤ b, релацијата се сведува на равенката за конвенционален сферичен вовлекувач;
Ние веруваме дека интеракцијата на сондата за вовлекување со разгранетата структура на полимерната четка PMPC ќе предизвика радиусот на контактот a да биде поголем од сферичниот радиус на контакт b.Затоа, за сите квантитативни мерења на модулот на еластичност извршени во оваа студија, ја користевме зависноста добиена за случајот a > b.
Ултрамеките биомиметички материјали проучувани во оваа студија беа сеопфатно снимени со помош на електронска микроскопија за пренос на скенирање (STEM) на пресекот на примерокот и микроскопија со атомска сила (AFM) на површината.Оваа детална карактеризација на површината беше изведена како продолжение на нашата претходно објавена работа, во која утврдивме дека структурата на динамички разгранета полимерна четка на површината на lehfilcon A CL модифицирана со PMPC покажа слични механички својства на природното ткиво на рожницата 14 .Поради оваа причина, ние ги нарекуваме површините на контактните леќи како биомиметички материјали14.На сл.3a,b прикажуваат пресеци на структури на разгранети PMPC полимерни четкички на површината на подлогата lehfilcon A CL и нетретирана подлога SiHy, соодветно.Површините на двата примероци беа дополнително анализирани со помош на AFM слики со висока резолуција, што дополнително ги потврди резултатите од STEM анализата (сл. 3в, г).Земени заедно, овие слики даваат приближна должина на структурата на PMPC разгранета полимерна четка на 300–400 nm, што е критично за толкување на мерењата на нановдлабнување на AFM.Друга клучна опсервација изведена од сликите е дека целокупната структура на површината на биомиметичкиот материјал CL е морфолошки различна од онаа на материјалот на подлогата SiHy.Оваа разлика во нивната морфологија на површината може да стане очигледна за време на нивната механичка интеракција со вовлекувачката AFM сондата и последователно во измерените вредности на модулот.
СТЕМ слики со пресек на (а) lehfilcon A CL и (б) супстрат SiHy.Лента за скала, 500 nm.AFM слики од површината на супстратот lehfilcon A CL (c) и основниот SiHy супстрат (d) (3 µm × 3 µm).
Биоинспирираните полимери и структурите на полимерните четки се инхерентно меки и се широко проучувани и користени во различни биомедицински апликации74,75,76,77.Затоа, важно е да се користи методот на нановдлабнување AFM, кој може точно и сигурно да ги измери нивните механички својства.Но, во исто време, уникатните својства на овие ултра-меки материјали, како што се екстремно нискиот модул на еластичност, високата содржина на течност и високата еластичност, често го отежнуваат изборот на вистинскиот материјал, форма и облик на сондата за вовлекување.големина.Ова е важно за вовлекувачот да не ја пробие меката површина на примерокот, што би довело до грешки во одредувањето на точката на допир со површината и областа на контакт.
За ова, неопходно е сеопфатно разбирање на морфологијата на ултра-меките биомиметички материјали (lehfilcon A CL).Информациите за големината и структурата на разгранетите полимерни четки добиени со методот на сликање ја даваат основата за механичка карактеризација на површината со помош на техники на наноиндентација AFM.Наместо сферични колоидни сонди со големина на микрон, ја избравме сондата со силикон нитрид PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) со дијаметар на врвот од 140 nm, специјално дизајнирана за квантитативно мапирање на механичките својства на биолошките примероци 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Образложението за користење на релативно остри сонди во споредба со конвенционалните колоидни сонди може да се објасни со структурните карактеристики на материјалот.Споредувајќи ја големината на врвот на сондата (~140 nm) со разгранетите полимерни четки на површината на CL lehfilcon A, прикажана на сл. 3а, може да се заклучи дека врвот е доволно голем за да дојде во директен контакт со овие структури на четката, кои ја намалува можноста врвот да пробие низ нив.За да се илустрира оваа точка, на Сл. 4 е СТЕМ слика на lehfilcon A CL и вовлекувачкиот врв на сондата AFM (нацртана во скала).
Шематски прикажува СТЕМ слика на lehfilcon A CL и ACM сонда за вовлекување (нацртана во скала).
Дополнително, големината на врвот од 140 nm е доволно мала за да се избегне ризикот од лепливите ефекти на истиснување претходно пријавени за полимерните четки произведени со методот на нановдлабнување CP-AFM69,71.Претпоставуваме дека поради специјалната конусно-сферична форма и релативно малата големина на овој врв AFM (сл. 1), природата на кривата на сила генерирана од нановдлабнувањето lehfilcon A CL нема да зависи од брзината на вдлабнување или брзината на товарење/растовар .Затоа, не е под влијание на пороеластични ефекти.За да се тестира оваа хипотеза, примероците од lehfilcon A CL беа вовлечени со фиксна максимална сила со помош на сонда PFQNM-LC-A-CAL, но со две различни брзини, а добиените криви на силата на истегнување и повлекување беа искористени за исцртување на силата (nN) во одвојување (µm) е прикажано на слика 5а.Јасно е дека кривите на силата за време на товарење и растовар целосно се преклопуваат и нема јасен доказ дека силата на смолкнување при нулта длабочина на вдлабнување се зголемува со брзината на вдлабнување на сликата, што сугерира дека поединечните елементи на четката биле карактеризирани без пороеластичен ефект.Спротивно на тоа, ефектите на задржување на течности (ефекти на вискозно истиснување и пороеластичност) се евидентни за сондата AFM со дијаметар од 45 µm со иста брзина на вдлабнување и се истакнати со хистерезата помеѓу кривите на истегнување и повлекување, како што е прикажано на Слика 5б.Овие резултати ја поддржуваат хипотезата и сугерираат дека сондите со дијаметар од 140 nm се добар избор за карактеризирање на такви меки површини.
lehfilcon Криви на силата на вовлекување CL користејќи ACM;(а) користење на сонда со дијаметар од 140 nm со две стапки на оптоварување, што покажува отсуство на пороеластичен ефект при вдлабнување на површината;(б) користење сонди со дијаметар од 45 µm и 140 nm.s ги покажуваат ефектите на вискозното истиснување и пороеластичноста за големи сонди во споредба со помалите сонди.
За да се карактеризираат ултрамеките површини, методите за нановдлабнување AFM мора да ја имаат најдобрата сонда за проучување на својствата на материјалот што се проучува.Покрај обликот и големината на врвот, чувствителноста на системот за детектор AFM, чувствителноста на отклонување на врвот во опкружувањето за тестирање и вкочанетоста на конзолата играат важна улога во одредувањето на точноста и доверливоста на нановдлабнувањето.мерења.За нашиот AFM систем, границата на откривање на чувствителен детектор за положба (PSD) е приближно 0,5 mV и се заснова на претходно калибрираната брзина на пружината и пресметаната чувствителност на отклонување на течноста на сондата PFQNM-LC-A-CAL, што одговара на теоретска чувствителност на оптоварување.е помал од 0,1 pN.Затоа, овој метод овозможува мерење на минимална сила на вдлабнување ≤ 0,1 pN без никаква компонента за периферна бучава.Сепак, речиси е невозможно системот AFM да го намали периферниот шум на ова ниво поради фактори како што се механичките вибрации и динамиката на течностите.Овие фактори ја ограничуваат севкупната чувствителност на методот на нановдлабнување AFM и исто така резултираат со сигнал за бучава во позадина од приближно ≤ 10 pN.За карактеризација на површината, примероците од подлогата lehfilcon A CL и SiHy беа вовлечени под целосно хидрирани услови со користење на сонда од 140 nm за карактеризација на SEM, а добиените криви на сила беа надредени помеѓу силата (pN) и притисокот.Границата за одвојување (µm) е прикажана на Слика 6а.Во споредба со основната подлога SiHy, кривата на силата lehfilcon A CL јасно покажува преодна фаза која започнува од точката на допир со чаталестата полимерна четка и завршува со остра промена во контактот на означување на наклонот на врвот со основниот материјал.Овој преоден дел од кривата на силата го истакнува навистина еластичното однесување на разгранетата полимерна четка на површината, како што е потврдено со кривата на компресија која внимателно ја следи кривата на затегнување и контрастот во механичките својства помеѓу структурата на четката и гломазниот материјал SiHy.Кога се споредува лефилкон.Одвојување на просечната должина на разгранета полимерна четка на сликата STEM на PCS (слика 3а) и нејзината крива на сила долж апсцисата на Сл. 3а.6а покажува дека методот е способен да го открие врвот и разгранетиот полимер кој достигнува до самиот врв на површината.Контакт помеѓу структурите на четката.Дополнително, блиското преклопување на кривите на силата покажува дека нема ефект на задржување течност.Во овој случај, нема апсолутно никаква адхезија помеѓу иглата и површината на примерокот.Најгорните делови од кривите на силата за двата примероци се преклопуваат, што ја одразува сличноста на механичките својства на материјалите на подлогата.
(а) AFM криви на нановдлабнатини на сила за lehfilcon A CL подлоги и подлоги SiHy, (б) криви на сила што покажуваат проценка на допирната точка користејќи го методот на праг на бучава во позадина.
Со цел да се проучат пофините детали на кривата на силата, кривата на напнатост на примерокот lehfilcon A CL е повторно исцртана на Сл. 6б со максимална сила од 50 pN долж y-оската.Овој графикон дава важни информации за оригиналниот шум на позадината.Бучавата е во опсег од ±10 pN, што се користи за прецизно одредување на контактната точка и пресметување на длабочината на вдлабнување.Како што е објавено во литературата, идентификацијата на контактните точки е од клучно значење за прецизно да се проценат својствата на материјалот како што е модулот85.Пристапот кој вклучува автоматска обработка на податоците за кривата на сила покажа подобрена усогласеност помеѓу приспособувањето на податоците и квантитативните мерења за меките материјали86.Во оваа работа, нашиот избор на допирни точки е релативно едноставен и објективен, но има свои ограничувања.Нашиот конзервативен пристап за одредување на точката на допир може да резултира со малку преценети вредности на модулот за помали длабочини на вдлабнатини (< 100 nm).Употребата на откривање на допирни точки базирани на алгоритам и автоматска обработка на податоци може да биде продолжение на оваа работа во иднина за дополнително подобрување на нашиот метод.Така, за внатрешна бучава во позадина од редот од ± 10 pN, ја дефинираме контактната точка како прва податочна точка на оската x на Слика 6б со вредност од ≥10 pN.Потоа, во согласност со прагот на бучава од 10 pN, вертикална линија на ниво од ~0,27 µm ја означува точката на допир со површината, по што кривата на истегнување продолжува додека подлогата не ја достигне длабочината на вдлабнување од ~270 nm.Интересно е тоа што врз основа на големината на карактеристиките на разгранетата полимерна четка (300–400 nm) измерена со методот на сликање, длабочината на вдлабнување на CL lehfilcon Примерокот забележан со помош на методот на праг на бучава во позадина е околу 270 nm, што е многу блиску до мерната големина со STEM.Овие резултати дополнително ја потврдуваат компатибилноста и применливоста на обликот и големината на врвот на сондата AFM за вдлабнување на оваа многу мека и високо еластична структура на разгранета полимерна четка.Овие податоци, исто така, даваат силни докази за поддршка на нашиот метод за користење на бучавата во позадина како праг за прецизно одредување на контактните точки.Така, сите квантитативни резултати добиени од математичко моделирање и фитинг на кривата на сила треба да бидат релативно точни.
Квантитативните мерења со методите на наноиндентација на AFM се целосно зависни од математичките модели што се користат за избор на податоци и последователна анализа.Затоа, важно е да се земат предвид сите фактори поврзани со изборот на вовлекувач, својствата на материјалот и механиката на нивната интеракција пред да се избере одреден модел.Во овој случај, геометријата на врвот беше внимателно карактеризирана со помош на SEM микрографи (сл. 1), а врз основа на резултатите, сондата за нановдлабнување AFM со дијаметар од 140 nm со тврд конус и геометрија на сферични врвови е добар избор за карактеризирање на примероците lehfilcon A CL79 .Друг важен фактор што треба внимателно да се процени е еластичноста на полимерниот материјал што се тестира.Иако првичните податоци за наноиндентацијата (слика 5а и 6а) јасно ги прикажуваат карактеристиките на преклопувањето на кривите на затегнување и компресија, т.е. целосно еластично обновување на материјалот, исклучително е важно да се потврди чисто еластичната природа на контактите .За таа цел, две последователни вдлабнатини беа извршени на иста локација на површината на примерокот lehfilcon A CL со брзина на вдлабнување од 1 µm/s под услови на целосна хидратација.Податоците за добиената крива на сила се прикажани на сл.7 и, како што се очекуваше, кривите на експанзија и компресија на двата отпечатоци се речиси идентични, што ја истакнува високата еластичност на структурата на разгранета полимерна четка.
Две криви на силата на вовлекување на иста локација на површината на lehfilcon A CL укажуваат на идеалната еластичност на површината на објективот.
Врз основа на информациите добиени од SEM и STEM сликите на врвот на сондата и површината на lehfilcon A CL, соодветно, моделот на конус-сфера е разумна математичка претстава за интеракцијата помеѓу врвот на сондата AFM и мекиот полимерен материјал што се тестира.Дополнително, за овој модел на конус-сфера, фундаменталните претпоставки за еластичните својства на втиснатиот материјал важат за овој нов биомиметички материјал и се користат за квантифицирање на модулот на еластичноста.
По сеопфатна евалуација на методот на наноиндентација AFM и неговите компоненти, вклучувајќи ги својствата на сондата за вовлекување (форма, големина и вкочанетост на пружината), чувствителноста (бучава во позадина и проценка на допирна точка) и моделите за поставување податоци (мерење на квантитативни модули), методот беше користени.ги карактеризираат комерцијално достапните ултра-меки примероци за да се потврдат квантитативните резултати.Комерцијален полиакриламид (PAAM) хидрогел со еластичен модул од 1 kPa беше тестиран во хидрирани услови со помош на сонда од 140 nm.Детали за тестирањето и пресметките на модулите се дадени во дополнителните информации.Резултатите покажаа дека просечниот измерен модул е ​​0,92 kPa, а %RSD и процентуалното (%) отстапување од познатиот модул биле помали од 10%.Овие резултати ја потврдуваат точноста и репродуктивноста на методот на нановдлабнување AFM што се користи во оваа работа за мерење на модулите на ултрамеките материјали.Површините на примероците од lehfilcon A CL и основната подлога на SiHy беа дополнително карактеризирани со користење на истиот метод на нановдлабнување AFM за проучување на очигледниот контакт модул на ултрамеката површина како функција на длабочината на вдлабнување.Кривите за раздвојување на силата на вовлекување беа генерирани за три примероци од секој тип (n = 3; по едно вдлабнување по примерок) со сила од 300 pN, брзина од 1 µm/s и целосна хидратација.Кривата за споделување на силата на вовлекување беше приближна со користење на модел на конус-сфера.За да се добие модул зависен од длабочината на вдлабнување, се поставуваше широк дел од 40 nm од кривата на силата при секое зголемување од 20 nm почнувајќи од точката на допир, и се измерени вредностите на модулот на секој чекор од кривата на силата.Spin Cy et al.Сличен пристап е искористен за карактеризирање на градиентот на модулот на полимерните четки со поли(лаурил метакрилат) (P12MA) со користење на колоидна нановдлабнатина на сондата AFM и тие се во согласност со податоците со користење на Херцовиот контакт модел.Овој пристап обезбедува график на привидниот модул на контакт (kPa) наспроти длабочината на вовлекување (nm), како што е прикажано на Слика 8, што го илустрира привидниот модул на контакт/градиент на длабочина.Пресметаниот модул на еластичност на примерокот CL lehfilcon A е во опсег од 2-3 kPa во горните 100 nm од примерокот, надвор од кои почнува да се зголемува со длабочина.Од друга страна, при тестирање на основната подлога на SiHy без филм како четка на површината, максималната длабочина на вдлабнување постигната при сила од 300 pN е помала од 50 nm, а вредноста на модулот добиена од податоците е околу 400 kPa , што е споредливо со вредностите на Јанг-овиот модул за рефус материјали.
Привиден модул на контакт (kPa) наспроти длабочина на вовлекување (nm) за подлоги lehfilcon A CL и SiHy користејќи метод на нановдлабнување AFM со геометрија на конус-сфера за мерење на модулот.
Најгорната површина на новата структура на биомиметички разгранета полимерна четка покажува исклучително низок модул на еластичност (2-3 kPa).Ова ќе одговара на слободниот висечки крај на чаталестата полимерна четка како што е прикажано на сликата STEM.Иако има некои докази за градиент на модул на надворешниот раб на CL, главната подлога со висок модул е ​​повлијателна.Сепак, горните 100 nm од површината се во рамките на 20% од вкупната должина на разгранетата полимерна четка, така што е разумно да се претпостави дека измерените вредности на модулот во овој опсег на длабочина на вдлабнување се релативно точни и не се силно зависат од ефектот на долниот објект.
Поради уникатниот биомиметички дизајн на контактните леќи lehfilcon A, кои се состојат од разгранети PMPC полимерни структури со четки пресадени на површината на подлогите SiHy, многу е тешко со сигурност да се карактеризираат механичките својства на нивните површински структури користејќи традиционални методи на мерење.Овде ви претставуваме напреден метод на нановдлабнување AFM за прецизно карактеризирање на ултра меки материјали како што е лефилкон А со висока содржина на вода и исклучително висока еластичност.Овој метод се заснова на употреба на AFM сонда чија големина и геометрија на врвот се внимателно избрани за да одговараат на структурните димензии на ултра-меките површински карактеристики што треба да се втиснат.Оваа комбинација на димензии помеѓу сондата и структурата обезбедува зголемена чувствителност, овозможувајќи ни да ги измериме нискиот модул и инхерентните еластични својства на елементите на разгранета полимерна четка, без оглед на пороеластичните ефекти.Резултатите покажаа дека уникатните разгранети PMPC полимерни четки карактеристични за површината на леќите имале екстремно низок модул на еластичност (до 2 kPa) и многу висока еластичност (скоро 100%) кога се тестирале во водена средина.Резултатите од AFM нановдлабнувањето, исто така, ни овозможија да го карактеризираме привидниот контактен модул/градиент на длабочина (30 kPa/200 nm) на површината на биомиметичката леќа.Овој градиент може да се должи на разликата во модулот помеѓу разгранетите полимерни четки и подлогата SiHy, или разгранетата структура/густина на полимерните четки или комбинација од нив.Сепак, потребни се дополнителни длабински студии за целосно да се разбере односот помеѓу структурата и својствата, особено ефектот на разгранување на четките врз механичките својства.Слични мерења можат да помогнат во карактеризирањето на механичките својства на површината на другите ултра-меки материјали и медицински помагала.
Збирките на податоци генерирани и/или анализирани за време на тековната студија се достапни од соодветните автори на разумно барање.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. and Haugen, HJ Биолошки реакции на физичките и хемиските својства на површините на биоматеријалите.Хемиски.општеството.Ед.49, 5178-5224 (2020).
Чен, ФМ и Лиу, Х. Подобрување на биоматеријали добиени од човек за инженерство на ткиво.програмирање.полимер.науката.53, 86 (2016).
Садлер, К. и сор.Дизајн, клиничка имплементација и имунолошки одговор на биоматеријали во регенеративната медицина.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK и Farr GM Подобрен метод за одредување на цврстина и модул на еластичност користејќи експерименти со вовлекување со мерења на оптоварување и поместување.J. Алма матер.резервоар.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Историско потекло на тестирањето на цврстина на вдлабнатини.алма матер.науката.технологии.28, 1028-1044 (2012).
Броитман, Е. Мерења на цврстина на вовлекување на макро-, микро- и наноскала: критички преглед.племето.Рајт.65, 1-18 (2017).
Kaufman, JD и Clapperich, SM Грешките во откривањето на површината доведуваат до преценување на модулот при нановдлабнување на меки материјали.Ј. Меча.Однесување.Биомедицински науки.алма матер.2, 312-317 (2009).
Каримзаде А., Колоор ССР, Ајатолахи М.Р., Бушроа АР и Јахја М.Ју.Евалуација на методот на наноиндентација за определување на механичките карактеристики на хетерогени нанокомпозити со помош на експериментални и пресметковни методи.науката.Куќа 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR и Owart, TS Механичка карактеризација на меки вискоеластични гелови со анализа на инверзни конечни елементи базирана на вдлабнатина и оптимизација.Ј. Меча.Однесување.Биомедицински науки.алма матер.2, 355-363 (2009).
Andrews JW, Bowen J и Chaneler D. Оптимизација на определување на вискоеластичност користејќи компатибилни мерни системи.Мека материја 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. and Pellillo, E. Наноиндентација на полимерни површини.J. Физика.D. Аплицирајте за физика.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. and Van Vliet KJ.Весник на биоматеријали.71, 388-397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Евалуација на модулот на еластичност и работата на адхезија на меки материјали со помош на проширена метода Бородич-Галанов (BG) и длабоко вдлабнување.крзно.алма матер.129, 198–213 (2019).
Ши, X. и сор.Морфологија и механички својства на биомиметички полимерни површини на силиконски хидрогел контактни леќи.Лангмуир 37, 13961–13967 (2021).