Dankie dat u Nature.com besoek het. U gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning. Vir die beste ervaring beveel ons aan dat u 'n opgedateerde blaaier gebruik (of Verenigbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer). Boonop, om voortgesette ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Wys 'n karrousel van drie skyfies gelyktydig. Gebruik die Vorige en Volgende knoppies om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg, of gebruik die skuifknoppies aan die einde om deur drie skyfies op 'n slag te beweeg.
Met die ontwikkeling van nuwe ultra-sagte materiale vir mediese toestelle en biomediese toepassings, is die omvattende karakterisering van hul fisiese en meganiese eienskappe beide belangrik en uitdagend. 'n Gewysigde atoomkragmikroskopie (AFM) nanoindentasietegniek is toegepas om die uiters lae oppervlakmodulus van die nuwe lehfilcon A biomimetiese silikoonhidrogel-kontaklens, bedek met 'n laag vertakte polimeerborselstrukture, te karakteriseer. Hierdie metode maak presiese bepaling van kontakpunte moontlik sonder die effekte van viskose ekstrusie wanneer vertakte polimere benader word. Daarbenewens maak dit dit moontlik om die meganiese eienskappe van individuele borselelemente te bepaal sonder die effek van poro-elastisiteit. Dit word bereik deur 'n AFM-sonde te kies met 'n ontwerp (puntgrootte, geometrie en veertempo) wat veral geskik is vir die meting van die eienskappe van sagte materiale en biologiese monsters. Hierdie metode verbeter sensitiwiteit en akkuraatheid vir akkurate meting van die baie sagte materiaal lehfilcon A, wat 'n uiters lae elastisiteitsmodulus op die oppervlakarea het (tot 2 kPa) en 'n uiters hoë elastisiteit in die interne (byna 100%) waterige omgewing. Die resultate van die oppervlakstudie het nie net die ultra-sagte oppervlakeienskappe van die lehfilcon A-lens onthul nie, maar ook getoon dat die modulus van die vertakte polimeerborsels vergelykbaar was met dié van die silikon-waterstofsubstraat. Hierdie oppervlakkarakteriseringstegniek kan op ander ultra-sagte materiale en mediese toestelle toegepas word.
Die meganiese eienskappe van materiale wat ontwerp is vir direkte kontak met lewende weefsel word dikwels deur die biologiese omgewing bepaal. Die perfekte ooreenstemming van hierdie materiaaleienskappe help om die verlangde kliniese eienskappe van die materiaal te bereik sonder om nadelige sellulêre reaksies te veroorsaak1,2,3. Vir homogene materiale in grootmaat is die karakterisering van meganiese eienskappe relatief maklik as gevolg van die beskikbaarheid van standaardprosedures en toetsmetodes (bv. mikroindentasie4,5,6). Vir ultrasagte materiale soos gels, hidrogels, biopolimere, lewende selle, ens., is hierdie toetsmetodes egter oor die algemeen nie van toepassing nie as gevolg van beperkings op meetresolusie en die inhomogeniteit van sommige materiale7. Oor die jare is tradisionele indentasiemetodes gewysig en aangepas om 'n wye reeks sagte materiale te karakteriseer, maar baie metodes ly steeds aan ernstige tekortkominge wat hul gebruik beperk8,9,10,11,12,13. Die gebrek aan gespesialiseerde toetsmetodes wat die meganiese eienskappe van supersagte materiale en oppervlaklae akkuraat en betroubaar kan karakteriseer, beperk hul gebruik in verskeie toepassings ernstig.
In ons vorige werk het ons die lehfilcon A (CL) kontaklens bekendgestel, 'n sagte heterogene materiaal met al die ultra-sagte oppervlak-eienskappe afgelei van potensieel biomimetiese ontwerpe geïnspireer deur die oppervlak van die kornea van die oog. Hierdie biomateriaal is ontwikkel deur 'n vertakte, kruisgekoppelde polimeerlaag van poli(2-metakriloïeloksietielfosforielcholien (MPC)) (PMPC) op 'n silikoonhidrogel (SiHy) 15 te ent, ontwerp vir mediese toestelle gebaseer op. Hierdie entproses skep 'n laag op die oppervlak wat bestaan ​​uit 'n baie sagte en hoogs elastiese vertakte polimeerborselstruktuur. Ons vorige werk het bevestig dat die biomimetiese struktuur van lehfilcon A CL superieure oppervlak-eienskappe bied, soos verbeterde benatting en bevuilingvoorkoming, verhoogde smering en verminderde sel- en bakteriese adhesie 15,16. Daarbenewens dui die gebruik en ontwikkeling van hierdie biomimetiese materiaal ook op verdere uitbreiding na ander biomediese toestelle. Daarom is dit van kritieke belang om die oppervlak-eienskappe van hierdie ultra-sagte materiaal te karakteriseer en die meganiese interaksie daarvan met die oog te verstaan ​​om 'n omvattende kennisbasis te skep om toekomstige ontwikkelings en toepassings te ondersteun. Die meeste kommersieel beskikbare SiHy-kontaklense bestaan ​​uit 'n homogene mengsel van hidrofiliese en hidrofobiese polimere wat 'n eenvormige materiaalstruktuur vorm17. Verskeie studies is uitgevoer om hul meganiese eienskappe te ondersoek deur gebruik te maak van tradisionele kompressie-, trek- en mikroindentasietoetsmetodes18,19,20,21. Die nuwe biomimetiese ontwerp van lehfilcon A CL maak dit egter 'n unieke heterogene materiaal waarin die meganiese eienskappe van die vertakte polimeerborselstrukture aansienlik verskil van dié van die SiHy-basissubstraat. Daarom is dit baie moeilik om hierdie eienskappe akkuraat te kwantifiseer deur gebruik te maak van konvensionele en indentasiemetodes. 'n Belowende metode gebruik die nanoindentasietoetsmetode wat in atoomkragmikroskopie (AFM) geïmplementeer word, 'n metode wat gebruik is om die meganiese eienskappe van sagte visko-elastiese materiale soos biologiese selle en weefsels, sowel as sagte polimere22,23,24,25, te bepaal. ,26,27,28,29,30. In AFM-nanoindentasie word die grondbeginsels van nanoindentasietoetsing gekombineer met die nuutste vooruitgang in AFM-tegnologie om verhoogde meetgevoeligheid en toetsing van 'n wye reeks inherent supersagte materiale te bied31,32,33,34,35,36. Daarbenewens bied die tegnologie ander belangrike voordele deur die gebruik van verskillende geometrieë, die indentor en sonde, en die moontlikheid om in verskeie vloeibare media te toets.
AFM-nano-indentasie kan voorwaardelik in drie hoofkomponente verdeel word: (1) toerusting (sensors, detektors, probes, ens.); (2) meetparameters (soos krag, verplasing, spoed, hellinggrootte, ens.); (3) Dataverwerking (basislynkorreksie, raakpuntberaming, datapassing, modellering, ens.). 'n Beduidende probleem met hierdie metode is dat verskeie studies in die literatuur wat AFM-nano-indentasie gebruik, baie verskillende kwantitatiewe resultate vir dieselfde monster/sel/materiaaltipe rapporteer37,38,39,40,41. Byvoorbeeld, Lekka et al. Die invloed van AFM-probegeometrie op die gemete Young se modulus van monsters van meganies homogene hidrogel- en heterogene selle is bestudeer en vergelyk. Hulle rapporteer dat moduluswaardes hoogs afhanklik is van die kantileverkeuse en puntvorm, met die hoogste waarde vir 'n piramidevormige probe en die laagste waarde van 42 vir 'n sferiese probe. Net so, Selhuber-Unkel et al. Daar is getoon hoe die indentorspoed, indentorgrootte en dikte van poliakrielamied (PAAM) monsters die Young se modulus gemeet deur ACM43 nanoindentasie beïnvloed. Nog 'n kompliserende faktor is die gebrek aan standaard uiters lae modulus toetsmateriale en vrye toetsprosedures. Dit maak dit baie moeilik om akkurate resultate met vertroue te kry. Die metode is egter baie nuttig vir relatiewe metings en vergelykende evaluasies tussen soortgelyke monstertipes, byvoorbeeld deur AFM nanoindentasie te gebruik om normale selle van kankerselle te onderskei 44, 45.
Wanneer sagte materiale met AFM-nano-indentasie getoets word, is 'n algemene reël om 'n sonde met 'n lae veerkonstante (k) te gebruik wat nou ooreenstem met die monstermodulus en 'n halfronde/ronde punt sodat die eerste sonde nie die monsteroppervlaktes deurboor tydens die eerste kontak met sagte materiale nie. Dit is ook belangrik dat die defleksiesein wat deur die sonde gegenereer word, sterk genoeg is om deur die laserdetektorstelsel opgespoor te word24,34,46,47. In die geval van ultra-sagte heterogene selle, weefsels en gels, is 'n ander uitdaging om die kleefkrag tussen die sonde en die monsteroppervlak te oorkom om reproduceerbare en betroubare metings te verseker48,49,50. Tot onlangs het die meeste werk oor AFM-nano-indentasie gefokus op die studie van die meganiese gedrag van biologiese selle, weefsels, gels, hidrogels en biomolekules met behulp van relatief groot sferiese sondes, algemeen bekend as kolloïdale sondes (KP's). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Hierdie punte het 'n radius van 1 tot 50 µm en word gewoonlik gemaak van borosilikaatglas, polimetielmetakrilaat (PMMA), polistireen (PS), silikondioksied (SiO2) en diamantagtige koolstof (DLC). Alhoewel CP-AFM nanoindentasie dikwels die eerste keuse is vir sagte monsterkarakterisering, het dit sy eie probleme en beperkings. Die gebruik van groot, mikrongrootte sferiese punte verhoog die totale kontakarea van die punt met die monster en lei tot 'n beduidende verlies aan ruimtelike resolusie. Vir sagte, inhomogene monsters, waar die meganiese eienskappe van plaaslike elemente aansienlik van die gemiddelde oor 'n wyer area kan verskil, kan CP-indentasie enige inhomogeniteit in eienskappe op 'n plaaslike skaal verberg52. Kolloïdale probes word tipies gemaak deur mikrongrootte kolloïdale sfere aan puntlose uitkragers te heg met behulp van epoksiegom. Die vervaardigingsproses self is belaai met baie probleme en kan lei tot teenstrydighede in die kalibrasieproses van die sonde. Boonop beïnvloed die grootte en massa van kolloïdale deeltjies direk die hoofkalibrasieparameters van die uitkraging, soos resonantiefrekwensie, veerstyfheid en defleksiegevoeligheid56,57,58. Dus, algemeen gebruikte metodes vir konvensionele AFM-sondes, soos temperatuurkalibrasie, verskaf moontlik nie 'n akkurate kalibrasie vir KP nie, en ander metodes mag nodig wees om hierdie korreksies uit te voer57, 59, 60, 61. Tipiese KP-indentasie-eksperimente gebruik groot afwykings-uitkraging om die eienskappe van sagte monsters te bestudeer, wat 'n ander probleem skep wanneer die nie-lineêre gedrag van die uitkraging by relatief groot afwykings62,63,64 gekalibreer word. Moderne kolloïdale sonde-indentasiemetodes neem gewoonlik die geometrie van die uitkraging wat gebruik word om die sonde te kalibreer, in ag, maar ignoreer die invloed van kolloïdale deeltjies, wat addisionele onsekerheid in die akkuraatheid van die metode38,61 skep. Net so is elastiese moduli wat deur kontakmodelpassing bereken word, direk afhanklik van die geometrie van die indentasieprobe, en 'n wanverhouding tussen die punt- en monsteroppervlakeienskappe kan lei tot onakkuraathede27, 65, 66, 67, 68. Onlangse werk deur Spencer et al. Die faktore wat in ag geneem moet word wanneer sagte polimeerborsels gekarakteriseer word met behulp van die CP-AFM nanoindentasiemetode word uitgelig. Hulle het berig dat die behoud van 'n viskose vloeistof in polimeerborsels as 'n funksie van spoed lei tot 'n toename in kopbelasting en dus verskillende metings van spoedafhanklike eienskappe30,69,70,71.
In hierdie studie het ons die oppervlakmodulus van die ultra-sagte, hoogs elastiese materiaal lehfilcon A CL gekarakteriseer deur gebruik te maak van 'n gewysigde AFM-nanoindentasiemetode. Gegewe die eienskappe en nuwe struktuur van hierdie materiaal, is die sensitiwiteitsbereik van die tradisionele indrukkingsmetode duidelik onvoldoende om die modulus van hierdie uiters sagte materiaal te karakteriseer, daarom is dit nodig om 'n AFM-nanoindentasiemetode met hoër sensitiwiteit en laer sensitiwiteitsvlak te gebruik. Nadat ons die tekortkominge en probleme van bestaande kolloïdale AFM-sonde-nanoindentasietegnieke hersien het, wys ons waarom ons 'n kleiner, pasgemaakte AFM-sonde gekies het om sensitiwiteit, agtergrondgeraas, presiese kontakpunte, meetsnelheidsmodulus van sagte heterogene materiale soos vloeistofretensie-afhanklikheid en akkurate kwantifisering uit te skakel. Daarbenewens kon ons die vorm en afmetings van die indrukkingspunt akkuraat meet, wat ons toelaat om die keël-sfeer-passingsmodel te gebruik om die elastisiteitsmodulus te bepaal sonder om die kontakarea van die punt met die materiaal te bepaal. Die twee implisiete aannames wat in hierdie werk gekwantifiseer word, is die volledig elastiese materiaaleienskappe en die indrukkingsdiepte-onafhanklike modulus. Deur hierdie metode te gebruik, het ons eers ultra-sagte standaarde met 'n bekende modulus getoets om die metode te kwantifiseer, en toe hierdie metode gebruik om die oppervlaktes van twee verskillende kontaklensmateriale te karakteriseer. Hierdie metode om AFM-nano-indentasie-oppervlaktes met verhoogde sensitiwiteit te karakteriseer, sal na verwagting van toepassing wees op 'n wye reeks biomimetiese heterogene ultra-sagte materiale met potensiële gebruik in mediese toestelle en biomediese toepassings.
Lehfilcon A-kontaklense (Alcon, Fort Worth, Texas, VSA) en hul silikoonhidrogelsubstrate is gekies vir nanoindentasie-eksperimente. 'n Spesiaal ontwerpte lensmontering is in die eksperiment gebruik. Om die lens vir toetsing te installeer, is dit versigtig op die koepelvormige staander geplaas, terwyl seker gemaak is dat geen lugborrels binnekom nie, en toe met die rande vasgemaak. 'n Gat in die bevestiging bo-aan die lenshouer bied toegang tot die optiese middelpunt van die lens vir nanoindentasie-eksperimente terwyl die vloeistof in plek gehou word. Dit hou die lense volledig gehidreer. 500 μl kontaklensverpakkingsoplossing is as 'n toetsoplossing gebruik. Om die kwantitatiewe resultate te verifieer, is kommersieel beskikbare nie-geaktiveerde poliakrielamied (PAAM) hidrogels voorberei uit 'n poliakrielamied-ko-metileen-bisakrielamied-samestelling (100 mm Petrisoft Petri-skottels, Matrigen, Irvine, CA, VSA), 'n bekende elastiese modulus van 1 kPa. Gebruik 4-5 druppels (ongeveer 125 µl) fosfaatgebufferde soutoplossing (PBS van Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, VSA) en 1 druppel OPTI-FREE Puremoist kontaklensoplossing (Alcon, Vaud, TX, VSA) by die AFM hidrogel-sonde-koppelvlak.
Monsters van Lehfilcon A CL en SiHy substrate is gevisualiseer met behulp van 'n FEI Quanta 250 Veldemissie Skandeer Elektronmikroskoop (FEG SEM) stelsel toegerus met 'n Skandeer Transmissie Elektronmikroskoop (STEM) detektor. Om die monsters voor te berei, is die lense eers met water gewas en in pasteivormige wiggies gesny. Om 'n differensiële kontras tussen die hidrofiliese en hidrofobiese komponente van die monsters te verkry, is 'n 0.10% gestabiliseerde oplossing van RuO4 as 'n kleurstof gebruik, waarin die monsters vir 30 minute gedompel is. Die lehfilcon A CL RuO4 kleuring is nie net belangrik om verbeterde differensiële kontras te verkry nie, maar help ook om die struktuur van die vertakte polimeerborsels in hul oorspronklike vorm te bewaar, wat dan sigbaar is op STEM-beelde. Hulle is toe gewas en gedehidreer in 'n reeks etanol/water mengsels met toenemende etanol konsentrasie. Die monsters is toe gegiet met EMBed 812/Araldite epoksie, wat oornag by 70°C gehard het. Monsterblokke wat deur harspolimerisasie verkry is, is met 'n ultramikrotoom gesny, en die gevolglike dun snitte is gevisualiseer met 'n STEM-detektor in lae vakuummodus teen 'n versnellingspanning van 30 kV. Dieselfde SEM-stelsel is gebruik vir die gedetailleerde karakterisering van die PFQNM-LC-A-CAL AFM-sonde (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, VSA). SEM-beelde van die AFM-sonde is verkry in 'n tipiese hoëvakuummodus met 'n versnellingspanning van 30 kV. Verkry beelde teen verskillende hoeke en vergrotings om al die besonderhede van die vorm en grootte van die AFM-sondepunt vas te lê. Alle puntdimensies van belang in die beelde is digitaal gemeet.
'n Dimension FastScan Bio Icon atoomkragmikroskoop (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, VSA) met "PeakForce QNM in Fluid"-modus is gebruik om lehfilcon A CL-, SiHy-substraat- en PAAm-hidrogelmonsters te visualiseer en nano-indenteer. Vir beeldvormingseksperimente is 'n PEAKFORCE-HIRS-FA-sonde (Bruker) met 'n nominale puntradius van 1 nm gebruik om hoëresolusiebeelde van die monster teen 'n skandeerspoed van 0.50 Hz vas te lê. Alle beelde is in waterige oplossing geneem.
AFM-nano-indentasie-eksperimente is uitgevoer met behulp van 'n PFQNM-LC-A-CAL-sonde (Bruker). Die AFM-sonde het 'n silikonpunt op 'n nitried-uitkraging van 345 nm dik, 54 µm lank en 4.5 µm breed met 'n resonante frekwensie van 45 kHz. Dit is spesifiek ontwerp om kwantitatiewe nanomeganiese metings op sagte biologiese monsters te karakteriseer en uit te voer. Die sensors word individueel in die fabriek gekalibreer met voorafgekalibreerde veerinstellings. Die veerkonstantes van die sondes wat in hierdie studie gebruik is, was in die reeks van 0.05–0.1 N/m. Om die vorm en grootte van die punt akkuraat te bepaal, is die sonde in detail gekarakteriseer met behulp van SEM. Op fig. 1a toon Fig. 1a 'n hoë-resolusie, lae vergroting skandeerelektronmikrograaf van die PFQNM-LC-A-CAL-sonde, wat 'n holistiese beeld van die sonde-ontwerp bied. Op fig. 1b toon 'n vergrote aansig van die bokant van die sondepunt, wat inligting verskaf oor die vorm en grootte van die punt. Aan die uiterste punt is die naald 'n hemisfeer met 'n deursnee van ongeveer 140 nm (Fig. 1c). Daaronder taps die punt af in 'n koniese vorm en bereik 'n gemete lengte van ongeveer 500 nm. Buite die taps toelopende gebied is die punt silindries en eindig dit in 'n totale puntlengte van 1.18 µm. Dit is die hoof funksionele deel van die sondepunt. Daarbenewens is 'n groot sferiese polistireen (PS) sonde (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, VSA) met 'n puntdeursnee van 45 µm en 'n veerkonstante van 2 N/m ook gebruik vir toetsing as 'n kolloïdale sonde, met PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sonde vir vergelyking.
Daar is berig dat vloeistof tussen die AFM-sonde en die polimeerborselstruktuur vasgevang kan word tydens nanoindentasie, wat 'n opwaartse krag op die AFM-sonde sal uitoefen voordat dit eintlik die oppervlak raak69. Hierdie viskose ekstrusie-effek as gevolg van vloeistofretensie kan die skynbare kontakpunt verander, wat die oppervlakmodulusmetings beïnvloed. Om die effek van sondegeometrie en indrukkingspoed op vloeistofretensie te bestudeer, is indrukkingskragkrommes geplot vir lehfilcon A CL-monsters met behulp van 'n sonde met 'n diameter van 140 nm teen konstante verplasingstempo's van 1 µm/s en 2 µm/s. Sondediameter 45 µm, vaste kraginstelling 6 nN bereik teen 1 µm/s. Eksperimente met 'n sonde met 'n diameter van 140 nm is uitgevoer teen 'n indrukkingspoed van 1 µm/s en 'n ingestelde krag van 300 pN, gekies om 'n kontakdruk binne die fisiologiese reeks (1–8 kPa) van die boonste ooglid te skep. druk 72. Sagte, gereedgemaakte monsters van PAA-hidrogel met 'n druk van 1 kPa is getoets vir 'n indrukkingskrag van 50 pN teen 'n spoed van 1 μm/s met behulp van 'n sonde met 'n deursnee van 140 nm.
Aangesien die lengte van die koniese deel van die punt van die PFQNM-LC-A-CAL-sonde ongeveer 500 nm is, kan daar vir enige indrukkingdiepte < 500 nm veilig aanvaar word dat die geometrie van die sonde tydens indrukking getrou sal bly aan sy keëlvorm. Daarbenewens word aanvaar dat die oppervlak van die materiaal wat getoets word, 'n omkeerbare elastiese reaksie sal toon, wat ook in die volgende afdelings bevestig sal word. Daarom, afhangende van die vorm en grootte van die punt, het ons die keël-sfeer-passingsmodel gekies wat deur Briscoe, Sebastian en Adams ontwikkel is, wat beskikbaar is in die verkoper se sagteware, om ons AFM-nano-indrukkingseksperimente (NanoScope) te verwerk. Skeidingsdata-analise sagteware, Bruker) 73. Die model beskryf die krag-verplasing-verhouding F(δ) vir 'n keël met 'n sferiese toppuntdefek. Op fig. Figuur 2 toon die kontakgeometrie tydens die interaksie van 'n starre keël met 'n sferiese punt, waar R die radius van die sferiese punt is, a die kontakradius, b die kontakradius aan die einde van die sferiese punt, δ die kontakradius is. Indentasiediepte, θ die halfhoek van die keël is. Die SEM-beeld van hierdie sonde toon duidelik dat die sferiese punt met 'n deursnee van 140 nm tangensiaal in 'n keël oorgaan, dus hier word b slegs deur R gedefinieer, d.w.s. b = R cos θ. Die sagteware wat deur die verskaffer verskaf word, verskaf 'n keël-sfeer-verhouding om Young se modulus (E)-waardes te bereken vanaf kragskeidingsdata, met die aanname dat a > b is. Verwantskap:
waar F die indrukkingskrag is, E Young se modulus is, en ν Poisson se verhouding is. Die kontakradius a kan geskat word deur:
Skema van die kontakgeometrie van 'n stewige keël met 'n sferiese punt wat in die materiaal van 'n Lefilcon-kontaklens met 'n oppervlaklaag van vertakte polimeerborsels ingedruk is.
As a ≤ b, reduseer die verband tot die vergelyking vir 'n konvensionele sferiese indentor;
Ons glo dat die interaksie van die indruksonde met die vertakte struktuur van die PMPC-polimeerborsel sal veroorsaak dat die kontakradius a groter is as die sferiese kontakradius b. Daarom het ons vir alle kwantitatiewe metings van die elastiese modulus wat in hierdie studie uitgevoer is, die afhanklikheid wat vir die geval a > b verkry is, gebruik.
Die ultrasagte biomimetiese materiale wat in hierdie studie bestudeer is, is omvattend afgebeeld met behulp van skanderingstransmissie-elektronmikroskopie (STEM) van die monster-dwarssnit en atoomkragmikroskopie (AFM) van die oppervlak. Hierdie gedetailleerde oppervlakkarakterisering is uitgevoer as 'n uitbreiding van ons voorheen gepubliseerde werk, waarin ons bepaal het dat die dinamies vertakte polimeerborselstruktuur van die PMPC-gemodifiseerde lehfilcon A CL-oppervlak soortgelyke meganiese eienskappe as inheemse korneaweefsel vertoon het 14. Om hierdie rede verwys ons na kontaklensoppervlaktes as biomimetiese materiale 14. Op fig. 3a, b word dwarssnitte van vertakte PMPC-polimeerborselstrukture op die oppervlak van 'n lehfilcon A CL-substraat en 'n onbehandelde SiHy-substraat onderskeidelik getoon. Die oppervlaktes van beide monsters is verder geanaliseer met behulp van hoë-resolusie AFM-beelde, wat die resultate van die STEM-analise verder bevestig het (Fig. 3c, d). Saamgevat gee hierdie beelde 'n benaderde lengte van die PMPC-vertakte polimeerborselstruktuur by 300-400 nm, wat krities is vir die interpretasie van AFM-nano-indentasiemetings. Nog 'n belangrike waarneming afgelei van die beelde is dat die algehele oppervlakstruktuur van die CL-biomimetiese materiaal morfologies verskil van dié van die SiHy-substraatmateriaal. Hierdie verskil in hul oppervlakmorfologie kan duidelik word tydens hul meganiese interaksie met die inspringende AFM-sonde en gevolglik in die gemete moduluswaardes.
Dwarssnit-STEM-beelde van (a) lehfilcon A CL en (b) SiHy-substraat. Skaalbalk, 500 nm. AFM-beelde van die oppervlak van die lehfilcon A CL-substraat (c) en die basis-SiHy-substraat (d) (3 µm × 3 µm).
Bio-geïnspireerde polimere en polimeerborselstrukture is inherent sag en is wyd bestudeer en in verskeie biomediese toepassings gebruik74,75,76,77. Daarom is dit belangrik om die AFM-nano-indentasiemetode te gebruik, wat hul meganiese eienskappe akkuraat en betroubaar kan meet. Maar terselfdertyd maak die unieke eienskappe van hierdie ultra-sagte materiale, soos uiters lae elastiese modulus, hoë vloeistofinhoud en hoë elastisiteit, dit dikwels moeilik om die regte materiaal, vorm en grootte van die indrukprobe te kies. Dit is belangrik sodat die indrukprobe nie die sagte oppervlak van die monster deurboor nie, wat tot foute in die bepaling van die kontakpunt met die oppervlak en die kontakarea kan lei.
Hiervoor is 'n omvattende begrip van die morfologie van ultra-sagte biomimetiese materiale (lehfilcon A CL) noodsaaklik. Inligting oor die grootte en struktuur van die vertakte polimeerborsels wat verkry is met behulp van die beeldmetode, bied die basis vir die meganiese karakterisering van die oppervlak met behulp van AFM-nano-indentasietegnieke. In plaas van mikrongrootte sferiese kolloïdale probes, het ons die PFQNM-LC-A-CAL silikonnitriedprobe (Bruker) gekies met 'n puntdiameter van 140 nm, spesiaal ontwerp vir kwantitatiewe kartering van die meganiese eienskappe van biologiese monsters 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Die rasionaal vir die gebruik van relatief skerp probes in vergelyking met konvensionele kolloïdale probes kan verklaar word deur die strukturele kenmerke van die materiaal. As die puntgrootte van die sonde (~140 nm) vergelyk word met die vertakte polimeerborsels op die oppervlak van CL lehfilcon A, soos getoon in Fig. 3a, kan die gevolgtrekking gemaak word dat die punt groot genoeg is om in direkte kontak met hierdie borselstrukture te kom, wat die kans verminder dat die punt daardeur dring. Om hierdie punt te illustreer, is in Fig. 4 'n STEM-beeld van die lehfilcon A CL en die inspringende punt van die AFM-sonde (volgens skaal geteken).
Skematiese voorstelling van 'n STEM-beeld van lehfilcon A CL en 'n ACM-indruksonde (volgens skaal geteken).
Daarbenewens is die puntgrootte van 140 nm klein genoeg om die risiko van enige van die klewerige ekstrusie-effekte wat voorheen gerapporteer is vir polimeerborsels wat deur die CP-AFM nanoindentasiemetode vervaardig is, te vermy69,71. Ons neem aan dat as gevolg van die spesiale keëlvormige vorm en relatief klein grootte van hierdie AFM-punt (Fig. 1), die aard van die kragkromme wat deur lehfilcon A CL nanoindentasie gegenereer word, nie afhang van die indrukkingspoed of die laai-/ontlaaispoed nie. Daarom word dit nie deur poro-elastiese effekte beïnvloed nie. Om hierdie hipotese te toets, is lehfilcon A CL-monsters teen 'n vaste maksimum krag ingeduik met behulp van 'n PFQNM-LC-A-CAL-sonde, maar teen twee verskillende snelhede, en die gevolglike trek- en terugtrekkragkrommes is gebruik om die krag (nN) in skeiding (µm) te plot, soos in Figuur 5a getoon. Dit is duidelik dat die kragkrommes tydens laai en aflaai heeltemal oorvleuel, en daar is geen duidelike bewyse dat die kragskuif teen nul indentasiediepte toeneem met indentasiespoed in die figuur nie, wat daarop dui dat die individuele borselelemente gekarakteriseer is sonder 'n poro-elastiese effek. In teenstelling hiermee is vloeistofretensie-effekte (viskose ekstrusie en poro-elastisiteitseffekte) duidelik vir die 45 µm deursnee AFM-sonde teen dieselfde indentasiespoed en word dit uitgelig deur die histerese tussen die strek- en terugtrekkrommes, soos getoon in Figuur 5b. Hierdie resultate ondersteun die hipotese en dui daarop dat probes met 'n deursnee van 140 nm 'n goeie keuse is vir die karakterisering van sulke sagte oppervlaktes.
lehfilcon A CL-indentasiekragkrommes met behulp van ACM; (a) met behulp van 'n sonde met 'n deursnee van 140 nm teen twee laaispoed, wat die afwesigheid van 'n poro-elastiese effek tydens oppervlakindentasie demonstreer; (b) met behulp van sondes met 'n deursnee van 45 µm en 140 nm. s toon die effekte van viskose ekstrusie en poro-elastisiteit vir groot sondes in vergelyking met kleiner sondes.
Om ultrasagte oppervlaktes te karakteriseer, moet AFM-nano-indentasiemetodes die beste sonde hê om die eienskappe van die materiaal wat bestudeer word, te bestudeer. Benewens die puntvorm en -grootte, speel die sensitiwiteit van die AFM-detektorstelsel, sensitiwiteit vir puntdefleksie in die toetsomgewing, en die styfheid van die vrydraende krag 'n belangrike rol in die bepaling van die akkuraatheid en betroubaarheid van nanoindentasiemetings. Vir ons AFM-stelsel is die Posisiesensitiewe Detektor (PSD) deteksielimiet ongeveer 0.5 mV en is gebaseer op die vooraf gekalibreerde veertempo en die berekende vloeistofdefleksiesensitiwiteit van die PFQNM-LC-A-CAL-sonde, wat ooreenstem met die teoretiese lassensitiwiteit. is minder as 0.1 pN. Daarom laat hierdie metode die meting van 'n minimum indrukkingskrag ≤ 0.1 pN toe sonder enige perifere geraaskomponent. Dit is egter byna onmoontlik vir 'n AFM-stelsel om perifere geraas tot hierdie vlak te verminder as gevolg van faktore soos meganiese vibrasie en vloeistofdinamika. Hierdie faktore beperk die algehele sensitiwiteit van die AFM-nano-indentasiemetode en lei ook tot 'n agtergrondruissein van ongeveer ≤ 10 pN. Vir oppervlakkarakterisering is lehfilcon A CL- en SiHy-substraatmonsters onder volledig gehidreerde toestande ingeduik met behulp van 'n 140 nm-sonde vir SEM-karakterisering, en die resulterende kragkrommes is tussen krag (pN) en druk gesuperponeer. Die skeidingsplot (µm) word in Figuur 6a getoon. In vergelyking met die SiHy-basissubstraat, toon die lehfilcon A CL-kragkromme duidelik 'n oorgangsfase wat begin by die kontakpunt met die gevurkte polimeerborsel en eindig met 'n skerp verandering in helling wat kontak van die punt met die onderliggende materiaal aandui. Hierdie oorgangsdeel van die kragkromme beklemtoon die werklik elastiese gedrag van die vertakte polimeerborsel op die oppervlak, soos blyk uit die kompressiekromme wat die spanningskurwe nou volg en die kontras in meganiese eienskappe tussen die borselstruktuur en die lywige SiHy-materiaal. Wanneer lefilcon vergelyk word. Skeiding van die gemiddelde lengte van 'n vertakte polimeerborsel in die STEM-beeld van die PCS (Fig. 3a) en sy kragkromme langs die absis in Fig. 3a. 6a toon dat die metode in staat is om die punt en die vertakte polimeer wat die heel boonste gedeelte van die oppervlak bereik, op te spoor. Kontak tussen borselstrukture. Daarbenewens dui noue oorvleueling van die kragkrommes op geen vloeistofretensie-effek nie. In hierdie geval is daar absoluut geen adhesie tussen die naald en die oppervlak van die monster nie. Die boonste dele van die kragkrommes vir die twee monsters oorvleuel, wat die ooreenkoms van die meganiese eienskappe van die substraatmateriale weerspieël.
(a) AFM nanoindentasie-kragkrommes vir lehfilcon A CL-substrate en SiHy-substrate, (b) kragkrommes wat kontakpuntberaming toon met behulp van die agtergrondgeraasdrempelmetode.
Om die fyner besonderhede van die kragkromme te bestudeer, word die spanningskurwe van die lehfilcon A CL-monster in Fig. 6b weer geteken met 'n maksimum krag van 50 pN langs die y-as. Hierdie grafiek verskaf belangrike inligting oor die oorspronklike agtergrondgeraas. Die geraas is in die reeks van ±10 pN, wat gebruik word om die kontakpunt akkuraat te bepaal en die indrukkingdiepte te bereken. Soos in die literatuur gerapporteer, is die identifisering van kontakpunte van kritieke belang om materiaaleienskappe soos modulus85 akkuraat te bepaal. 'n Benadering wat outomatiese verwerking van kragkrommedata behels, het 'n verbeterde passing tussen datapassing en kwantitatiewe metings vir sagte materiale86 getoon. In hierdie werk is ons keuse van kontakpunte relatief eenvoudig en objektief, maar dit het sy beperkings. Ons konserwatiewe benadering tot die bepaling van die kontakpunt kan lei tot effens oorskatte moduluswaardes vir kleiner indrukkingdieptes (< 100 nm). Die gebruik van algoritme-gebaseerde raakpuntopsporing en outomatiese dataverwerking kan 'n voortsetting van hierdie werk in die toekoms wees om ons metode verder te verbeter. Dus, vir intrinsieke agtergrondgeraas in die orde van ±10 pN, definieer ons die kontakpunt as die eerste datapunt op die x-as in Figuur 6b met 'n waarde van ≥10 pN. Dan, in ooreenstemming met die geraasdrempel van 10 pN, merk 'n vertikale lyn op die vlak van ~0.27 µm die kontakpunt met die oppervlak, waarna die strekkurwe voortduur totdat die substraat die indrukkingdiepte van ~270 nm bereik. Interessant genoeg, gebaseer op die grootte van die vertakte polimeerborselkenmerke (300–400 nm) gemeet met behulp van die beeldmetode, is die indrukkingdiepte van die CL lehfilcon A-monster wat waargeneem is met behulp van die agtergrondgeraasdrempelmetode ongeveer 270 nm, wat baie naby is aan die meetgrootte met STEM. Hierdie resultate bevestig verder die versoenbaarheid en toepaslikheid van die vorm en grootte van die AFM-sondepunt vir die indrukking van hierdie baie sagte en hoogs elastiese vertakte polimeerborselstruktuur. Hierdie data verskaf ook sterk bewyse om ons metode te ondersteun om agtergrondgeraas as 'n drempel te gebruik vir die vasstelling van kontakpunte. Dus, enige kwantitatiewe resultate wat verkry word uit wiskundige modellering en kragkrommepassing behoort relatief akkuraat te wees.
Kwantitatiewe metings deur AFM-nano-indentasiemetodes is heeltemal afhanklik van die wiskundige modelle wat gebruik word vir data-seleksie en daaropvolgende analise. Daarom is dit belangrik om alle faktore wat verband hou met die keuse van die indrukker, materiaaleienskappe en die meganika van hul interaksie in ag te neem voordat 'n spesifieke model gekies word. In hierdie geval is die puntgeometrie noukeurig gekarakteriseer met behulp van SEM-mikrograwe (Fig. 1), en gebaseer op die resultate is die 140 nm diameter AFM-nano-indentasieprobe met 'n harde keël en sferiese puntgeometrie 'n goeie keuse vir die karakterisering van lehfilcon A CL79-monsters. Nog 'n belangrike faktor wat noukeurig geëvalueer moet word, is die elastisiteit van die polimeermateriaal wat getoets word. Alhoewel die aanvanklike data van nanoindentasie (Fig. 5a en 6a) die kenmerke van die oorvleueling van die spanning- en kompressiekrommes duidelik uiteensit, d.w.s. die volledige elastiese herstel van die materiaal, is dit uiters belangrik om die suiwer elastiese aard van die kontakte te bevestig. Vir hierdie doel is twee opeenvolgende indentasies op dieselfde plek op die oppervlak van die lehfilcon A CL-monster uitgevoer teen 'n indentasietempo van 1 µm/s onder volle hidrasietoestande. Die resulterende kragkrommedata word in fig. 7 getoon en, soos verwag, is die uitbreidings- en kompressiekrommes van die twee afdrukke byna identies, wat die hoë elastisiteit van die vertakte polimeerborselstruktuur beklemtoon.
Twee indrukkingskragkrommes op dieselfde plek op die oppervlak van lehfilcon A CL dui die ideale elastisiteit van die lensoppervlak aan.
Gebaseer op inligting verkry uit SEM- en STEM-beelde van die sondepunt en lehfilcon A CL-oppervlak, onderskeidelik, is die keëlsfeermodel 'n redelike wiskundige voorstelling van die interaksie tussen die AFM-sondepunt en die sagte polimeermateriaal wat getoets word. Daarbenewens geld die fundamentele aannames oor die elastiese eienskappe van die ingeprentte materiaal vir hierdie nuwe biomimetiese materiaal vir hierdie keëlsfeermodel en word dit gebruik om die elastiese modulus te kwantifiseer.
Na 'n omvattende evaluering van die AFM-nano-indentasiemetode en sy komponente, insluitend die eienskappe van die indrukkingsonde (vorm, grootte en veerstyfheid), sensitiwiteit (agtergrondgeraas en kontakpuntberaming), en data-passingsmodelle (kwantitatiewe modulusmetings), is die metode gebruik om kommersieel beskikbare ultra-sagte monsters te karakteriseer om kwantitatiewe resultate te verifieer. 'n Kommersiële poliakrielamied (PAAM) hidrogel met 'n elastiese modulus van 1 kPa is onder gehidreerde toestande getoets met behulp van 'n 140 nm-sonde. Besonderhede van moduletoetsing en berekeninge word in die Aanvullende Inligting verskaf. Die resultate het getoon dat die gemiddelde modulus gemete 0.92 kPa was, en die %RSD en persentasie (%) afwyking van die bekende modulus minder as 10% was. Hierdie resultate bevestig die akkuraatheid en reproduceerbaarheid van die AFM-nano-indentasiemetode wat in hierdie werk gebruik is om die moduli van ultra-sagte materiale te meet. Die oppervlaktes van die lehfilcon A CL-monsters en die SiHy-basissubstraat is verder gekarakteriseer met behulp van dieselfde AFM-nano-indentasiemetode om die skynbare kontakmodulus van die ultra-sagte oppervlak as 'n funksie van indrukkingdiepte te bestudeer. Indentasiekragskeidingskurwes is gegenereer vir drie monsters van elke tipe (n = 3; een indrukking per monster) teen 'n krag van 300 pN, 'n spoed van 1 µm/s, en volle hidrasie. Die indrukkingkragdelingskurwe is benader met behulp van 'n keël-sfeermodel. Om die modulus afhanklik van die indrukkingdiepte te verkry, is 'n 40 nm wye gedeelte van die kragkurwe by elke inkrement van 20 nm vanaf die kontakpunt gestel, en die waardes van die modulus by elke stap van die kragkurwe is gemeet. Spin Cy et al. 'n Soortgelyke benadering is gebruik om die modulusgradiënt van poli(laurielmetakrilaat) (P12MA) polimeerborsels te karakteriseer deur kolloïdale AFM-sonde-nano-indrukking te gebruik, en hulle stem ooreen met data wat die Hertz-kontakmodel gebruik. Hierdie benadering verskaf 'n grafiek van die skynbare kontakmodulus (kPa) teenoor dieptediepte (nm), soos getoon in Figuur 8, wat die skynbare kontakmodulus/dieptegradiënt illustreer. Die berekende elastiese modulus van die CL lehfilcon A-monster is in die reeks van 2–3 kPa binne die boonste 100 nm van die monster, waarna dit begin toeneem met diepte. Aan die ander kant, wanneer die SiHy-basissubstraat sonder 'n kwasagtige film op die oppervlak getoets word, is die maksimum indrukkingsdiepte wat bereik word met 'n krag van 300 pN minder as 50 nm, en die moduluswaarde wat uit die data verkry word, is ongeveer 400 kPa, wat vergelykbaar is met die waardes van Young se modulus vir grootmaatmateriale.
Skynbare kontakmodulus (kPa) teenoor indrukkingdiepte (nm) vir lehfilcon A CL en SiHy substrate met behulp van die AFM nanoindentasiemetode met keël-sfeergeometrie om modulus te meet.
Die boonste oppervlak van die nuwe biomimetiese vertakte polimeerborselstruktuur vertoon 'n uiters lae elastisiteitsmodulus (2-3 kPa). Dit sal ooreenstem met die vryhangende punt van die gevurkte polimeerborsel soos getoon in die STEM-beeld. Alhoewel daar bewyse is van 'n modulusgradiënt aan die buitenste rand van die CL, is die hoof hoëmodulus-substraat meer invloedryk. Die boonste 100 nm van die oppervlak is egter binne 20% van die totale lengte van die vertakte polimeerborsel, dus is dit redelik om aan te neem dat die gemete waardes van die modulus in hierdie indrukdieptebereik relatief akkuraat is en nie sterk afhanklik is van die effek van die onderste voorwerp nie.
As gevolg van die unieke biomimetiese ontwerp van lehfilcon A-kontaklense, wat bestaan ​​uit vertakte PMPC-polimeerborselstrukture wat op die oppervlak van SiHy-substrate geënt is, is dit baie moeilik om die meganiese eienskappe van hul oppervlakstrukture betroubaar te karakteriseer deur tradisionele meetmetodes te gebruik. Hier bied ons 'n gevorderde AFM-nano-indentasiemetode aan vir die akkuraat karakterisering van ultra-sagte materiale soos lefilcon A met 'n hoë waterinhoud en uiters hoë elastisiteit. Hierdie metode is gebaseer op die gebruik van 'n AFM-sonde waarvan die puntgrootte en geometrie noukeurig gekies word om by die strukturele dimensies van die ultra-sagte oppervlakkenmerke wat afgedruk moet word, te pas. Hierdie kombinasie van dimensies tussen sonde en struktuur bied verhoogde sensitiwiteit, wat ons toelaat om die lae modulus en inherente elastiese eienskappe van vertakte polimeerborselelemente te meet, ongeag poro-elastiese effekte. Die resultate het getoon dat die unieke vertakte PMPC-polimeerborsels wat kenmerkend is van die lensoppervlak, 'n uiters lae elastiese modulus (tot 2 kPa) en baie hoë elastisiteit (byna 100%) gehad het toe dit in 'n waterige omgewing getoets is. Die resultate van AFM-nano-indentasie het ons ook toegelaat om die skynbare kontakmodulus/dieptegradiënt (30 kPa/200 nm) van die biomimetiese lensoppervlak te karakteriseer. Hierdie gradiënt kan te wyte wees aan die modulusverskil tussen die vertakte polimeerborsels en die SiHy-substraat, of die vertakte struktuur/digtheid van die polimeerborsels, of 'n kombinasie daarvan. Verdere diepgaande studies is egter nodig om die verband tussen struktuur en eienskappe ten volle te verstaan, veral die effek van borselvertakking op meganiese eienskappe. Soortgelyke metings kan help om die meganiese eienskappe van die oppervlak van ander ultra-sagte materiale en mediese toestelle te karakteriseer.
Datastelle wat tydens die huidige studie gegenereer en/of geanaliseer is, is op redelike versoek van die onderskeie outeurs beskikbaar.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. en Haugen, HJ Biologiese reaksies op fisiese en chemiese eienskappe van oppervlaktes van biomateriale. Chemical. Society. Red. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM en Liu, X. Verbetering van mensafgeleide biomateriale vir weefselingenieurswese. programmering. polimeer. die wetenskap. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Ontwerp, kliniese implementering en immuunrespons van biomateriale in regeneratiewe medisyne. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK en Farr GM 'n Verbeterde metode vir die bepaling van hardheid en elastisiteitsmodulus deur gebruik te maak van indrukkingseksperimente met las- en verplasingsmetings. J. Alma mater. stoortenk. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Historiese oorsprong van indentasiehardheidstoetsing. alma mater. die wetenskap. tegnologieë. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Metings van indrukkinghardheid op die makro-, mikro- en nanoskaal: 'n Kritiese oorsig. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD en Clapperich, SM Oppervlakdeteksiefoute lei tot modulusoorskatting in nanoindentasie van sagte materiale. J. Mecha. Gedrag. Biomediese Wetenskap. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR en Yahya M.Yu. Evaluering van die nanoindentasiemetode vir die bepaling van die meganiese eienskappe van heterogene nanokomposiete met behulp van eksperimentele en berekeningsmetodes. die wetenskap. Huis 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, en Owart, TS Meganiese karakterisering van sagte visko-elastiese gels deur indentasie en optimeringsgebaseerde inverse eindige elementanalise. J. Mecha. Gedrag. Biomediese Wetenskap. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J en Chaneler D. Optimalisering van viskoelastisiteitsbepaling met behulp van versoenbare meetstelsels. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. en Pellillo, E. Nanoindentasie van polimeeroppervlakke. J. Fisika. D. Toepas vir fisika. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. en Van Vliet KJ Karakterisering van viskoelastiese meganiese eienskappe van hoogs elastiese polimere en biologiese weefsels met behulp van skokindentasie. Journal of Biomaterials. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluering van die elastiese modulus en adhesiewerk van sagte materiale met behulp van die uitgebreide Borodich-Galanov (BG) metode en diep indentasie. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Nanoskaalmorfologie en meganiese eienskappe van biomimetiese polimeeroppervlakke van silikoonhidrogel-kontaklense. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).