نشكرك على زيارة موقع Nature.com. أنت تستخدم إصدارًا من المتصفح يدعم CSS بشكل محدود. للحصول على أفضل تجربة، نوصي باستخدام متصفح مُحدَّث (أو تعطيل وضع التوافق في Internet Explorer). بالإضافة إلى ذلك، ولضمان استمرار الدعم، نعرض الموقع بدون أنماط CSS وجافا سكريبت.
يعرض شريطًا دائريًا من ثلاث شرائح في وقت واحد. استخدم زري "السابق" و"التالي" للتنقل بين الشرائح الثلاث في كل مرة، أو استخدم أزرار التمرير في النهاية للتنقل بين الشرائح الثلاث في كل مرة.
مع تطور المواد فائقة النعومة الجديدة للأجهزة الطبية والتطبيقات الحيوية، بات التوصيف الشامل لخصائصها الفيزيائية والميكانيكية ذا أهمية بالغة وتحديًا كبيرًا. استُخدمت تقنية النانو-انضغاط المُعدّلة للمجهر الذري القوي (AFM) لتوصيف معامل المرونة السطحية المنخفض للغاية لعدسة لاصقة جديدة من هيدروجيل السيليكون الحيوي (lehfilcon A) مطلية بطبقة من هياكل فرشاة بوليمرية متفرعة. تتيح هذه الطريقة تحديد نقاط التلامس بدقة دون تأثيرات البثق اللزج عند الاقتراب من البوليمرات المتفرعة. إضافةً إلى ذلك، تُمكّن من تحديد الخصائص الميكانيكية لعناصر الفرشاة الفردية دون تأثير المرونة المسامية. ويتحقق ذلك باختيار مسبار AFM بتصميم (حجم الطرف، والهندسة، ومعدل الزنبرك) مناسب بشكل خاص لقياس خصائص المواد اللينة والعينات البيولوجية. تُحسّن هذه الطريقة حساسية ودقة القياس الدقيق لمادة ليفيلكون A فائقة النعومة، والتي تتميز بمعامل مرونة منخفض للغاية على سطحها (يصل إلى 2 كيلو باسكال) ومرونة عالية للغاية في بيئتها المائية الداخلية (تقارب 100%). لم تكشف نتائج دراسة السطح عن خصائص سطح عدسة ليفيلكون A فائقة النعومة فحسب، بل أظهرت أيضًا أن معامل مرونة فرش البوليمر المتفرعة يُضاهي معامل مرونة ركيزة السيليكون-الهيدروجين. يمكن تطبيق تقنية توصيف السطح هذه على مواد أخرى فائقة النعومة وأجهزة طبية.
غالبًا ما تتحدد الخصائص الميكانيكية للمواد المصممة للتلامس المباشر مع الأنسجة الحية بالبيئة البيولوجية المحيطة. ويساعد التوافق التام بين هذه الخصائص على تحقيق الخصائص السريرية المطلوبة للمادة دون التسبب في استجابات خلوية ضارة^1،2،3. بالنسبة للمواد المتجانسة، يُعدّ توصيف الخصائص الميكانيكية سهلًا نسبيًا نظرًا لتوافر الإجراءات القياسية وطرق الاختبار (مثل اختبار الصلابة الدقيقة^4،5،6). مع ذلك، بالنسبة للمواد فائقة النعومة مثل الهلاميات، والهيدروجيلات، والبوليمرات الحيوية، والخلايا الحية، وما إلى ذلك، فإن طرق الاختبار هذه غير قابلة للتطبيق عمومًا بسبب محدودية دقة القياس وعدم تجانس بعض المواد⁷. على مر السنين، تم تعديل طرق اختبار الصلابة التقليدية وتكييفها لتوصيف نطاق واسع من المواد اللينة، لكن العديد من هذه الطرق لا تزال تعاني من أوجه قصور خطيرة تحدّ من استخدامها^{8،9،10،11،12،13}. إن الافتقار إلى طرق اختبار متخصصة قادرة على توصيف الخصائص الميكانيكية للمواد فائقة النعومة والطبقات السطحية بدقة وموثوقية يحدّ بشدة من استخدامها في مختلف التطبيقات.
في دراستنا السابقة، قدمنا ​​عدسة ليفيلكون أ (CL) اللاصقة، وهي مادة ناعمة غير متجانسة تتميز بخصائص سطحية فائقة النعومة، مستوحاة من تصميمات تحاكي سطح قرنية العين. طُوّرت هذه المادة الحيوية عن طريق تطعيم طبقة بوليمرية متفرعة ومتشابكة من بولي (2-ميثاكريلويلوكسي إيثيل فوسفوريل كولين (MPC)) (PMPC) على هيدروجيل سيليكون (SiHy) 15 مصمم للأجهزة الطبية. تُنتج عملية التطعيم هذه طبقة على السطح تتكون من بنية فرشاة بوليمرية متفرعة فائقة النعومة والمرونة. وقد أكدت دراستنا السابقة أن البنية المحاكية حيوياً لعدسة ليفيلكون أ (CL) توفر خصائص سطحية فائقة، مثل تحسين التبلل ومنع التلوث، وزيادة الانزلاق، وتقليل التصاق الخلايا والبكتيريا 15،16. بالإضافة إلى ذلك، يشير استخدام وتطوير هذه المادة المحاكية حيوياً إلى إمكانية توسيع نطاق استخدامها ليشمل أجهزة طبية حيوية أخرى. لذا، من الأهمية بمكان تحديد خصائص سطح هذه المادة فائقة النعومة وفهم تفاعلها الميكانيكي مع العين، وذلك لبناء قاعدة معرفية شاملة تدعم التطورات والتطبيقات المستقبلية. تتكون معظم العدسات اللاصقة المصنوعة من السيليكون والهيدروجين (SiHy) المتوفرة تجاريًا من مزيج متجانس من البوليمرات المحبة للماء والكارهة للماء، والتي تُشكل بنية مادية موحدة¹⁷. وقد أُجريت العديد من الدراسات للتحقق من خصائصها الميكانيكية باستخدام طرق الاختبار التقليدية للضغط والشد والاختبار بالانضغاط الدقيق^{18،19،20،21}. مع ذلك، فإن التصميم الحيوي المبتكر لعدسات ليفيلكون A اللاصقة يجعلها مادة غير متجانسة فريدة من نوعها، حيث تختلف الخصائص الميكانيكية لبنية فرشاة البوليمر المتفرعة اختلافًا كبيرًا عن تلك الخاصة بركيزة السيليكون والهيدروجين الأساسية. لذلك، يصعب جدًا تحديد هذه الخصائص بدقة باستخدام الطرق التقليدية وطرق الانضغاط. تعتمد إحدى الطرق الواعدة على اختبار النانو-انضغاط المُطبّق في مجهر القوة الذرية (AFM)، وهي طريقة تُستخدم لتحديد الخصائص الميكانيكية للمواد المرنة اللزجة، مثل الخلايا والأنسجة البيولوجية، بالإضافة إلى البوليمرات اللينة^{22،23،24،25،26،27،28،29،30}. في اختبار النانو-انضغاط باستخدام مجهر القوة الذرية، تُدمج أساسيات اختبار النانو-انضغاط مع أحدث التطورات في تقنية مجهر القوة الذرية لتوفير حساسية قياس مُحسّنة واختبار مجموعة واسعة من المواد فائقة الليونة بطبيعتها^{31،32،33،34،35،36}. علاوة على ذلك، تُقدّم هذه التقنية مزايا أخرى مهمة من خلال استخدام أشكال هندسية مختلفة للمُنضغاط والمسبار، وإمكانية الاختبار في أوساط سائلة متنوعة.
يمكن تقسيم تقنية قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري (AFM) إلى ثلاثة مكونات رئيسية: (1) المعدات (المستشعرات، والكواشف، والمجسات، إلخ)؛ (2) معايير القياس (مثل القوة، والإزاحة، والسرعة، وحجم المنحدر، إلخ)؛ (3) معالجة البيانات (تصحيح خط الأساس، وتقدير نقطة التلامس، وملاءمة البيانات، والنمذجة، إلخ). تكمن إحدى المشكلات الرئيسية لهذه الطريقة في أن العديد من الدراسات المنشورة التي تستخدم تقنية قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري (AFM) تُقدم نتائج كمية متباينة للغاية لنفس نوع العينة/الخلية/المادة^{37،38،39،40،41}. على سبيل المثال، درس ليكّا وآخرون تأثير هندسة مجس المجهر الذري (AFM) على معامل يونغ المقاس لعينات من الهيدروجيل المتجانس ميكانيكيًا والخلايا غير المتجانسة، وقارنوا النتائج. وأفادوا بأن قيم المعامل تعتمد بشكل كبير على اختيار ذراع المجس وشكل طرفه، حيث سُجلت أعلى قيمة لمجس هرمي الشكل، وأدنى قيمة⁴² لمجس كروي. وبالمثل، قام سيلهوبر-أنكل وآخرون... لقد ثبت كيف تؤثر سرعة رأس الاختبار وحجمه وسُمك عينات بولي أكريلاميد (PAAM) على معامل يونغ المقاس بتقنية النانو-انضغاط ACM43. ومن العوامل الأخرى التي تُعقّد الأمر، نقص مواد الاختبار القياسية ذات معامل المرونة المنخفض للغاية، بالإضافة إلى عدم توفر إجراءات اختبار مجانية. وهذا ما يجعل الحصول على نتائج دقيقة وموثوقة أمرًا بالغ الصعوبة. ومع ذلك، تُعدّ هذه الطريقة مفيدة جدًا للقياسات النسبية والتقييمات المقارنة بين أنواع العينات المتشابهة، على سبيل المثال، استخدام تقنية النانو-انضغاط AFM للتمييز بين الخلايا الطبيعية والخلايا السرطانية 44، 45.
عند اختبار المواد اللينة باستخدام تقنية النانو-انضغاط المجهري للقوة الذرية (AFM)، تتمثل القاعدة العامة في استخدام مسبار ذي ثابت مرونة منخفض (k) يتوافق تقريبًا مع معامل مرونة العينة، وطرف نصف كروي/مستدير، بحيث لا يخترق المسبار سطح العينة عند أول ملامسة للمواد اللينة. ومن المهم أيضًا أن تكون إشارة الانحراف الناتجة عن المسبار قوية بما يكفي ليتم رصدها بواسطة نظام كاشف الليزر^{24،34،46،47}. في حالة الخلايا والأنسجة والهلاميات غير المتجانسة فائقة الليونة، يتمثل تحدٍ آخر في التغلب على قوة الالتصاق بين المسبار وسطح العينة لضمان قياسات قابلة للتكرار وموثوقة^48،49،50. حتى وقت قريب، ركزت معظم الدراسات على تقنية النانو-انضغاط المجهري للقوة الذرية على دراسة السلوك الميكانيكي للخلايا والأنسجة والهلاميات والهيدروجيلات والجزيئات الحيوية باستخدام مسابير كروية كبيرة نسبيًا، تُعرف عادةً باسم المسابير الغروانية (CPs). 47، 51، 52، 53، 54، 55. يبلغ نصف قطر هذه الرؤوس من 1 إلى 50 ميكرومترًا، وهي مصنوعة عادةً من زجاج البوروسيليكات، وبولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)، والبوليسترين (PS)، وثاني أكسيد السيليكون (SiO2)، والكربون الشبيه بالماس (DLC). على الرغم من أن تقنية النانو-انضغاط باستخدام مجهر القوة الذرية الاستقطابي (CP-AFM) غالبًا ما تكون الخيار الأول لتوصيف العينات اللينة، إلا أنها تنطوي على مشاكلها وقيودها. فاستخدام رؤوس كروية كبيرة الحجم (بالميكرومتر) يزيد من مساحة التلامس الكلية للرأس مع العينة، مما يؤدي إلى فقدان كبير في الدقة المكانية. بالنسبة للعينات اللينة غير المتجانسة، حيث قد تختلف الخصائص الميكانيكية للعناصر المحلية اختلافًا كبيرًا عن المتوسط ​​على مساحة أوسع، يمكن لتقنية النانو-انضغاط الاستقطابي إخفاء أي عدم تجانس في الخصائص على المستوى المحلي.⁵² تُصنع المجسات الغروية عادةً عن طريق ربط كرات غروية (بالميكرومتر) بأذرع ناتئة بدون رؤوس باستخدام مواد لاصقة إيبوكسية. تُعاني عملية التصنيع نفسها من العديد من المشاكل، وقد تؤدي إلى عدم اتساق في عملية معايرة المجس. إضافةً إلى ذلك، يؤثر حجم وكتلة الجسيمات الغروية بشكل مباشر على معايير المعايرة الرئيسية للذراع، مثل تردد الرنين، وصلابة الزنبرك، وحساسية الانحراف^56،57،58. لذا، فإن الطرق الشائعة الاستخدام لمجسات المجهر الذري التقليدية، مثل معايرة درجة الحرارة، قد لا توفر معايرة دقيقة للجسيمات الغروية، وقد يتطلب الأمر استخدام طرق أخرى لإجراء هذه التصحيحات^{57،59،60،61}. تستخدم تجارب قياس الانضغاط النموذجية للجسيمات الغروية ذراعًا بانحرافات كبيرة لدراسة خصائص العينات اللينة، مما يُسبب مشكلة أخرى عند معايرة السلوك غير الخطي للذراع عند انحرافات كبيرة نسبيًا^62،63،64. تأخذ طرق قياس الصلابة الحديثة باستخدام المجسات الغروية عادةً في الحسبان هندسة الذراع المستخدمة لمعايرة المجس، لكنها تتجاهل تأثير الجسيمات الغروية، مما يُضيف مزيدًا من عدم اليقين إلى دقة الطريقة^38،61. وبالمثل، فإن معاملات المرونة المحسوبة عن طريق مطابقة نموذج التلامس تعتمد بشكل مباشر على هندسة مجس قياس الصلابة، وقد يؤدي عدم التوافق بين خصائص رأس المجس وسطح العينة إلى عدم دقة النتائج^{27،65،66،67،68}. وقد سلطت بعض الدراسات الحديثة التي أجراها سبنسر وآخرون الضوء على العوامل التي ينبغي مراعاتها عند توصيف فرش البوليمر اللينة باستخدام طريقة قياس الصلابة النانوية بتقنية المجهر الذري الماسح ذي الاستقطاب الدائري (CP-AFM). وأفادوا بأن احتفاظ فرش البوليمر بسائل لزج كدالة للسرعة يؤدي إلى زيادة في حمل الرأس، وبالتالي اختلاف قياسات الخصائص المعتمدة على السرعة^{30،69،70،71}.
في هذه الدراسة، قمنا بتوصيف معامل المرونة السطحية لمادة ليفيلكون A CL فائقة النعومة وعالية المرونة باستخدام طريقة النانو-انضغاط المعدلة بتقنية المجهر الذري للقوة (AFM). ونظرًا لخصائص هذه المادة وبنيتها الجديدة، فإن نطاق حساسية طريقة الانضغاط التقليدية غير كافٍ لتوصيف معامل المرونة لهذه المادة شديدة النعومة، لذا كان من الضروري استخدام طريقة النانو-انضغاط بتقنية AFM ذات حساسية عالية ومنخفضة. بعد استعراض أوجه القصور والمشاكل في تقنيات النانو-انضغاط الحالية باستخدام مجسات AFM الغروية، نوضح سبب اختيارنا لمجس AFM أصغر حجمًا ومصمم خصيصًا للتخلص من الحساسية والضوضاء الخلفية، وتحديد نقطة التلامس بدقة، وقياس معامل سرعة المواد غير المتجانسة الناعمة، مثل اعتمادها على احتباس السوائل، والقياس الكمي الدقيق. بالإضافة إلى ذلك، تمكنا من قياس شكل وأبعاد طرف الانضغاط بدقة، مما سمح لنا باستخدام نموذج التوافق المخروطي الكروي لتحديد معامل المرونة دون الحاجة إلى تقييم مساحة تلامس الطرف مع المادة. الافتراضان الضمنيان اللذان تم قياسهما كميًا في هذا العمل هما خصائص المادة المرنة تمامًا ومعامل المرونة غير المعتمد على عمق الانضغاط. باستخدام هذه الطريقة، اختبرنا أولًا معايير فائقة النعومة ذات معامل مرونة معروف لتقييم الطريقة كميًا، ثم استخدمنا هذه الطريقة لتوصيف أسطح مادتين مختلفتين للعدسات اللاصقة. من المتوقع أن تكون هذه الطريقة لتوصيف أسطح الانضغاط النانوي باستخدام المجهر الذري للقوة (AFM) بحساسية متزايدة قابلة للتطبيق على نطاق واسع من المواد فائقة النعومة غير المتجانسة المحاكية للأنظمة الحيوية، والتي يُحتمل استخدامها في الأجهزة الطبية والتطبيقات الطبية الحيوية.
تم اختيار عدسات Lehfilcon A اللاصقة (شركة Alcon، فورت وورث، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية) وركائزها المصنوعة من هيدروجيل السيليكون لإجراء تجارب قياس الصلابة النانوية. استُخدم حامل عدسات مصمم خصيصًا لهذه التجربة. ولتركيب العدسة للاختبار، وُضعت بعناية على الحامل ذي الشكل القُبّي، مع التأكد من عدم دخول أي فقاعات هواء، ثم ثُبّتت من الحواف. يوفر ثقب في الحامل العلوي للعدسات إمكانية الوصول إلى المركز البصري للعدسة لإجراء تجارب قياس الصلابة النانوية مع تثبيت السائل في مكانه، مما يحافظ على ترطيب العدسات بشكل كامل. استُخدم 500 ميكرولتر من محلول تغليف العدسات اللاصقة كمحلول اختبار. وللتحقق من النتائج الكمية، تم تحضير هيدروجيلات بولي أكريلاميد (PAAM) غير مُنشّطة متوفرة تجاريًا من تركيبة بولي أكريلاميد-كو-ميثيلين-بيس أكريلاميد (أطباق بتري Petrisoft مقاس 100 مم، شركة Matrigen، إرفاين، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية)، بمعامل مرونة معروف يبلغ 1 كيلو باسكال. استخدم 4-5 قطرات (حوالي 125 ميكرولتر) من محلول ملحي مُخفَّف بالفوسفات (PBS من شركة كورنينج لايف ساينسز، تيوكسبيري، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية) وقطرة واحدة من محلول العدسات اللاصقة OPTI-FREE Puremoist (شركة ألكون، فود، تكساس، الولايات المتحدة الأمريكية) عند سطح التماس بين الهيدروجيل ومسبار المجهر الذري للقوة.
تمت معاينة عينات من ركائز Lehfilcon A CL وSiHy باستخدام نظام مجهر المسح الإلكتروني ذي الانبعاث الميداني FEI Quanta 250 (FEG SEM) المزود بكاشف مجهر المسح الإلكتروني النافذ (STEM). ولتحضير العينات، غُسلت العدسات أولاً بالماء وقُطعت إلى أجزاء مثلثة. ولتحقيق تباين تفاضلي بين المكونات المحبة للماء والكارهة للماء في العينات، استُخدم محلول RuO4 مُثبَّت بنسبة 0.10% كصبغة، حيث غُمرت العينات فيه لمدة 30 دقيقة. يُعد تلوين Lehfilcon A CL بـ RuO4 مهمًا ليس فقط لتحسين التباين التفاضلي، بل يُساعد أيضًا في الحفاظ على بنية فرش البوليمر المتفرعة في شكلها الأصلي، والتي تظهر بوضوح في صور STEM. بعد ذلك، غُسلت العينات وجُففت في سلسلة من مخاليط الإيثانول/الماء بتراكيز متزايدة من الإيثانول. تم صبّ العينات باستخدام راتنج الإيبوكسي EMBed 812/Araldite، الذي تم معالجته طوال الليل عند درجة حرارة 70 درجة مئوية. قُطعت قوالب العينات المُحضّرة ببلمرة الراتنج باستخدام مجهر دقيق للغاية، وتم تصوير المقاطع الرقيقة الناتجة باستخدام كاشف STEM في وضع فراغ منخفض عند جهد تسريع 30 كيلو فولت. استُخدم نظام SEM نفسه لإجراء توصيف دقيق لمسبار AFM من نوع PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano، سانتا باربرا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية). تم الحصول على صور SEM لمسبار AFM في وضع فراغ عالٍ نموذجي بجهد تسريع 30 كيلو فولت. تم التقاط الصور بزوايا وتكبيرات مختلفة لتسجيل جميع تفاصيل شكل وحجم طرف مسبار AFM. تم قياس جميع أبعاد الطرف المهمة في الصور رقميًا.
استُخدم مجهر القوة الذرية Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano، سانتا باربرا، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية) مع وضع "PeakForce QNM in Fluid" لتصوير وقياس صلابة عينات من مادة lehfilcon A CL، وركيزة SiHy، وهيدروجيل PAAm. ولإجراء تجارب التصوير، استُخدم مسبار PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) بنصف قطر طرف اسمي يبلغ 1 نانومتر لالتقاط صور عالية الدقة للعينات بمعدل مسح 0.50 هرتز. وقد التُقطت جميع الصور في محلول مائي.
أُجريت تجارب قياس الصلابة النانوية باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) ومسبار PFQNM-LC-A-CAL (بروكير). يتميز مسبار AFM برأس سيليكوني مثبت على ناتئ من النيتريد بسمك 345 نانومتر، وطول 54 ميكرومتر، وعرض 4.5 ميكرومتر، بتردد رنين 45 كيلوهرتز. صُمم هذا المسبار خصيصًا لتوصيف وإجراء قياسات ميكانيكية نانوية كمية على عينات بيولوجية لينة. تتم معايرة المجسات بشكل فردي في المصنع باستخدام إعدادات زنبركية مُعايرة مسبقًا. تراوحت ثوابت الزنبرك للمجسات المستخدمة في هذه الدراسة بين 0.05 و0.1 نيوتن/متر. ولتحديد شكل وحجم الرأس بدقة، تم توصيف المسبار بالتفصيل باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM). يوضح الشكل 1أ صورة مجهرية إلكترونية ماسحة عالية الدقة ومنخفضة التكبير لمسبار PFQNM-LC-A-CAL، مما يوفر نظرة شاملة لتصميم المسبار. يُظهر الشكل 1ب صورة مكبّرة لرأس المسبار، مُقدّماً معلومات حول شكله وحجمه. في أقصى طرفه، يكون المسبار على شكل نصف كرة قطرها حوالي 140 نانومتر (الشكل 1ج). أسفل هذا الشكل، يتناقص قطر رأس المسبار تدريجياً ليُصبح مخروطياً، ليصل طوله المقاس إلى حوالي 500 نانومتر. خارج منطقة التناقص التدريجي، يكون رأس المسبار أسطوانياً وينتهي بطول إجمالي يبلغ 1.18 ميكرومتر. هذا هو الجزء الوظيفي الرئيسي من رأس المسبار. بالإضافة إلى ذلك، استُخدم مسبار كروي كبير من البوليسترين (PS) (شركة نوفاسكان تكنولوجيز، بون، أيوا، الولايات المتحدة الأمريكية) بقطر رأس يبلغ 45 ميكرومتر وثابت مرونة 2 نيوتن/متر لاختباره كمسبار غرواني، وذلك للمقارنة مع مسبار PFQNM-LC-A-CAL بقطر 140 نانومتر.
أُفيد بأن السائل قد ينحصر بين مسبار المجهر الذري الماسح (AFM) وبنية فرشاة البوليمر أثناء اختبار النانو-انضغاط، مما يُسلط قوةً صاعدةً على المسبار قبل ملامسته السطح فعليًا.⁶⁹ يُمكن أن يُغير تأثير البثق اللزج الناتج عن احتباس السائل نقطة التلامس الظاهرية، وبالتالي يؤثر على قياسات معامل المرونة السطحية. لدراسة تأثير هندسة المسبار وسرعة الانضغاط على احتباس السائل، رُسمت منحنيات قوة الانضغاط لعينات عدسات ليفيلكون A باستخدام مسبار قطره 140 نانومتر عند معدلات إزاحة ثابتة تبلغ 1 ميكرومتر/ثانية و2 ميكرومتر/ثانية. أُجريت تجارب أخرى باستخدام مسبار قطره 140 نانومتر عند سرعة انضغاط 1 ميكرومتر/ثانية وقوة ثابتة 300 بيكو نيوتن، تم اختيارها لتوليد ضغط تلامس ضمن النطاق الفسيولوجي (1-8 كيلو باسكال) للجفن العلوي. تم اختبار عينات جاهزة ناعمة من هيدروجيل PAA بضغط 1 كيلو باسكال لقوة انضغاط 50 بيكو نيوتن بسرعة 1 ميكرومتر/ثانية باستخدام مسبار بقطر 140 نانومتر.
بما أن طول الجزء المخروطي من طرف مسبار PFQNM-LC-A-CAL يبلغ حوالي 500 نانومتر، فإنه لأي عمق انضغاط أقل من 500 نانومتر، يمكن افتراض أن هندسة المسبار أثناء الانضغاط ستحافظ على شكلها المخروطي. إضافةً إلى ذلك، يُفترض أن سطح المادة قيد الاختبار سيُظهر استجابة مرنة قابلة للانعكاس، وهو ما سيتم تأكيده في الأقسام اللاحقة. لذلك، وبناءً على شكل وحجم الطرف، اخترنا نموذج مطابقة المخروط الكروي الذي طوره بريسكو، سيباستيان، وآدامز، والمتوفر في برنامج الشركة المصنعة، لمعالجة تجارب الانضغاط النانوي باستخدام مجهر القوة الذرية (NanoScope). (برنامج تحليل بيانات الفصل، Bruker) 73. يصف النموذج علاقة القوة بالإزاحة F(δ) لمخروط ذي عيب في قمته الكروية. في الشكل. يوضح الشكل 2 هندسة التلامس أثناء تفاعل مخروط صلب مع طرف كروي، حيث R هو نصف قطر الطرف الكروي، وa هو نصف قطر التلامس، وb هو نصف قطر التلامس عند نهاية الطرف الكروي، وδ هو عمق الانضغاط، وθ هي نصف زاوية المخروط. تُظهر صورة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لهذا المسبار بوضوح أن الطرف الكروي بقطر 140 نانومتر يندمج مماسيًا مع المخروط، لذا يُعرَّف b هنا فقط من خلال R، أي b = R cos θ. يوفر البرنامج المُرفق من قِبل المُصنِّع علاقة بين المخروط والكرة لحساب قيم معامل يونغ (E) من بيانات فصل القوة بافتراض أن a > b. العلاقة:
حيث F هي قوة الانضغاط، وE هو معامل يونغ، وν هي نسبة بواسون. ويمكن تقدير نصف قطر التلامس a باستخدام:
مخطط هندسة التلامس لمخروط صلب ذي طرف كروي مضغوط في مادة عدسة لاصقة من نوع Lefilcon ذات طبقة سطحية من فرش البوليمر المتفرعة.
إذا كان a ≤ b، فإن العلاقة تختزل إلى معادلة أداة الضغط الكروية التقليدية؛
نعتقد أن تفاعل مسبار الضغط مع البنية المتفرعة لفرشاة بوليمر PMPC سيؤدي إلى أن يكون نصف قطر التلامس a أكبر من نصف قطر التلامس الكروي b. لذلك، بالنسبة لجميع القياسات الكمية لمعامل المرونة التي أجريت في هذه الدراسة، استخدمنا العلاقة التي تم الحصول عليها في حالة a > b.
تم تصوير المواد فائقة النعومة المحاكية للطبيعة، التي دُرست في هذه الدراسة، تصويرًا شاملًا باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) للمقطع العرضي للعينة، ومجهر القوة الذرية (AFM) للسطح. أُجري هذا التوصيف السطحي المفصل كامتداد لعملنا المنشور سابقًا، والذي حددنا فيه أن بنية الفرشاة البوليمرية المتفرعة ديناميكيًا لسطح عدسة lehfilcon A CL المُعدلة بـ PMPC تُظهر خصائص ميكانيكية مشابهة لنسيج القرنية الطبيعي¹⁴. لهذا السبب، نشير إلى أسطح العدسات اللاصقة باسم المواد المحاكية للطبيعة¹⁴. يوضح الشكلان 3أ و3ب مقاطع عرضية لبنية فرشاة بوليمر PMPC المتفرعة على سطح ركيزة عدسة lehfilcon A CL وركيزة SiHy غير المعالجة، على التوالي. تم تحليل أسطح كلتا العينتين بشكل إضافي باستخدام صور AFM عالية الدقة، مما أكد نتائج تحليل STEM (الشكلان 3ج و3د). تُعطي هذه الصور مجتمعةً طولًا تقريبيًا لبنية فرشاة البوليمر المتفرعة PMPC يتراوح بين 300 و400 نانومتر، وهو أمر بالغ الأهمية لتفسير قياسات النانوية باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM). ومن الملاحظات الرئيسية الأخرى المستخلصة من الصور أن البنية السطحية العامة للمادة المحاكية للخلايا البائية تختلف شكليًا عن بنية مادة الركيزة SiHy. ويمكن أن يظهر هذا الاختلاف في مورفولوجيا السطح بوضوح أثناء تفاعلهما الميكانيكي مع مسبار مجهر القوة الذرية، وبالتالي في قيم معامل المرونة المقاسة.
صور مقطعية مجهرية إلكترونية ماسحة (STEM) لـ (أ) طبقة ليفيلكون A CL و (ب) ركيزة SiHy. مقياس الرسم: 500 نانومتر. صور مجهرية للقوة الذرية (AFM) لسطح ركيزة ليفيلكون A CL (ج) وركيزة SiHy الأساسية (د) (3 ميكرومتر × 3 ميكرومتر).
تتميز البوليمرات المستوحاة من الطبيعة وهياكل فرشاة البوليمر بنعومتها المتأصلة، وقد خضعت لدراسات واسعة النطاق واستُخدمت في تطبيقات طبية حيوية متنوعة^{74،75،76،77}. لذا، يُعد استخدام طريقة قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري للقوة (AFM) أمرًا بالغ الأهمية، إذ تُتيح قياس خصائصها الميكانيكية بدقة وموثوقية. مع ذلك، فإن الخصائص الفريدة لهذه المواد فائقة النعومة، مثل معامل المرونة المنخفض للغاية، والمحتوى السائل العالي، والمرونة العالية، غالبًا ما تُصعّب اختيار المادة والشكل والحجم المناسبين لمسبار القياس. يُعد هذا الأمر ضروريًا لضمان عدم اختراق المسبار للسطح الناعم للعينة، مما قد يؤدي إلى أخطاء في تحديد نقطة التلامس مع السطح ومساحة التلامس.
لذا، يُعدّ الفهم الشامل لبنية المواد الحيوية فائقة النعومة (ليفيلكون A CL) أمرًا بالغ الأهمية. توفر المعلومات المتعلقة بحجم وبنية فرش البوليمر المتفرعة، التي يتم الحصول عليها باستخدام طريقة التصوير، الأساسَ للتحليل الميكانيكي للسطح باستخدام تقنيات النانو-انضغاط المجهري للقوة الذرية. وبدلًا من المجسات الغروانية الكروية ذات الحجم الميكروني، اخترنا مجس نيتريد السيليكون PFQNM-LC-A-CAL (بروكير) بقطر طرف يبلغ 140 نانومترًا، والمصمم خصيصًا للرسم الكمي للخواص الميكانيكية للعينات البيولوجية 78، 79، 80، 81، 82، 83، 84. ويمكن تفسير استخدام مجسات حادة نسبيًا مقارنةً بالمجسات الغروانية التقليدية بالخصائص البنيوية للمادة. بمقارنة حجم رأس المسبار (حوالي ١٤٠ نانومترًا) مع فرش البوليمر المتفرعة على سطح CL lehfilcon A، كما هو موضح في الشكل ٣أ، يمكن استنتاج أن الرأس كبير بما يكفي للتلامس المباشر مع هذه البنى الفرشية، مما يقلل من احتمالية اختراق الرأس لها. ولتوضيح هذه النقطة، يُظهر الشكل ٤ صورة مجهرية إلكترونية ماسحة ناقلة (STEM) لـ lehfilcon A CL ورأس مسبار المجهر الذري الماسح (AFM) (مرسومة وفقًا للمقياس).
رسم تخطيطي يوضح صورة STEM لـ lehfilcon A CL ومسبار ACM للضغط (مرسوم وفقًا للمقياس).
بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم رأس المسبار البالغ 140 نانومتر صغير بما يكفي لتجنب أي من مخاطر تأثيرات البثق اللزج التي سبق الإبلاغ عنها في فرش البوليمر المنتجة بطريقة النانو-انضغاط باستخدام مجهر القوة الذرية CP-AFM^69,71. نفترض أنه نظرًا للشكل المخروطي الكروي الخاص وحجم رأس مجهر القوة الذرية الصغير نسبيًا (الشكل 1)، فإن طبيعة منحنى القوة الناتج عن النانو-انضغاط لـ lehfilcon A CL لن تعتمد على سرعة الانضغاط أو سرعة التحميل/التفريغ. وبالتالي، فهو لا يتأثر بتأثيرات المرونة المسامية. ولاختبار هذه الفرضية، تم انضغاط عينات lehfilcon A CL بقوة قصوى ثابتة باستخدام مسبار PFQNM-LC-A-CAL، ولكن بسرعتين مختلفتين، واستُخدمت منحنيات قوة الشد والارتداد الناتجة لرسم القوة (نانو نيوتن) في المسافة (ميكرومتر)، كما هو موضح في الشكل 5أ. من الواضح أن منحنيات القوة أثناء التحميل والتفريغ تتطابق تمامًا، ولا يوجد دليل واضح على أن قص القوة عند عمق انضغاط صفري يزداد مع سرعة الانضغاط في الشكل، مما يشير إلى أن عناصر الفرشاة الفردية تم توصيفها دون تأثير المرونة المسامية. في المقابل، تظهر تأثيرات احتباس السوائل (تأثيرات البثق اللزج والمرونة المسامية) بوضوح لمسبار المجهر الذري ذي القطر 45 ميكرومتر عند نفس سرعة الانضغاط، وتبرز من خلال التخلف بين منحنيات التمدد والانكماش، كما هو موضح في الشكل 5ب. تدعم هذه النتائج الفرضية وتشير إلى أن المجسات ذات القطر 140 نانومتر تُعد خيارًا جيدًا لتوصيف هذه الأسطح اللينة.
منحنيات قوة الانضغاط لمادة lehfilcon A CL باستخدام ACM؛ (أ) باستخدام مسبار بقطر 140 نانومتر عند معدلي تحميل مختلفين، مما يدل على غياب تأثير المرونة المسامية أثناء انضغاط السطح؛ (ب) باستخدام مسابير بقطر 45 ميكرومتر و140 نانومتر. توضح هذه المنحنيات تأثيرات البثق اللزج والمرونة المسامية للمسابير الكبيرة مقارنةً بالمسابير الأصغر.
لتوصيف الأسطح فائقة النعومة، يجب أن تمتلك طرق قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري (AFM) أفضل مسبار لدراسة خصائص المادة قيد الدراسة. بالإضافة إلى شكل وحجم رأس المسبار، تلعب حساسية نظام كاشف المجهر الذري، وحساسيته لانحراف رأس المسبار في بيئة الاختبار، وصلابة ذراع المسبار، دورًا هامًا في تحديد دقة وموثوقية قياسات الصلابة النانوية. بالنسبة لنظام المجهر الذري الخاص بنا، يبلغ حد الكشف لكاشف الموضع الحساس (PSD) حوالي 0.5 ملي فولت، ويستند إلى معدل الزنبرك المُعاير مسبقًا وحساسية انحراف السائل المحسوبة لمسبار PFQNM-LC-A-CAL، والتي تتوافق مع حساسية الحمل النظرية، وهي أقل من 0.1 بيكو نيوتن. لذلك، تسمح هذه الطريقة بقياس قوة انضغاط دنيا ≤ 0.1 بيكو نيوتن دون أي مكون ضوضاء محيطية. مع ذلك، يكاد يكون من المستحيل على نظام المجهر الذري تقليل الضوضاء المحيطية إلى هذا المستوى بسبب عوامل مثل الاهتزاز الميكانيكي وديناميكيات السوائل. تُحدّ هذه العوامل من الحساسية الإجمالية لطريقة قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري للقوة (AFM)، كما تُؤدي إلى إشارة ضوضاء خلفية تُقارب 10 بيكو نيوتن. ولتوصيف السطح، تم قياس صلابة عينات من مادة lehfilcon A CL وركيزة SiHy في ظروف ترطيب كاملة باستخدام مسبار قطره 140 نانومتر لفحصها بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وتمت مطابقة منحنيات القوة الناتجة بين القوة (بيكو نيوتن) والضغط. يظهر مخطط الفصل (ميكرومتر) في الشكل 6أ. بالمقارنة مع ركيزة SiHy الأساسية، يُظهر منحنى قوة lehfilcon A CL بوضوح مرحلة انتقالية تبدأ عند نقطة التلامس مع فرشاة البوليمر المتشعبة وتنتهي بتغير حاد في الميل يُشير إلى تلامس رأس المسبار مع المادة الأساسية. يُبرز هذا الجزء الانتقالي من منحنى القوة السلوك المرن الحقيقي لفرشاة البوليمر المتفرعة على السطح، كما يتضح من منحنى الضغط الذي يتبع منحنى الشد بدقة، والتباين في الخصائص الميكانيكية بين بنية الفرشاة ومادة SiHy الضخمة. عند مقارنة lefilcon. يُظهر الشكل 3أ فصل متوسط ​​طول فرشاة البوليمر المتفرعة في صورة المجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) لجهاز PCS، ومنحنى القوة الخاص بها على طول المحور الأفقي. كما يُظهر الشكل 6أ قدرة الطريقة على رصد طرف الإبرة والبوليمر المتفرع حتى أعلى السطح، مما يدل على وجود تلامس بين هياكل الفرشاة. بالإضافة إلى ذلك، يشير التداخل الوثيق لمنحنيات القوة إلى عدم وجود تأثير لاحتجاز السائل. في هذه الحالة، لا يوجد أي التصاق بين الإبرة وسطح العينة. تتداخل الأجزاء العلوية من منحنيات القوة للعينتين، مما يعكس تشابه الخصائص الميكانيكية لمواد الركيزة.
(أ) منحنيات قوة النانوية AFM لركائز lehfilcon A CL وركائز SiHy، (ب) منحنيات القوة التي توضح تقدير نقطة الاتصال باستخدام طريقة عتبة الضوضاء الخلفية.
لدراسة تفاصيل منحنى القوة بدقة أكبر، أُعيد رسم منحنى الشد لعينة ليفيلكون A CL في الشكل 6ب، مع قوة قصوى تبلغ 50 بيكو نيوتن على المحور الصادي. يوفر هذا الرسم البياني معلومات مهمة حول الضوضاء الخلفية الأصلية، والتي تتراوح بين ±10 بيكو نيوتن، وتُستخدم لتحديد نقطة التلامس بدقة وحساب عمق الانضغاط. وكما ورد في الأدبيات، يُعد تحديد نقاط التلامس أمرًا بالغ الأهمية لتقييم خصائص المادة بدقة، مثل معامل المرونة⁸⁵. وقد أظهر نهج يتضمن المعالجة الآلية لبيانات منحنى القوة تحسنًا في التوافق بين مطابقة البيانات والقياسات الكمية للمواد اللينة⁸⁶. في هذا العمل، كان اختيارنا لنقاط التلامس بسيطًا وموضوعيًا نسبيًا، ولكنه لا يخلو من بعض القيود. قد يؤدي نهجنا المتحفظ في تحديد نقطة التلامس إلى تقدير قيم معامل المرونة بشكل مبالغ فيه قليلًا عند أعماق انضغاط صغيرة (< 100 نانومتر). ويمكن أن يكون استخدام الكشف عن نقاط التلامس القائم على الخوارزميات والمعالجة الآلية للبيانات امتدادًا لهذا العمل في المستقبل لتحسين طريقتنا بشكل أكبر. وبالتالي، بالنسبة للضوضاء الخلفية الذاتية في حدود ±10 بيكو نيوتن، نُعرّف نقطة التلامس بأنها أول نقطة بيانات على المحور السيني في الشكل 6ب بقيمة ≥10 بيكو نيوتن. بعد ذلك، ووفقًا لعتبة الضوضاء البالغة 10 بيكو نيوتن، يُشير خط عمودي عند مستوى ~0.27 ميكرومتر إلى نقطة التلامس مع السطح، وبعدها يستمر منحنى التمدد حتى يصل الركيزة إلى عمق انضغاط يبلغ ~270 نانومتر. ومن المثير للاهتمام، أنه بناءً على حجم خصائص فرشاة البوليمر المتفرعة (300-400 نانومتر) المقاسة باستخدام طريقة التصوير، فإن عمق انضغاط عينة CL lehfilcon A المُلاحظة باستخدام طريقة عتبة الضوضاء الخلفية يبلغ حوالي 270 نانومتر، وهو قريب جدًا من حجم القياس باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM). تؤكد هذه النتائج أيضًا توافق شكل وحجم طرف مسبار المجهر الذري الماسح (AFM) وقابليتهما للتطبيق في انضغاط بنية فرشاة البوليمر المتفرعة شديدة الليونة والمرونة. تُقدّم هذه البيانات أيضاً دليلاً قوياً يدعم منهجنا في استخدام الضوضاء الخلفية كعتبة لتحديد نقاط التلامس بدقة. وبالتالي، ينبغي أن تكون أي نتائج كمية مُستخلصة من النمذجة الرياضية ومطابقة منحنى القوة دقيقة نسبياً.
تعتمد القياسات الكمية باستخدام طرق النانو-انضغاط بتقنية المجهر الذري (AFM) اعتمادًا كليًا على النماذج الرياضية المستخدمة لاختيار البيانات وتحليلها لاحقًا. لذا، من المهم مراعاة جميع العوامل المتعلقة باختيار أداة الانضغاط، وخصائص المادة، وآلية تفاعلها قبل اختيار نموذج معين. في هذه الحالة، تم توصيف هندسة رأس أداة الانضغاط بدقة باستخدام صور المجهر الإلكتروني الماسح (الشكل 1)، وبناءً على النتائج، يُعد مسبار النانو-انضغاط بتقنية المجهر الذري (AFM) بقطر 140 نانومتر، ذو المخروط الصلب والرأس الكروي، خيارًا مناسبًا لتوصيف عينات ليفيلكون A CL79. ومن العوامل المهمة الأخرى التي يجب تقييمها بدقة مرونة مادة البوليمر قيد الاختبار. فعلى الرغم من أن البيانات الأولية للانضغاط النانوي (الشكلان 5أ و6أ) تُظهر بوضوح خصائص تداخل منحنيات الشد والضغط، أي استعادة المادة لمرونتها الكاملة، إلا أنه من الضروري للغاية التأكد من الطبيعة المرنة البحتة للتلامس. لتحقيق هذه الغاية، أُجريت عمليتا ضغط متتاليتان في نفس الموضع على سطح عينة ليفيلكون A CL بمعدل ضغط 1 ميكرومتر/ثانية في ظل ظروف ترطيب كاملة. تُظهر بيانات منحنى القوة الناتجة في الشكل 7، وكما هو متوقع، فإن منحنيات التمدد والانضغاط للعينتين متطابقة تقريبًا، مما يُبرز المرونة العالية لبنية فرشاة البوليمر المتفرعة.
يشير منحنيان لقوة الانضغاط في نفس الموقع على سطح عدسة lehfilcon A CL إلى المرونة المثالية لسطح العدسة.
استنادًا إلى المعلومات المستقاة من صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني الماسح النافذ (STEM) لرأس المجس وسطح مادة ليفيلكون A CL على التوالي، يُعد نموذج المخروط الكروي تمثيلًا رياضيًا مناسبًا للتفاعل بين رأس مجس المجهر الذري الماسح (AFM) ومادة البوليمر اللينة قيد الاختبار. علاوة على ذلك، بالنسبة لهذا النموذج، تنطبق الافتراضات الأساسية المتعلقة بالخواص المرنة للمادة المطبوعة على هذه المادة المحاكية الحيوية الجديدة، وتُستخدم لتحديد معامل المرونة كميًا.
بعد تقييم شامل لطريقة قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري (AFM) ومكوناتها، بما في ذلك خصائص مسبار القياس (الشكل والحجم وصلابة الزنبرك)، والحساسية (الضوضاء الخلفية وتقدير نقطة التلامس)، ونماذج مطابقة البيانات (قياسات معامل المرونة الكمية)، تم استخدام هذه الطريقة لتوصيف عينات فائقة النعومة متوفرة تجاريًا للتحقق من النتائج الكمية. تم اختبار هيدروجيل بولي أكريلاميد (PAAM) تجاري بمعامل مرونة 1 كيلو باسكال في ظروف ترطيب باستخدام مسبار قطره 140 نانومتر. تتوفر تفاصيل اختبار معامل المرونة والحسابات في المعلومات التكميلية. أظهرت النتائج أن متوسط ​​معامل المرونة المقاس كان 0.92 كيلو باسكال، وأن الانحراف المعياري النسبي (%RSD) والانحراف المئوي (%) عن معامل المرونة المعروف كانا أقل من 10%. تؤكد هذه النتائج دقة وقابلية تكرار طريقة قياس الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري (AFM) المستخدمة في هذا العمل لقياس معاملات مرونة المواد فائقة النعومة. تمت دراسة أسطح عينات lehfilcon A CL والركيزة الأساسية SiHy باستخدام طريقة قياس الصلابة النانوية بالمجهر الذري (AFM) لدراسة معامل التلامس الظاهري للسطح فائق النعومة كدالة لعمق الاختراق. تم إنشاء منحنيات فصل قوة الاختراق لثلاث عينات من كل نوع (n = 3؛ اختراق واحد لكل عينة) بقوة 300 بيكو نيوتن، وسرعة 1 ميكرومتر/ثانية، وترطيب كامل. تم تقريب منحنى مشاركة قوة الاختراق باستخدام نموذج المخروط الكروي. وللحصول على معامل يعتمد على عمق الاختراق، تم تحديد جزء بعرض 40 نانومتر من منحنى القوة عند كل زيادة قدرها 20 نانومتر بدءًا من نقطة التلامس، وتم قياس قيم المعامل عند كل خطوة من منحنى القوة. (Spin Cy et al.) استُخدم نهج مماثل لتوصيف تدرج معامل المرونة لفرش بوليمر بولي (ميثاكريلات لوريل) (P12MA) باستخدام تقنية النانو-انضغاط بواسطة مسبار المجهر الذري للقوة الغروية، وتتوافق النتائج مع البيانات المُستقاة من نموذج هيرتز للتلامس. يوفر هذا النهج رسمًا بيانيًا لمعامل التلامس الظاهري (كيلو باسكال) مقابل عمق الانضغاط (نانومتر)، كما هو موضح في الشكل 8، والذي يُبين تدرج معامل التلامس الظاهري/العمق. يتراوح معامل المرونة المحسوب لعينة CL lehfilcon A بين 2 و3 كيلو باسكال ضمن أول 100 نانومتر من العينة، وبعدها يبدأ بالازدياد مع العمق. من ناحية أخرى، عند اختبار الركيزة الأساسية SiHy بدون طبقة شبيهة بالفرشاة على السطح، يكون أقصى عمق انضغاط مُحقق عند قوة 300 بيكو نيوتن أقل من 50 نانومتر، وقيمة معامل المرونة المُستخلصة من البيانات حوالي 400 كيلو باسكال، وهي قيمة تُقارن بقيم معامل يونغ للمواد الصلبة.
معامل التلامس الظاهري (كيلو باسكال) مقابل عمق الانضغاط (نانومتر) لركائز lehfilcon A CL و SiHy باستخدام طريقة الانضغاط النانوي AFM مع هندسة المخروط الكروي لقياس المعامل.
يُظهر السطح العلوي لبنية فرشاة البوليمر المتفرعة المحاكية للأنظمة الحيوية معامل مرونة منخفضًا للغاية (2-3 كيلو باسكال). ويتوافق هذا مع الطرف الحر المتدلي لفرشاة البوليمر المتفرعة كما هو موضح في صورة المجهر الإلكتروني الماسح النافذ. ورغم وجود بعض الدلائل على تدرج في معامل المرونة عند الحافة الخارجية للطبقة السطحية، إلا أن الركيزة الرئيسية ذات معامل المرونة العالي هي الأكثر تأثيرًا. ومع ذلك، فإن الطبقة العلوية التي لا تتجاوز 100 نانومتر من السطح تقع ضمن 20% من الطول الكلي لفرشاة البوليمر المتفرعة، لذا فمن المعقول افتراض أن القيم المقاسة لمعامل المرونة في نطاق عمق الانضغاط هذا دقيقة نسبيًا ولا تعتمد بشكل كبير على تأثير الجسم الموجود أسفلها.
نظراً للتصميم الحيوي الفريد لعدسات ليفيلكون A اللاصقة، والمكونة من هياكل فرشاة بوليمر PMPC متفرعة مُطعّمة على سطح ركائز SiHy، يصعب تحديد الخصائص الميكانيكية لهياكل سطحها بدقة باستخدام طرق القياس التقليدية. نقدم هنا طريقة متقدمة للقياس النانوي باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) لتوصيف المواد فائقة النعومة مثل ليفيلكون A بدقة، والتي تتميز بمحتوى مائي عالٍ ومرونة فائقة. تعتمد هذه الطريقة على استخدام مسبار AFM، حيث يتم اختيار حجم طرفه وشكله الهندسي بعناية ليتناسب مع الأبعاد الهيكلية لخصائص السطح فائقة النعومة المراد قياسها. يوفر هذا التوافق بين أبعاد المسبار والهيكل حساسية عالية، مما يسمح لنا بقياس معامل المرونة المنخفض والخصائص المرنة الكامنة لعناصر فرشاة البوليمر المتفرعة، بغض النظر عن تأثيرات المرونة المسامية. أظهرت النتائج أن فرش بوليمر PMPC المتفرعة الفريدة، والتي تميز سطح العدسة، تتمتع بمعامل مرونة منخفض للغاية (يصل إلى 2 كيلو باسكال) ومرونة عالية جداً (تقارب 100%) عند اختبارها في بيئة مائية. سمحت لنا نتائج اختبار الصلابة النانوية باستخدام المجهر الذري الماسح (AFM) بتحديد تدرج معامل التلامس الظاهري/العمق (30 كيلو باسكال/200 نانومتر) لسطح العدسة المحاكية بيولوجيًا. قد يعود هذا التدرج إلى اختلاف معامل المرونة بين فرش البوليمر المتفرعة وركيزة السيليكون هيدروكلوريد (SiHy)، أو إلى بنية التفرع/كثافة فرش البوليمر، أو مزيج من الاثنين. مع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات المعمقة لفهم العلاقة بين البنية والخصائص فهمًا كاملًا، ولا سيما تأثير تفرع الفرش على الخصائص الميكانيكية. يمكن أن تساعد قياسات مماثلة في تحديد الخصائص الميكانيكية لسطح مواد فائقة النعومة أخرى وأجهزة طبية.
تتوفر مجموعات البيانات التي تم إنشاؤها و/أو تحليلها خلال الدراسة الحالية من المؤلفين المعنيين عند الطلب المعقول.
رحمتي، م.، سيلفا، إي. أ.، ريسلاند، ج. إي.، هايوارد، ك.، وهاوجن، هـ. ج. التفاعلات البيولوجية مع الخصائص الفيزيائية والكيميائية لأسطح المواد الحيوية. الجمعية الكيميائية. الطبعة 49، 5178-5224 (2020).
تشين، إف إم وليو، إكس. تحسين المواد الحيوية المشتقة من الإنسان لهندسة الأنسجة. البرمجة. البوليمر. العلوم. 53، 86 (2016).
سادتلر، ك. وآخرون. تصميم المواد الحيوية وتطبيقها السريري والاستجابة المناعية لها في الطب التجديدي. المجلة الوطنية للمواد 1، 16040 (2016).
أوليفر دبليو كيه وفار جي إم طريقة محسنة لتحديد الصلابة ومعامل المرونة باستخدام تجارب الانضغاط مع قياسات الحمل والإزاحة. مجلة خزانات التخزين التابعة لجامعة ألما ماتير. 7، 1564-1583 (2011).
والي، إس إم. الأصول التاريخية لاختبار صلابة الانضغاط. ألما ماتر. العلوم. التقنيات. 28، 1028-1044 (2012).
برويتمان، إي. قياسات صلابة الانضغاط على المستوى العياني والميكروي والنانوي: مراجعة نقدية. ترايب. رايت. 65، 1-18 (2017).
كوفمان، جيه دي وكلابيريتش، إس إم. أخطاء الكشف عن السطح تؤدي إلى المبالغة في تقدير معامل المرونة في اختبار الصلابة النانوية للمواد اللينة. مجلة الميكانيكا والسلوك والعلوم الطبية الحيوية. الجامعة الأم. 2، 312-317 (2009).
كريم زاده أ.، كولور إس إس آر، آية اللهخي إم آر، بشروا إيه آر، ويحيى إم يو. تقييم طريقة النانو-انضغاط لتحديد الخصائص الميكانيكية للمركبات النانوية غير المتجانسة باستخدام الطرق التجريبية والحسابية. مجلة العلوم. هاوس 9، 15763 (2019).
ليو، ك.، فانليندينغهام، إم آر، وأوارت، تي إس. الخصائص الميكانيكية للهلامات المرنة اللزجة الناعمة عن طريق الانضغاط وتحليل العناصر المحدودة العكسي القائم على التحسين. مجلة الميكانيكا والسلوك والعلوم الطبية الحيوية. مجلة الجامعة الأم. 2، 355-363 (2009).
Andrews JW, Bowen J and Chaneler D. Optimization of viscoelasticity determination using compatible measurement systems. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
بريسكو، بي جيه، فيوري، إل. وبيللو، إي. اختبار الصلابة النانوية للأسطح البوليمرية. مجلة الفيزياء. د. تطبيقات الفيزياء. 31، 2395 (1998).
ميايلوفيتش إيه إس، تسين بي، فورتوناتو دي، وفان فليت كيه جيه. توصيف الخصائص الميكانيكية المرنة اللزجة للبوليمرات عالية المرونة والأنسجة البيولوجية باستخدام اختبار الصدمة. مجلة المواد الحيوية. 71، 388-397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM تقييم معامل المرونة وقوة الالتصاق للمواد اللينة باستخدام طريقة Borodich-Galanov (BG) الموسعة والضغط العميق. fur. alma mater. 129، 198-213 (2019).
شي، إكس. وآخرون. مورفولوجيا النانو وخواص ميكانيكية للأسطح البوليمرية المحاكية بيولوجيًا لعدسات السيليكون الهيدروجيل اللاصقة. لانغمير 37، 13961-13967 (2021).