Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Χρησιμοποιείτε μια έκδοση προγράμματος περιήγησης με περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη Λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Επιπλέον, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, εμφανίζουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Εμφανίζει ένα καρουζέλ τριών διαφανειών ταυτόχρονα. Χρησιμοποιήστε τα κουμπιά Προηγούμενο και Επόμενο για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά ή χρησιμοποιήστε τα κουμπιά ρυθμιστικού στο τέλος για να μετακινηθείτε σε τρεις διαφάνειες κάθε φορά.
Με την ανάπτυξη νέων εξαιρετικά μαλακών υλικών για ιατρικές συσκευές και βιοϊατρικές εφαρμογές, ο ολοκληρωμένος χαρακτηρισμός των φυσικών και μηχανικών τους ιδιοτήτων είναι σημαντικός και απαιτητικός. Μια τροποποιημένη τεχνική νανοεσοχής μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM) εφαρμόστηκε για να χαρακτηρίσει το εξαιρετικά χαμηλό μέτρο επιφάνειας του νέου βιομιμητικού φακού επαφής υδρογέλης σιλικόνης lehfilcon A, επικαλυμμένου με ένα στρώμα διακλαδισμένων δομών βούρτσας πολυμερούς. Αυτή η μέθοδος επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό των σημείων επαφής χωρίς τις επιπτώσεις της ιξώδους εξώθησης κατά την προσέγγιση διακλαδισμένων πολυμερών. Επιπλέον, καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών μεμονωμένων στοιχείων βούρτσας χωρίς την επίδραση της ποροελαστικότητας. Αυτό επιτυγχάνεται επιλέγοντας έναν αισθητήρα AFM με σχεδιασμό (μέγεθος άκρης, γεωμετρία και ρυθμός ελατηρίου) που είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για τη μέτρηση των ιδιοτήτων μαλακών υλικών και βιολογικών δειγμάτων. Αυτή η μέθοδος βελτιώνει την ευαισθησία και την ακρίβεια για την ακριβή μέτρηση του πολύ μαλακού υλικού lehfilcon A, το οποίο έχει εξαιρετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας στην επιφάνεια (έως 2 kPa) και εξαιρετικά υψηλή ελαστικότητα στο εσωτερικό (σχεδόν 100%) υδατικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της μελέτης επιφάνειας όχι μόνο αποκάλυψαν τις εξαιρετικά μαλακές ιδιότητες της επιφάνειας του φακού lehfilcon A, αλλά έδειξαν επίσης ότι το μέτρο ελαστικότητας των διακλαδισμένων πολυμερών βουρτσών ήταν συγκρίσιμο με αυτό του υποστρώματος πυριτίου-υδρογόνου. Αυτή η τεχνική χαρακτηρισμού επιφάνειας μπορεί να εφαρμοστεί σε άλλα εξαιρετικά μαλακά υλικά και ιατρικές συσκευές.
Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών που έχουν σχεδιαστεί για άμεση επαφή με ζωντανούς ιστούς συχνά καθορίζονται από το βιολογικό περιβάλλον. Η τέλεια αντιστοίχιση αυτών των ιδιοτήτων του υλικού βοηθά στην επίτευξη των επιθυμητών κλινικών χαρακτηριστικών του υλικού χωρίς να προκαλούνται δυσμενείς κυτταρικές αποκρίσεις1,2,3. Για ογκώδη ομοιογενή υλικά, ο χαρακτηρισμός των μηχανικών ιδιοτήτων είναι σχετικά εύκολος λόγω της διαθεσιμότητας τυποποιημένων διαδικασιών και μεθόδων δοκιμών (π.χ. μικροεσοχή4,5,6). Ωστόσο, για εξαιρετικά μαλακά υλικά όπως γέλες, υδρογέλες, βιοπολυμερή, ζωντανά κύτταρα κ.λπ., αυτές οι μέθοδοι δοκιμών γενικά δεν είναι εφαρμόσιμες λόγω περιορισμών στην ανάλυση μέτρησης και της ανομοιογένειας ορισμένων υλικών7. Με την πάροδο των ετών, οι παραδοσιακές μέθοδοι εσοχής έχουν τροποποιηθεί και προσαρμοστεί για να χαρακτηρίσουν ένα ευρύ φάσμα μαλακών υλικών, αλλά πολλές μέθοδοι εξακολουθούν να πάσχουν από σοβαρές ελλείψεις που περιορίζουν τη χρήση τους8,9,10,11,12,13. Η έλλειψη εξειδικευμένων μεθόδων δοκιμών που μπορούν να χαρακτηρίσουν με ακρίβεια και αξιοπιστία τις μηχανικές ιδιότητες των εξαιρετικά μαλακών υλικών και των επιφανειακών στρωμάτων περιορίζει σοβαρά τη χρήση τους σε διάφορες εφαρμογές.
Στην προηγούμενη εργασία μας, παρουσιάσαμε τον φακό επαφής lehfilcon A (CL), ένα μαλακό ετερογενές υλικό με όλες τις εξαιρετικά μαλακές επιφανειακές ιδιότητες που προέρχονται από δυνητικά βιομιμητικά σχέδια εμπνευσμένα από την επιφάνεια του κερατοειδούς του ματιού. Αυτό το βιοϋλικό αναπτύχθηκε με τον εμβολιασμό ενός διακλαδισμένου, διασταυρωμένου πολυμερούς στρώματος πολυ(2-μεθακρυλοϋλοξυαιθυλοφωσφορυλοχολίνης (MPC)) (PMPC) σε μια υδρογέλη σιλικόνης (SiHy) 15 σχεδιασμένη για ιατρικές συσκευές που βασίζονται σε. Αυτή η διαδικασία εμβολιασμού δημιουργεί ένα στρώμα στην επιφάνεια που αποτελείται από μια πολύ μαλακή και εξαιρετικά ελαστική διακλαδισμένη πολυμερική δομή βούρτσας. Η προηγούμενη εργασία μας επιβεβαίωσε ότι η βιομιμητική δομή του lehfilcon A CL παρέχει ανώτερες επιφανειακές ιδιότητες, όπως βελτιωμένη πρόληψη διαβροχής και ρύπανσης, αυξημένη λιπαντικότητα και μειωμένη κυτταρική και βακτηριακή προσκόλληση 15,16. Επιπλέον, η χρήση και ανάπτυξη αυτού του βιομιμητικού υλικού υποδηλώνει επίσης περαιτέρω επέκταση σε άλλες βιοϊατρικές συσκευές. Επομένως, είναι κρίσιμο να χαρακτηριστούν οι επιφανειακές ιδιότητες αυτού του εξαιρετικά μαλακού υλικού και να κατανοηθεί η μηχανική του αλληλεπίδραση με το μάτι, προκειμένου να δημιουργηθεί μια ολοκληρωμένη βάση γνώσεων για την υποστήριξη μελλοντικών εξελίξεων και εφαρμογών. Οι περισσότεροι εμπορικά διαθέσιμοι φακοί επαφής SiHy αποτελούνται από ένα ομοιογενές μείγμα υδρόφιλων και υδρόφοβων πολυμερών που σχηματίζουν μια ομοιόμορφη δομή υλικού17. Έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες για τη διερεύνηση των μηχανικών τους ιδιοτήτων χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους δοκιμών συμπίεσης, εφελκυσμού και μικροεσοχής18,19,20,21. Ωστόσο, ο νέος βιομιμητικός σχεδιασμός του lehfilcon A CL το καθιστά ένα μοναδικό ετερογενές υλικό στο οποίο οι μηχανικές ιδιότητες των διακλαδισμένων δομών βούρτσας πολυμερούς διαφέρουν σημαντικά από εκείνες του υποστρώματος βάσης SiHy. Επομένως, είναι πολύ δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν με ακρίβεια αυτές οι ιδιότητες χρησιμοποιώντας συμβατικές μεθόδους και μεθόδους εσοχής. Μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί τη μέθοδο δοκιμής νανοεσοχής που εφαρμόζεται στην μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM), μια μέθοδο που έχει χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων μαλακών ιξωδοελαστικών υλικών όπως βιολογικά κύτταρα και ιστοί, καθώς και μαλακών πολυμερών22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Στη νανοεσοχή AFM, οι βασικές αρχές των δοκιμών νανοεσοχής συνδυάζονται με τις τελευταίες εξελίξεις στην τεχνολογία AFM για να παρέχουν αυξημένη ευαισθησία μέτρησης και δοκιμή ενός ευρέος φάσματος εγγενώς εξαιρετικά μαλακών υλικών31,32,33,34,35,36. Επιπλέον, η τεχνολογία προσφέρει και άλλα σημαντικά πλεονεκτήματα μέσω της χρήσης διαφορετικών γεωμετριών, εγκοπής και ανιχνευτή και της δυνατότητας δοκιμών σε διάφορα υγρά μέσα.
Η νανοεσοχή AFM μπορεί να χωριστεί υπό όρους σε τρία κύρια στοιχεία: (1) εξοπλισμός (αισθητήρες, ανιχνευτές, ανιχνευτές κ.λπ.)· (2) παράμετροι μέτρησης (όπως δύναμη, μετατόπιση, ταχύτητα, μέγεθος ράμπας κ.λπ.)· (3) επεξεργασία δεδομένων (διόρθωση γραμμής βάσης, εκτίμηση σημείου επαφής, προσαρμογή δεδομένων, μοντελοποίηση κ.λπ.). Ένα σημαντικό πρόβλημα με αυτήν τη μέθοδο είναι ότι αρκετές μελέτες στη βιβλιογραφία που χρησιμοποιούν νανοεσοχή AFM αναφέρουν πολύ διαφορετικά ποσοτικά αποτελέσματα για τον ίδιο τύπο δείγματος/κυττάρου/υλικού37,38,39,40,41. Για παράδειγμα, οι Lekka et al. Μελετήθηκε και συγκρίθηκε η επίδραση της γεωμετρίας του ανιχνευτή AFM στο μετρούμενο μέτρο ελαστικότητας Young δειγμάτων μηχανικά ομοιογενούς υδρογέλης και ετερογενών κυττάρων. Αναφέρουν ότι οι τιμές του μέτρου εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την επιλογή προβόλου και το σχήμα της άκρης, με την υψηλότερη τιμή για έναν ανιχνευτή σε σχήμα πυραμίδας και τη χαμηλότερη τιμή 42 για έναν σφαιρικό ανιχνευτή. Ομοίως, οι Selhuber-Unkel et al. Έχει αποδειχθεί πώς η ταχύτητα, το μέγεθος και το πάχος του εγκοπτήρα των δειγμάτων πολυακρυλαμιδίου (PAAM) επηρεάζουν το μέτρο ελαστικότητας Young που μετράται με νανοεσοχή ACM43. Ένας άλλος παράγοντας που περιπλέκει την κατάσταση είναι η έλλειψη τυπικών υλικών δοκιμών εξαιρετικά χαμηλού μέτρου ελαστικότητας και ελεύθερων διαδικασιών δοκιμών. Αυτό καθιστά πολύ δύσκολη την επίτευξη ακριβών αποτελεσμάτων με σιγουριά. Ωστόσο, η μέθοδος είναι πολύ χρήσιμη για σχετικές μετρήσεις και συγκριτικές αξιολογήσεις μεταξύ παρόμοιων τύπων δειγμάτων, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας νανοεσοχή AFM για τη διάκριση των φυσιολογικών κυττάρων από τα καρκινικά κύτταρα 44, 45.
Κατά τη δοκιμή μαλακών υλικών με νανοεσοχή AFM, ένας γενικός εμπειρικός κανόνας είναι η χρήση ενός ανιχνευτή με χαμηλή σταθερά ελατηρίου (k) που να ταιριάζει απόλυτα με το μέτρο ελαστικότητας του δείγματος και ημισφαιρική/στρογγυλή άκρη, έτσι ώστε ο πρώτος ανιχνευτής να μην διαπερνά τις επιφάνειες του δείγματος κατά την πρώτη επαφή με μαλακά υλικά. Είναι επίσης σημαντικό το σήμα εκτροπής που παράγεται από τον ανιχνευτή να είναι αρκετά ισχυρό ώστε να ανιχνευθεί από το σύστημα ανιχνευτή λέιζερ24,34,46,47. Στην περίπτωση εξαιρετικά μαλακών ετερογενών κυττάρων, ιστών και πηκτωμάτων, μια άλλη πρόκληση είναι να ξεπεραστεί η δύναμη πρόσφυσης μεταξύ του ανιχνευτή και της επιφάνειας του δείγματος για να εξασφαλιστούν αναπαραγώγιμες και αξιόπιστες μετρήσεις48,49,50. Μέχρι πρόσφατα, οι περισσότερες εργασίες για τη νανοεσοχή AFM είχαν επικεντρωθεί στη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς βιολογικών κυττάρων, ιστών, πηκτωμάτων, υδροπηκτωμάτων και βιομορίων χρησιμοποιώντας σχετικά μεγάλους σφαιρικούς ανιχνευτές, που συνήθως αναφέρονται ως κολλοειδείς ανιχνευτές (CPs). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Αυτές οι άκρες έχουν ακτίνα από 1 έως 50 µm και συνήθως κατασκευάζονται από βοριοπυριτικό γυαλί, πολυμεθυλομεθακρυλικό (PMMA), πολυστυρένιο (PS), διοξείδιο του πυριτίου (SiO2) και διαμαντοειδή άνθρακα (DLC). Αν και η νανοεσοχή CP-AFM είναι συχνά η πρώτη επιλογή για τον χαρακτηρισμό μαλακών δειγμάτων, έχει τα δικά της προβλήματα και περιορισμούς. Η χρήση μεγάλων σφαιρικών άκρων μεγέθους μικρού αυξάνει τη συνολική επιφάνεια επαφής της άκρης με το δείγμα και έχει ως αποτέλεσμα σημαντική απώλεια χωρικής ανάλυσης. Για μαλακά, ανομοιογενή δείγματα, όπου οι μηχανικές ιδιότητες των τοπικών στοιχείων μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τον μέσο όρο σε μια ευρύτερη περιοχή, η εσοχή CP μπορεί να κρύψει οποιαδήποτε ανομοιογένεια στις ιδιότητες σε τοπική κλίμακα52. Οι κολλοειδείς ανιχνευτές συνήθως κατασκευάζονται με την προσάρτηση κολλοειδών σφαιρών μεγέθους μικρού σε προβόλους χωρίς άκρη χρησιμοποιώντας εποξειδικές κόλλες. Η ίδια η διαδικασία κατασκευής είναι γεμάτη με πολλά προβλήματα και μπορεί να οδηγήσει σε ασυνέπειες στη διαδικασία βαθμονόμησης του ανιχνευτή. Επιπλέον, το μέγεθος και η μάζα των κολλοειδών σωματιδίων επηρεάζουν άμεσα τις κύριες παραμέτρους βαθμονόμησης του προβόλου, όπως η συχνότητα συντονισμού, η ακαμψία του ελατηρίου και η ευαισθησία στην παραμόρφωση56,57,58. Έτσι, οι συνήθεις μέθοδοι για συμβατικούς ανιχνευτές AFM, όπως η βαθμονόμηση θερμοκρασίας, ενδέχεται να μην παρέχουν ακριβή βαθμονόμηση για το CP και ενδέχεται να απαιτούνται άλλες μέθοδοι για την εκτέλεση αυτών των διορθώσεων57, 59, 60, 61. Τα τυπικά πειράματα εσοχής CP χρησιμοποιούν προβόλους μεγάλων αποκλίσεων για να μελετήσουν τις ιδιότητες των μαλακών δειγμάτων, γεγονός που δημιουργεί ένα άλλο πρόβλημα κατά τη βαθμονόμηση της μη γραμμικής συμπεριφοράς του προβόλου σε σχετικά μεγάλες αποκλίσεις62,63,64. Οι σύγχρονες μέθοδοι εσοχής κολλοειδών ανιχνευτών συνήθως λαμβάνουν υπόψη τη γεωμετρία του προβόλου που χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση του ανιχνευτή, αλλά αγνοούν την επίδραση των κολλοειδών σωματιδίων, γεγονός που δημιουργεί πρόσθετη αβεβαιότητα στην ακρίβεια της μεθόδου38,61. Ομοίως, τα ελαστικά μέτρα που υπολογίζονται με την προσαρμογή του μοντέλου επαφής εξαρτώνται άμεσα από τη γεωμετρία του αισθητήρα εσοχής και η αναντιστοιχία μεταξύ των χαρακτηριστικών της άκρης και της επιφάνειας του δείγματος μπορεί να οδηγήσει σε ανακρίβειες27, 65, 66, 67, 68. Σε πρόσφατη εργασία των Spencer et al., επισημαίνονται οι παράγοντες που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά τον χαρακτηρισμό των μαλακών πολυμερικών βουρτσών χρησιμοποιώντας τη μέθοδο νανοεσοχής CP-AFM. Ανέφεραν ότι η κατακράτηση ενός ιξώδους υγρού στις πολυμερικές βούρτσες ως συνάρτηση της ταχύτητας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της φόρτισης της κεφαλής και, ως εκ τούτου, διαφορετικές μετρήσεις των ιδιοτήτων που εξαρτώνται από την ταχύτητα30,69,70,71.
Σε αυτήν τη μελέτη, χαρακτηρίσαμε το μέτρο επιφάνειας του εξαιρετικά μαλακού, εξαιρετικά ελαστικού υλικού lehfilcon A CL χρησιμοποιώντας μια τροποποιημένη μέθοδο νανοεσοχής AFM. Δεδομένων των ιδιοτήτων και της νέας δομής αυτού του υλικού, το εύρος ευαισθησίας της παραδοσιακής μεθόδου εσοχής είναι σαφώς ανεπαρκές για να χαρακτηρίσει το μέτρο ελαστικότητας αυτού του εξαιρετικά μαλακού υλικού, επομένως είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί μια μέθοδος νανοεσοχής AFM με υψηλότερη ευαισθησία και χαμηλότερο επίπεδο ευαισθησίας. Αφού εξετάσαμε τις αδυναμίες και τα προβλήματα των υπαρχουσών τεχνικών νανοεσοχής με κολλοειδή ανιχνευτή AFM, δείχνουμε γιατί επιλέξαμε έναν μικρότερο, ειδικά σχεδιασμένο ανιχνευτή AFM για την εξάλειψη της ευαισθησίας, του θορύβου υποβάθρου, τον εντοπισμό του σημείου επαφής, τη μέτρηση του μέτρου ταχύτητας μαλακών ετερογενών υλικών, όπως η εξάρτηση από την κατακράτηση υγρών, και την ακριβή ποσοτικοποίηση. Επιπλέον, καταφέραμε να μετρήσουμε με ακρίβεια το σχήμα και τις διαστάσεις της άκρης εσοχής, επιτρέποντάς μας να χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο προσαρμογής κώνου-σφαίρας για να προσδιορίσουμε το μέτρο ελαστικότητας χωρίς να αξιολογήσουμε την περιοχή επαφής της άκρης με το υλικό. Οι δύο έμμεσες υποθέσεις που ποσοτικοποιούνται σε αυτήν την εργασία είναι οι πλήρως ελαστικές ιδιότητες του υλικού και το μέτρο ελαστικότητας ανεξάρτητο από το βάθος εσοχής. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο, δοκιμάσαμε αρχικά εξαιρετικά μαλακά πρότυπα με γνωστό μέτρο ελαστικότητας για να ποσοτικοποιήσουμε τη μέθοδο και στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε αυτήν τη μέθοδο για να χαρακτηρίσουμε τις επιφάνειες δύο διαφορετικών υλικών φακών επαφής. Αυτή η μέθοδος χαρακτηρισμού επιφανειών νανοεσοχής AFM με αυξημένη ευαισθησία αναμένεται να είναι εφαρμόσιμη σε ένα ευρύ φάσμα βιομιμητικών ετερογενών εξαιρετικά μαλακών υλικών με πιθανή χρήση σε ιατρικές συσκευές και βιοϊατρικές εφαρμογές.
Για πειράματα νανοεσοχής επιλέχθηκαν φακοί επαφής Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) και τα υποστρώματά τους από υδρογέλη σιλικόνης. Στο πείραμα χρησιμοποιήθηκε μια ειδικά σχεδιασμένη βάση φακού. Για την εγκατάσταση του φακού για δοκιμή, τοποθετήθηκε προσεκτικά στη βάση σε σχήμα θόλου, διασφαλίζοντας ότι δεν εισήλθαν φυσαλίδες αέρα στο εσωτερικό της και στη συνέχεια στερεώθηκε με τις άκρες. Μια οπή στο εξάρτημα στο πάνω μέρος της θήκης του φακού παρέχει πρόσβαση στο οπτικό κέντρο του φακού για πειράματα νανοεσοχής, ενώ παράλληλα συγκρατείται το υγρό στη θέση του. Αυτό διατηρεί τους φακούς πλήρως ενυδατωμένους. 500 μl διαλύματος συσκευασίας φακών επαφής χρησιμοποιήθηκαν ως διάλυμα δοκιμής. Για την επαλήθευση των ποσοτικών αποτελεσμάτων, παρασκευάστηκαν εμπορικά διαθέσιμες υδρογέλες μη ενεργοποιημένης πολυακρυλαμίδης (PAAM) από σύνθεση πολυακρυλαμιδίου-συν-μεθυλενο-δισακρυλαμίδης (τρυβλία Petrisoft 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), με γνωστό μέτρο ελαστικότητας 1 kPa. Χρησιμοποιήστε 4-5 σταγόνες (περίπου 125 µl) φυσιολογικού ορού με ρυθμιστικό διάλυμα φωσφορικών (PBS από την Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, ΗΠΑ) και 1 σταγόνα διαλύματος φακών επαφής OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, ΗΠΑ). ) στη διεπαφή υδρογέλης-αισθητήρα AFM.
Δείγματα υποστρωμάτων Lehfilcon A CL και SiHy απεικονίστηκαν χρησιμοποιώντας ένα σύστημα Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης Εκπομπής Πεδίου FEI Quanta 250 (FEG SEM) εξοπλισμένο με ανιχνευτή Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης Διέλευσης (STEM). Για την προετοιμασία των δειγμάτων, οι φακοί πλύθηκαν πρώτα με νερό και κόπηκαν σε σφήνες σε σχήμα πίτας. Για να επιτευχθεί διαφορική αντίθεση μεταξύ των υδρόφιλων και υδρόφοβων συστατικών των δειγμάτων, χρησιμοποιήθηκε ένα σταθεροποιημένο διάλυμα RuO4 0,10% ως χρωστική, στο οποίο τα δείγματα εμβαπτίστηκαν για 30 λεπτά. Η χρώση lehfilcon A CL RuO4 είναι σημαντική όχι μόνο για την επίτευξη βελτιωμένης διαφορικής αντίθεσης, αλλά βοηθά επίσης στη διατήρηση της δομής των διακλαδισμένων πολυμερικών βουρτσών στην αρχική τους μορφή, οι οποίες στη συνέχεια είναι ορατές στις εικόνες STEM. Στη συνέχεια πλύθηκαν και αφυδατώθηκαν σε μια σειρά μειγμάτων αιθανόλης/νερού με αυξανόμενη συγκέντρωση αιθανόλης. Τα δείγματα στη συνέχεια χυτεύθηκαν με εποξειδική ρητίνη EMBed 812/Araldite, η οποία σκληρύνθηκε όλη τη νύχτα στους 70°C. Τα μπλοκ δειγμάτων που ελήφθησαν με πολυμερισμό ρητίνης κόπηκαν με υπερμικροτόμο και οι λεπτές τομές που προέκυψαν απεικονίστηκαν με ανιχνευτή STEM σε λειτουργία χαμηλού κενού με τάση επιτάχυνσης 30 kV. Το ίδιο σύστημα SEM χρησιμοποιήθηκε για τον λεπτομερή χαρακτηρισμό του αισθητήρα AFM PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, ΗΠΑ). Οι εικόνες SEM του αισθητήρα AFM ελήφθησαν σε τυπική λειτουργία υψηλού κενού με τάση επιτάχυνσης 30 kV. Λήψη εικόνων σε διαφορετικές γωνίες και μεγεθύνσεις για την καταγραφή όλων των λεπτομερειών του σχήματος και του μεγέθους της άκρης του αισθητήρα AFM. Όλες οι διαστάσεις της άκρης που παρουσιάζουν ενδιαφέρον στις εικόνες μετρήθηκαν ψηφιακά.
Ένα ατομικό μικροσκόπιο δύναμης Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, ΗΠΑ) με λειτουργία "PeakForce QNM in Fluid" χρησιμοποιήθηκε για την απεικόνιση και τη νανοοδοντωτή επεξεργασία δειγμάτων υδρογέλης lehfilcon A CL, υποστρώματος SiHy και PAAm. Για τα πειράματα απεικόνισης, χρησιμοποιήθηκε ένας ανιχνευτής PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) με ονομαστική ακτίνα άκρης 1 nm για τη λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης του δείγματος με ρυθμό σάρωσης 0,50 Hz. Όλες οι εικόνες ελήφθησαν σε υδατικό διάλυμα.
Τα πειράματα νανοεσοχής AFM πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Ο ανιχνευτής AFM έχει μια άκρη πυριτίου σε ένα πρόβολο νιτριδίου πάχους 345 nm, μήκους 54 µm και πλάτους 4,5 µm με συχνότητα συντονισμού 45 kHz. Έχει σχεδιαστεί ειδικά για να χαρακτηρίζει και να εκτελεί ποσοτικές νανομηχανικές μετρήσεις σε μαλακά βιολογικά δείγματα. Οι αισθητήρες βαθμονομούνται ξεχωριστά στο εργοστάσιο με προ-βαθμονομημένες ρυθμίσεις ελατηρίου. Οι σταθερές ελατηρίου των ανιχνευτών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη ήταν στην περιοχή 0,05–0,1 N/m. Για τον ακριβή προσδιορισμό του σχήματος και του μεγέθους της άκρης, ο ανιχνευτής χαρακτηρίστηκε λεπτομερώς χρησιμοποιώντας SEM. Στο σχήμα 1α δείχνει μια ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης υψηλής ανάλυσης, χαμηλής μεγέθυνσης του ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL, παρέχοντας μια ολιστική άποψη του σχεδιασμού του ανιχνευτή. Στο σχήμα 1β δείχνει μια μεγεθυμένη όψη της κορυφής της άκρης του ανιχνευτή, παρέχοντας πληροφορίες σχετικά με το σχήμα και το μέγεθος της άκρης. Στο ακραίο άκρο, η βελόνα έχει σχήμα ημισφαιρίου με διάμετρο περίπου 140 nm (Εικ. 1c). Κάτω από αυτό, η άκρη λεπταίνει σε κωνικό σχήμα, φτάνοντας σε μετρούμενο μήκος περίπου 500 nm. Έξω από την περιοχή κωνικότητας, η άκρη είναι κυλινδρική και καταλήγει σε συνολικό μήκος άκρης 1,18 µm. Αυτό είναι το κύριο λειτουργικό μέρος της άκρης του ανιχνευτή. Επιπλέον, ένας μεγάλος σφαιρικός ανιχνευτής πολυστυρενίου (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, ΗΠΑ) με διάμετρο άκρης 45 µm και σταθερά ελατηρίου 2 N/m χρησιμοποιήθηκε επίσης για δοκιμή ως κολλοειδής ανιχνευτής, με τον ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL 140 nm για σύγκριση.
Έχει αναφερθεί ότι υγρό μπορεί να παγιδευτεί μεταξύ του ανιχνευτή AFM και της δομής της πολυμερούς βούρτσας κατά τη διάρκεια της νανοεσοχής, η οποία θα ασκήσει μια ανοδική δύναμη στον ανιχνευτή AFM πριν αυτός αγγίξει την επιφάνεια69. Αυτό το φαινόμενο ιξώδους εξώθησης λόγω της κατακράτησης υγρών μπορεί να αλλάξει το φαινόμενο σημείο επαφής, επηρεάζοντας έτσι τις μετρήσεις του μέτρου επιφάνειας. Για να μελετηθεί η επίδραση της γεωμετρίας του ανιχνευτή και της ταχύτητας εσοχής στην κατακράτηση υγρών, σχεδιάστηκαν καμπύλες δύναμης εσοχής για δείγματα lehfilcon A CL χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή διαμέτρου 140 nm με σταθερούς ρυθμούς μετατόπισης 1 µm/s και 2 µm/s. Διάμετρος ανιχνευτή 45 µm, σταθερή ρύθμιση δύναμης 6 nN που επιτεύχθηκε στο 1 µm/s. Πειράματα με έναν ανιχνευτή διαμέτρου 140 nm πραγματοποιήθηκαν με ταχύτητα εσοχής 1 µm/s και σταθερή δύναμη 300 pN, που επιλέχθηκε για να δημιουργήσει πίεση επαφής εντός του φυσιολογικού εύρους (1-8 kPa) του άνω βλεφάρου. πίεση 72. Έτοιμα μαλακά δείγματα υδρογέλης PAA με πίεση 1 kPa δοκιμάστηκαν για δύναμη εσοχής 50 pN με ταχύτητα 1 μm/s χρησιμοποιώντας έναν καθετήρα με διάμετρο 140 nm.
Δεδομένου ότι το μήκος του κωνικού τμήματος της άκρης του ανιχνευτή PFQNM-LC-A-CAL είναι περίπου 500 nm, για οποιοδήποτε βάθος εσοχής < 500 nm μπορεί να υποτεθεί με ασφάλεια ότι η γεωμετρία του ανιχνευτή κατά την εσοχή θα παραμείνει πιστή στο σχήμα του κώνου του. Επιπλέον, θεωρείται ότι η επιφάνεια του υπό δοκιμή υλικού θα παρουσιάσει μια αναστρέψιμη ελαστική απόκριση, η οποία θα επιβεβαιωθεί επίσης στις επόμενες ενότητες. Επομένως, ανάλογα με το σχήμα και το μέγεθος της άκρης, επιλέξαμε το μοντέλο προσαρμογής κώνου-σφαίρας που αναπτύχθηκε από τους Briscoe, Sebastian και Adams, το οποίο είναι διαθέσιμο στο λογισμικό του προμηθευτή, για την επεξεργασία των πειραμάτων νανοεσοχής AFM (NanoScope). Λογισμικό ανάλυσης δεδομένων διαχωρισμού, Bruker) 73. Το μοντέλο περιγράφει τη σχέση δύναμης-μετατόπισης F(δ) για έναν κώνο με σφαιρικό ελάττωμα στην κορυφή. Στο σχήμα. Το Σχήμα 2 δείχνει τη γεωμετρία επαφής κατά την αλληλεπίδραση ενός άκαμπτου κώνου με μια σφαιρική άκρη, όπου R είναι η ακτίνα της σφαιρικής άκρης, a είναι η ακτίνα επαφής, b είναι η ακτίνα επαφής στο άκρο της σφαιρικής άκρης, δ είναι η ακτίνα επαφής. βάθος εσοχής, θ είναι η ημιγωνία του κώνου. Η εικόνα SEM αυτού του αισθητήρα δείχνει ξεκάθαρα ότι η σφαιρική άκρη διαμέτρου 140 nm συγχωνεύεται εφαπτομενικά σε έναν κώνο, επομένως εδώ το b ορίζεται μόνο μέσω του R, δηλαδή b = R cos θ. Το λογισμικό που παρέχεται από τον προμηθευτή παρέχει μια σχέση κώνου-σφαίρας για τον υπολογισμό των τιμών του μέτρου ελαστικότητας Young (E) από δεδομένα διαχωρισμού δυνάμεων υποθέτοντας a > b. Σχέση:
όπου F είναι η δύναμη εσοχής, E είναι το μέτρο ελαστικότητας Young, ν είναι ο λόγος Poisson. Η ακτίνα επαφής a μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας:
Σχήμα της γεωμετρίας επαφής ενός άκαμπτου κώνου με σφαιρική άκρη πιεσμένη στο υλικό ενός φακού επαφής Lefilcon με ένα επιφανειακό στρώμα από διακλαδισμένες πολυμερείς βούρτσες.
Αν a ≤ b, η σχέση ανάγεται στην εξίσωση για έναν συμβατικό σφαιρικό εγκοπέα.
Πιστεύουμε ότι η αλληλεπίδραση του ανιχνευτή εσοχής με την διακλαδισμένη δομή της πολυμερικής βούρτσας PMPC θα προκαλέσει μεγαλύτερη ακτίνα επαφής a από την σφαιρική ακτίνα επαφής b. Επομένως, για όλες τις ποσοτικές μετρήσεις του μέτρου ελαστικότητας που πραγματοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε την εξάρτηση που λήφθηκε για την περίπτωση a > b.
Τα εξαιρετικά μαλακά βιομιμητικά υλικά που μελετήθηκαν σε αυτή τη μελέτη απεικονίστηκαν πλήρως χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης-μετάδοσης (STEM) της διατομής του δείγματος και μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) της επιφάνειας. Αυτός ο λεπτομερής χαρακτηρισμός της επιφάνειας πραγματοποιήθηκε ως επέκταση της προηγουμένως δημοσιευμένης εργασίας μας, στην οποία προσδιορίσαμε ότι η δυναμικά διακλαδισμένη πολυμερική δομή βούρτσας της τροποποιημένης με PMPC επιφάνειας lehfilcon A CL παρουσίασε παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες με τον φυσικό κερατοειδή ιστό 14. Για αυτόν τον λόγο, αναφέρουμε τις επιφάνειες των φακών επαφής ως βιομιμητικά υλικά 14. Στα σχήματα 3α,β φαίνονται οι διατομές διακλαδισμένων δομών πολυμερούς βούρτσας PMPC στην επιφάνεια ενός υποστρώματος lehfilcon A CL και ενός μη επεξεργασμένου υποστρώματος SiHy, αντίστοιχα. Οι επιφάνειες και των δύο δειγμάτων αναλύθηκαν περαιτέρω χρησιμοποιώντας εικόνες AFM υψηλής ανάλυσης, οι οποίες επιβεβαίωσαν περαιτέρω τα αποτελέσματα της ανάλυσης STEM (Εικ. 3γ, δ). Συνολικά, αυτές οι εικόνες δίνουν ένα κατά προσέγγιση μήκος της διακλαδισμένης πολυμερικής δομής βούρτσας PMPC στα 300-400 nm, το οποίο είναι κρίσιμο για την ερμηνεία των μετρήσεων νανοεσοχής AFM. Μια άλλη βασική παρατήρηση που προέκυψε από τις εικόνες είναι ότι η συνολική επιφανειακή δομή του βιομιμητικού υλικού CL είναι μορφολογικά διαφορετική από αυτή του υλικού υποστρώματος SiHy. Αυτή η διαφορά στην επιφανειακή τους μορφολογία μπορεί να γίνει εμφανής κατά τη μηχανική τους αλληλεπίδραση με τον εσοχών AFM ανιχνευτή και στη συνέχεια στις μετρούμενες τιμές του μέτρου ελαστικότητας.
Εικόνες STEM εγκάρσιας τομής του (α) lehfilcon A CL και (β) υποστρώματος SiHy. Γραμμή κλίμακας, 500 nm. Εικόνες AFM της επιφάνειας του υποστρώματος lehfilcon A CL (γ) και του βασικού υποστρώματος SiHy (δ) (3 µm × 3 µm).
Τα βιοεμπνευσμένα πολυμερή και οι δομές πολυμερικών βουρτσών είναι εγγενώς μαλακά και έχουν μελετηθεί και χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορες βιοϊατρικές εφαρμογές74,75,76,77. Επομένως, είναι σημαντικό να χρησιμοποιείται η μέθοδος νανοεσοχής AFM, η οποία μπορεί να μετρήσει με ακρίβεια και αξιοπιστία τις μηχανικές τους ιδιότητες. Ταυτόχρονα, όμως, οι μοναδικές ιδιότητες αυτών των εξαιρετικά μαλακών υλικών, όπως το εξαιρετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας, η υψηλή περιεκτικότητα σε υγρό και η υψηλή ελαστικότητα, συχνά δυσκολεύουν την επιλογή του σωστού υλικού, σχήματος και μεγέθους του καθετήρα εσοχής. Αυτό είναι σημαντικό, ώστε ο εγκοπτήρας να μην διαπερνά την μαλακή επιφάνεια του δείγματος, γεγονός που θα οδηγούσε σε σφάλματα στον προσδιορισμό του σημείου επαφής με την επιφάνεια και της περιοχής επαφής.
Για τον σκοπό αυτό, είναι απαραίτητη η ολοκληρωμένη κατανόηση της μορφολογίας των εξαιρετικά μαλακών βιομιμητικών υλικών (lehfilcon A CL). Οι πληροφορίες σχετικά με το μέγεθος και τη δομή των διακλαδισμένων πολυμερικών βουρτσών που λαμβάνονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο απεικόνισης παρέχουν τη βάση για τον μηχανικό χαρακτηρισμό της επιφάνειας χρησιμοποιώντας τεχνικές νανοεσοχής AFM. Αντί για σφαιρικούς κολλοειδούς ανιχνευτές μεγέθους μικρού, επιλέξαμε τον ανιχνευτή νιτριδίου πυριτίου PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) με διάμετρο άκρης 140 nm, ειδικά σχεδιασμένο για ποσοτική χαρτογράφηση των μηχανικών ιδιοτήτων βιολογικών δειγμάτων 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Η λογική για τη χρήση σχετικά αιχμηρών ανιχνευτών σε σύγκριση με τους συμβατικούς κολλοειδείς ανιχνευτές μπορεί να εξηγηθεί από τα δομικά χαρακτηριστικά του υλικού. Συγκρίνοντας το μέγεθος της άκρης του ανιχνευτή (~140 nm) με τις διακλαδισμένες πολυμερικές βούρτσες στην επιφάνεια του CL lehfilcon A, που φαίνεται στο Σχήμα 3α, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η άκρη είναι αρκετά μεγάλη ώστε να έρθει σε άμεση επαφή με αυτές τις δομές βούρτσας, γεγονός που μειώνει την πιθανότητα η άκρη να τις διαπεράσει. Για να επεξηγηθεί αυτό το σημείο, στο Σχήμα 4 υπάρχει μια εικόνα STEM του lehfilcon A CL και της εσοχής της άκρης του ανιχνευτή AFM (σχεδιασμένη σε κλίμακα).
Σχηματική απεικόνιση της εικόνας STEM του lehfilcon A CL και ενός ανιχνευτή εσοχής ACM (σχεδιασμένη σε κλίμακα).
Επιπλέον, το μέγεθος της άκρης των 140 nm είναι αρκετά μικρό για να αποφευχθεί ο κίνδυνος οποιουδήποτε από τα φαινόμενα κολλώδους εξώθησης που έχουν αναφερθεί προηγουμένως για βούρτσες πολυμερούς που παράγονται με τη μέθοδο νανοεσοχής CP-AFM69,71. Υποθέτουμε ότι λόγω του ειδικού κωνοσφαιρικού σχήματος και του σχετικά μικρού μεγέθους αυτής της άκρης AFM (Εικ. 1), η φύση της καμπύλης δύναμης που δημιουργείται από τη νανοεσοχή lehfilcon A CL δεν θα εξαρτάται από την ταχύτητα εσοχής ή την ταχύτητα φόρτωσης/εκφόρτωσης. Επομένως, δεν επηρεάζεται από τα ποροελαστικά φαινόμενα. Για να δοκιμαστεί αυτή η υπόθεση, δείγματα lehfilcon A CL εσοχέςσαν σε μια σταθερή μέγιστη δύναμη χρησιμοποιώντας έναν αισθητήρα PFQNM-LC-A-CAL, αλλά σε δύο διαφορετικές ταχύτητες, και οι προκύπτουσες καμπύλες δύναμης εφελκυσμού και ανάκλησης χρησιμοποιήθηκαν για να απεικονιστεί η δύναμη (nN) σε απόσταση (µm) όπως φαίνεται στο Σχήμα 5α. Είναι σαφές ότι οι καμπύλες δύναμης κατά τη φόρτωση και την εκφόρτωση επικαλύπτονται πλήρως και δεν υπάρχουν σαφείς ενδείξεις ότι η διάτμηση δύναμης σε μηδενικό βάθος εσοχής αυξάνεται με την ταχύτητα εσοχής στο σχήμα, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα μεμονωμένα στοιχεία βούρτσας χαρακτηρίστηκαν χωρίς ποροελαστικό φαινόμενο. Αντίθετα, τα φαινόμενα κατακράτησης υγρών (φαινόμενα ιξώδους εξώθησης και ποροελαστικότητας) είναι εμφανή για τον αισθητήρα AFM διαμέτρου 45 µm με την ίδια ταχύτητα εσοχής και τονίζονται από την υστέρηση μεταξύ των καμπυλών τάνυσης και ανάκλησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5b. Αυτά τα αποτελέσματα υποστηρίζουν την υπόθεση και υποδηλώνουν ότι οι αισθητήρες διαμέτρου 140 nm είναι μια καλή επιλογή για τον χαρακτηρισμό τέτοιων μαλακών επιφανειών.
Καμπύλες δύναμης εσοχής lehfilcon A CL χρησιμοποιώντας ACM. (α) χρησιμοποιώντας έναν καθετήρα με διάμετρο 140 nm σε δύο ρυθμούς φόρτωσης, καταδεικνύοντας την απουσία ποροελαστικής επίδρασης κατά την επιφανειακή εσοχή. (β) χρησιμοποιώντας καθετήρες με διάμετρο 45 µm και 140 nm. Τα s δείχνουν τις επιδράσεις της ιξώδους εξώθησης και της ποροελαστικότητας για μεγάλους καθετήρες σε σύγκριση με μικρότερους καθετήρες.
Για τον χαρακτηρισμό εξαιρετικά μαλακών επιφανειών, οι μέθοδοι νανοεσοχής AFM πρέπει να διαθέτουν τον καλύτερο αισθητήρα για τη μελέτη των ιδιοτήτων του υπό μελέτη υλικού. Εκτός από το σχήμα και το μέγεθος της άκρης, η ευαισθησία του συστήματος ανιχνευτή AFM, η ευαισθησία στην παραμόρφωση της άκρης στο περιβάλλον δοκιμής και η ακαμψία της προβόλου παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό της ακρίβειας και της αξιοπιστίας των μετρήσεων νανοεσοχής. Για το σύστημα AFM μας, το όριο ανίχνευσης του ανιχνευτή ευαισθησίας θέσης (PSD) είναι περίπου 0,5 mV και βασίζεται στον προ-βαθμονομημένο ρυθμό ελατηρίου και η υπολογισμένη ευαισθησία παραμόρφωσης ρευστού του αισθητήρα PFQNM-LC-A-CAL, η οποία αντιστοιχεί στη θεωρητική ευαισθησία φορτίου, είναι μικρότερη από 0,1 pN. Επομένως, αυτή η μέθοδος επιτρέπει τη μέτρηση μιας ελάχιστης δύναμης εσοχής ≤ 0,1 pN χωρίς καμία συνιστώσα περιφερειακού θορύβου. Ωστόσο, είναι σχεδόν αδύνατο για ένα σύστημα AFM να ​​μειώσει τον περιφερειακό θόρυβο σε αυτό το επίπεδο λόγω παραγόντων όπως οι μηχανικοί κραδασμοί και η ρευστοδυναμική. Αυτοί οι παράγοντες περιορίζουν τη συνολική ευαισθησία της μεθόδου νανοεσοχής AFM και επίσης οδηγούν σε σήμα θορύβου υποβάθρου περίπου ≤ 10 pN. Για τον χαρακτηρισμό της επιφάνειας, δείγματα υποστρώματος lehfilcon A CL και SiHy εσοχές έγιναν υπό πλήρως ενυδατωμένες συνθήκες χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή 140 nm για χαρακτηρισμό SEM, και οι προκύπτουσες καμπύλες δύναμης υπερτέθηκαν μεταξύ της δύναμης (pN) και της πίεσης. Το διάγραμμα διαχωρισμού (µm) φαίνεται στο Σχήμα 6α. Σε σύγκριση με το βασικό υπόστρωμα SiHy, η καμπύλη δύναμης lehfilcon A CL δείχνει σαφώς μια μεταβατική φάση που ξεκινά από το σημείο επαφής με τη διχαλωτή πολυμερική βούρτσα και τελειώνει με μια απότομη αλλαγή στην κλίση που σηματοδοτεί την επαφή της άκρης με το υποκείμενο υλικό. Αυτό το μεταβατικό μέρος της καμπύλης δύναμης υπογραμμίζει την πραγματικά ελαστική συμπεριφορά της διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας στην επιφάνεια, όπως αποδεικνύεται από την καμπύλη συμπίεσης που ακολουθεί στενά την καμπύλη εφελκυσμού και την αντίθεση στις μηχανικές ιδιότητες μεταξύ της δομής της βούρτσας και του ογκώδους υλικού SiHy. Κατά τη σύγκριση του lefilcon. Ο διαχωρισμός του μέσου μήκους μιας διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας στην εικόνα STEM του PCS (Εικ. 3α) και της καμπύλης δύναμής της κατά μήκος της τετμημένης στο Σχήμα 3α. 6α δείχνει ότι η μέθοδος είναι σε θέση να ανιχνεύσει την άκρη και το διακλαδισμένο πολυμερές που φτάνουν στην κορυφή της επιφάνειας. Επαφή μεταξύ των δομών της βούρτσας. Επιπλέον, η στενή επικάλυψη των καμπυλών δύναμης δεν υποδηλώνει φαινόμενο κατακράτησης υγρού. Σε αυτήν την περίπτωση, δεν υπάρχει απολύτως καμία πρόσφυση μεταξύ της βελόνας και της επιφάνειας του δείγματος. Τα ανώτερα τμήματα των καμπυλών δύναμης για τα δύο δείγματα επικαλύπτονται, αντανακλώντας την ομοιότητα των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών υποστρώματος.
(α) Καμπύλες δύναμης νανοεσοχής AFM για υποστρώματα lehfilcon A CL και υποστρώματα SiHy, (β) καμπύλες δύναμης που δείχνουν την εκτίμηση του σημείου επαφής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο κατωφλίου θορύβου υποβάθρου.
Προκειμένου να μελετηθούν οι λεπτότερες λεπτομέρειες της καμπύλης δύναμης, η καμπύλη εφελκυσμού του δείγματος lehfilcon A CL αναπαρίσταται στο Σχήμα 6b με μέγιστη δύναμη 50 pN κατά μήκος του άξονα y. Αυτό το γράφημα παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με τον αρχικό θόρυβο υποβάθρου. Ο θόρυβος κυμαίνεται στην περιοχή ±10 pN, η οποία χρησιμοποιείται για τον ακριβή προσδιορισμό του σημείου επαφής και τον υπολογισμό του βάθους εσοχής. Όπως αναφέρεται στη βιβλιογραφία, η αναγνώριση των σημείων επαφής είναι κρίσιμη για την ακριβή αξιολόγηση των ιδιοτήτων των υλικών, όπως το μέτρο ελαστικότητας85. Μια προσέγγιση που περιλαμβάνει την αυτόματη επεξεργασία δεδομένων καμπύλης δύναμης έχει δείξει βελτιωμένη προσαρμογή μεταξύ της προσαρμογής δεδομένων και των ποσοτικών μετρήσεων για μαλακά υλικά86. Σε αυτή την εργασία, η επιλογή των σημείων επαφής μας είναι σχετικά απλή και αντικειμενική, αλλά έχει τους περιορισμούς της. Η συντηρητική μας προσέγγιση για τον προσδιορισμό του σημείου επαφής μπορεί να οδηγήσει σε ελαφρώς υπερεκτιμημένες τιμές μέτρου ελαστικότητας για μικρότερα βάθη εσοχής (< 100 nm). Η χρήση ανίχνευσης σημείων επαφής που βασίζεται σε αλγόριθμους και αυτοματοποιημένης επεξεργασίας δεδομένων θα μπορούσε να αποτελέσει συνέχεια αυτής της εργασίας στο μέλλον για την περαιτέρω βελτίωση της μεθόδου μας. Έτσι, για εγγενή θόρυβο υποβάθρου της τάξης των ±10 pN, ορίζουμε το σημείο επαφής ως το πρώτο σημείο δεδομένων στον άξονα x στο Σχήμα 6b με τιμή ≥10 pN. Στη συνέχεια, σύμφωνα με το όριο θορύβου των 10 pN, μια κατακόρυφη γραμμή στο επίπεδο των ~0,27 µm σηματοδοτεί το σημείο επαφής με την επιφάνεια, μετά την οποία η καμπύλη τάνυσης συνεχίζεται μέχρι το υπόστρωμα να φτάσει στο βάθος εσοχής των ~270 nm. Είναι ενδιαφέρον ότι, με βάση το μέγεθος των χαρακτηριστικών της διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας (300-400 nm) που μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο απεικόνισης, το βάθος εσοχής του δείγματος CL lehfilcon A που παρατηρήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο κατωφλίου θορύβου υποβάθρου είναι περίπου 270 nm, το οποίο είναι πολύ κοντά στο μέγεθος μέτρησης με STEM. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν περαιτέρω τη συμβατότητα και την εφαρμογή του σχήματος και του μεγέθους της άκρης του αισθητήρα AFM για την εσοχή αυτής της πολύ μαλακής και εξαιρετικά ελαστικής δομής διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας. Αυτά τα δεδομένα παρέχουν επίσης ισχυρές ενδείξεις που υποστηρίζουν τη μέθοδό μας χρήσης του θορύβου υποβάθρου ως κατωφλίου για τον εντοπισμό σημείων επαφής. Έτσι, οποιαδήποτε ποσοτικά αποτελέσματα που λαμβάνονται από μαθηματική μοντελοποίηση και προσαρμογή καμπύλης δύναμης θα πρέπει να είναι σχετικά ακριβή.
Οι ποσοτικές μετρήσεις με τις μεθόδους νανοεσοχής AFM εξαρτώνται πλήρως από τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την επιλογή δεδομένων και την επακόλουθη ανάλυση. Επομένως, είναι σημαντικό να ληφθούν υπόψη όλοι οι παράγοντες που σχετίζονται με την επιλογή του εγκοπτήρα, τις ιδιότητες του υλικού και τους μηχανισμούς της αλληλεπίδρασής τους πριν από την επιλογή ενός συγκεκριμένου μοντέλου. Σε αυτήν την περίπτωση, η γεωμετρία της άκρης χαρακτηρίστηκε προσεκτικά χρησιμοποιώντας μικρογραφίες SEM (Εικ. 1) και, με βάση τα αποτελέσματα, ο ανιχνευτής νανοεσοχής AFM διαμέτρου 140 nm με σκληρό κώνο και σφαιρική γεωμετρία άκρης είναι μια καλή επιλογή για τον χαρακτηρισμό των δειγμάτων lehfilcon A CL79. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας που πρέπει να αξιολογηθεί προσεκτικά είναι η ελαστικότητα του πολυμερούς υλικού που δοκιμάζεται. Αν και τα αρχικά δεδομένα της νανοεσοχής (Εικ. 5α και 6α) σκιαγραφούν σαφώς τα χαρακτηριστικά της επικάλυψης των καμπυλών εφελκυσμού και συμπίεσης, δηλαδή την πλήρη ελαστική ανάκτηση του υλικού, είναι εξαιρετικά σημαντικό να επιβεβαιωθεί η καθαρά ελαστική φύση των επαφών. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιήθηκαν δύο διαδοχικές εσοχές στην ίδια θέση στην επιφάνεια του δείγματος lehfilcon A CL με ρυθμό εσοχής 1 µm/s υπό συνθήκες πλήρους ενυδάτωσης. Τα δεδομένα της καμπύλης δύναμης που προέκυψαν φαίνονται στο σχήμα 7 και, όπως αναμενόταν, οι καμπύλες διαστολής και συμπίεσης των δύο εκτυπώσεων είναι σχεδόν πανομοιότυπες, υπογραμμίζοντας την υψηλή ελαστικότητα της διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας.
Δύο καμπύλες δύναμης εσοχής στην ίδια θέση στην επιφάνεια του lehfilcon A CL υποδεικνύουν την ιδανική ελαστικότητα της επιφάνειας του φακού.
Με βάση τις πληροφορίες που ελήφθησαν από εικόνες SEM και STEM της άκρης του καθετήρα και της επιφάνειας lehfilcon A CL, αντίστοιχα, το μοντέλο κώνου-σφαίρας είναι μια λογική μαθηματική αναπαράσταση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της άκρης του καθετήρα AFM και του μαλακού πολυμερούς υλικού που δοκιμάζεται. Επιπλέον, για αυτό το μοντέλο κώνου-σφαίρας, οι θεμελιώδεις υποθέσεις σχετικά με τις ελαστικές ιδιότητες του αποτυπωμένου υλικού ισχύουν για αυτό το νέο βιομιμητικό υλικό και χρησιμοποιούνται για την ποσοτικοποίηση του μέτρου ελαστικότητας.
Μετά από μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση της μεθόδου νανοεσοχής AFM και των συστατικών της, συμπεριλαμβανομένων των ιδιοτήτων του ανιχνευτή εσοχής (σχήμα, μέγεθος και ακαμψία ελατηρίου), της ευαισθησίας (θόρυβος υποβάθρου και εκτίμηση σημείου επαφής) και των μοντέλων προσαρμογής δεδομένων (ποσοτικές μετρήσεις μέτρου ελαστικότητας), χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος. Χαρακτηρισμός εμπορικά διαθέσιμων εξαιρετικά μαλακών δειγμάτων για την επαλήθευση ποσοτικών αποτελεσμάτων. Μια εμπορική υδρογέλη πολυακρυλαμιδίου (PAAM) με μέτρο ελαστικότητας 1 kPa δοκιμάστηκε υπό ενυδατωμένες συνθήκες χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή 140 nm. Λεπτομέρειες για τις δοκιμές και τους υπολογισμούς της μονάδας παρέχονται στις Συμπληρωματικές Πληροφορίες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο μέσος μετρούμενος συντελεστής ήταν 0,92 kPa και η %RSD και η ποσοστιαία (%) απόκλιση από τον γνωστό συντελεστή ήταν μικρότερη από 10%. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ακρίβεια και την αναπαραγωγιμότητα της μεθόδου νανοεσοχής AFM που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή την εργασία για τη μέτρηση των μέτρου των εξαιρετικά μαλακών υλικών. Οι επιφάνειες των δειγμάτων lehfilcon A CL και το υπόστρωμα βάσης SiHy χαρακτηρίστηκαν περαιτέρω χρησιμοποιώντας την ίδια μέθοδο νανοεσοχής AFM για να μελετηθεί το φαινόμενο μέτρο επαφής της εξαιρετικά μαλακής επιφάνειας ως συνάρτηση του βάθους εσοχής. Δημιουργήθηκαν καμπύλες διαχωρισμού δύναμης εσοχής για τρία δείγματα κάθε τύπου (n = 3· μία εσοχή ανά δείγμα) με δύναμη 300 pN, ταχύτητα 1 µm/s και πλήρη ενυδάτωση. Η καμπύλη κατανομής δύναμης εσοχής προσεγγίστηκε χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο κώνου-σφαίρας. Για να ληφθεί μέτρο ελαστικότητας που εξαρτάται από το βάθος εσοχής, ορίστηκε ένα τμήμα της καμπύλης δύναμης πλάτους 40 nm σε κάθε βήμα των 20 nm ξεκινώντας από το σημείο επαφής και μετρήθηκαν τιμές του μέτρου σε κάθε βήμα της καμπύλης δύναμης. Spin Cy et al. Μια παρόμοια προσέγγιση έχει χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό της κλίσης του μέτρου ελαστικότητας των βουρτσών πολυμερούς πολυ(λαυρυλομεθακρυλικού) (P12MA) χρησιμοποιώντας νανοεσοχή κολλοειδούς ανιχνευτή AFM και είναι σύμφωνες με τα δεδομένα που χρησιμοποιούν το μοντέλο επαφής Hertz. Αυτή η προσέγγιση παρέχει ένα διάγραμμα του φαινομενικού μέτρου επαφής (kPa) έναντι του βάθους εσοχής (nm), όπως φαίνεται στο Σχήμα 8, το οποίο απεικονίζει το φαινομενικό μέτρο επαφής/κλίση βάθους. Το υπολογισμένο μέτρο ελαστικότητας του δείγματος CL lehfilcon A κυμαίνεται από 2-3 kPa εντός των άνω 100 nm του δείγματος, πέραν του οποίου αρχίζει να αυξάνεται με το βάθος. Από την άλλη πλευρά, κατά τη δοκιμή του υποστρώματος βάσης SiHy χωρίς μεμβράνη τύπου βούρτσας στην επιφάνεια, το μέγιστο βάθος εσοχής που επιτυγχάνεται με δύναμη 300 pN είναι μικρότερο από 50 nm και η τιμή του μέτρου που λαμβάνεται από τα δεδομένα είναι περίπου 400 kPa, η οποία είναι συγκρίσιμη με τις τιμές του μέτρου Young για ογκώδη υλικά.
Φαινομενικό μέτρο επαφής (kPa) έναντι βάθους εσοχής (nm) για υποστρώματα lehfilcon A CL και SiHy χρησιμοποιώντας τη μέθοδο νανοεσοχής AFM με γεωμετρία κώνου-σφαίρας για τη μέτρηση του μέτρου.
Η ανώτερη επιφάνεια της νέας βιομιμητικής δομής διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας παρουσιάζει εξαιρετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας (2-3 kPa). Αυτό θα ταιριάζει με το ελεύθερο κρεμαστό άκρο της διχαλωτής πολυμερικής βούρτσας, όπως φαίνεται στην εικόνα STEM. Ενώ υπάρχουν κάποιες ενδείξεις κλίσης μέτρου ελαστικότητας στην εξωτερική άκρη του CL, το κύριο υπόστρωμα υψηλού μέτρου ελαστικότητας έχει μεγαλύτερη επιρροή. Ωστόσο, τα ανώτερα 100 nm της επιφάνειας βρίσκονται εντός του 20% του συνολικού μήκους της διακλαδισμένης πολυμερικής βούρτσας, επομένως είναι λογικό να υποθέσουμε ότι οι μετρούμενες τιμές του μέτρου ελαστικότητας σε αυτό το εύρος βάθους εσοχής είναι σχετικά ακριβείς και δεν εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την επίδραση του κάτω αντικειμένου.
Λόγω του μοναδικού βιομιμητικού σχεδιασμού των φακών επαφής lehfilcon A, που αποτελούνται από διακλαδισμένες δομές πολυμερούς βούρτσας PMPC εμβολιασμένες στην επιφάνεια υποστρωμάτων SiHy, είναι πολύ δύσκολο να χαρακτηριστούν αξιόπιστα οι μηχανικές ιδιότητες των επιφανειακών δομών τους χρησιμοποιώντας παραδοσιακές μεθόδους μέτρησης. Εδώ παρουσιάζουμε μια προηγμένη μέθοδο νανοεσοχής AFM για τον ακριβή χαρακτηρισμό εξαιρετικά μαλακών υλικών όπως το lefilcon A με υψηλή περιεκτικότητα σε νερό και εξαιρετικά υψηλή ελαστικότητα. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στη χρήση ενός αισθητήρα AFM του οποίου το μέγεθος της άκρης και η γεωμετρία επιλέγονται προσεκτικά ώστε να ταιριάζουν με τις δομικές διαστάσεις των εξαιρετικά μαλακών χαρακτηριστικών της επιφάνειας που πρόκειται να αποτυπωθούν. Αυτός ο συνδυασμός διαστάσεων μεταξύ αισθητήρα και δομής παρέχει αυξημένη ευαισθησία, επιτρέποντάς μας να μετρήσουμε το χαμηλό μέτρο ελαστικότητας και τις εγγενείς ελαστικές ιδιότητες των διακλαδισμένων πολυμερών βουρτσών, ανεξάρτητα από τις ποροελαστικές επιδράσεις. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μοναδικές διακλαδισμένες πολυμερείς βούρτσες PMPC που χαρακτηρίζουν την επιφάνεια του φακού είχαν εξαιρετικά χαμηλό μέτρο ελαστικότητας (έως 2 kPa) και πολύ υψηλή ελαστικότητα (σχεδόν 100%) όταν δοκιμάστηκαν σε υδατικό περιβάλλον. Τα αποτελέσματα της νανοεσοχής AFM μας επέτρεψαν επίσης να χαρακτηρίσουμε την φαινομενική κλίση μέτρου επαφής/βάθους (30 kPa/200 nm) της επιφάνειας του βιομιμητικού φακού. Αυτή η κλίση μπορεί να οφείλεται στη διαφορά μέτρου μεταξύ των διακλαδισμένων πολυμερικών βουρτσών και του υποστρώματος SiHy ή στη διακλαδισμένη δομή/πυκνότητα των πολυμερικών βουρτσών ή σε συνδυασμό αυτών. Ωστόσο, απαιτούνται περαιτέρω εις βάθος μελέτες για την πλήρη κατανόηση της σχέσης μεταξύ δομής και ιδιοτήτων, ιδίως της επίδρασης της διακλάδωσης της βούρτσας στις μηχανικές ιδιότητες. Παρόμοιες μετρήσεις μπορούν να βοηθήσουν στον χαρακτηρισμό των μηχανικών ιδιοτήτων της επιφάνειας άλλων εξαιρετικά μαλακών υλικών και ιατρικών συσκευών.
Τα σύνολα δεδομένων που δημιουργήθηκαν ή/και αναλύθηκαν κατά τη διάρκεια της τρέχουσας μελέτης είναι διαθέσιμα από τους αντίστοιχους συγγραφείς κατόπιν εύλογου αιτήματος.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. και Haugen, HJ Βιολογικές αντιδράσεις στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των επιφανειών των βιοϋλικών. Chemical. society. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM και Liu, X. Βελτίωση βιοϋλικών ανθρώπινης προέλευσης για τη μηχανική ιστών. Προγραμματισμός. Πολυμερές. Η επιστήμη. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Σχεδιασμός, κλινική εφαρμογή και ανοσολογική απόκριση βιοϋλικών στην αναγεννητική ιατρική. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK και Farr GM Βελτιωμένη μέθοδος για τον προσδιορισμό της σκληρότητας και του μέτρου ελαστικότητας χρησιμοποιώντας πειράματα εσοχής με μετρήσεις φορτίου και μετατόπισης. J. Alma mater. δεξαμενή αποθήκευσης. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Ιστορική προέλευση της δοκιμής σκληρότητας εσοχής. alma mater. η επιστήμη. τεχνολογίες. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Μετρήσεις σκληρότητας εσοχής σε μακρο-, μικρο- και νανοκλίμακα: Μια κριτική ανασκόπηση. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD και Clapperich, SM Τα σφάλματα ανίχνευσης επιφάνειας οδηγούν σε υπερεκτίμηση του μέτρου διάβρωσης στη νανοεσοχή μαλακών υλικών. J. Mecha. Συμπεριφορά. Βιοϊατρική Επιστήμη. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR και Yahya M.Yu. Αξιολόγηση της μεθόδου νανοεσοχής για τον προσδιορισμό των μηχανικών χαρακτηριστικών ετερογενών νανοσύνθετων υλικών χρησιμοποιώντας πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους. the science. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, και Owart, TS Μηχανικός χαρακτηρισμός μαλακών ιξωδοελαστικών πηκτωμάτων με ανάλυση αντίστροφων πεπερασμένων στοιχείων με βάση την εσοχή και τη βελτιστοποίηση. J. Mecha. Συμπεριφορά. Βιοϊατρική Επιστήμη. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J και Chaneler D. Βελτιστοποίηση του προσδιορισμού της ιξωδοελαστικότητας χρησιμοποιώντας συμβατά συστήματα μέτρησης. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. και Pellillo, E. Νανοεσοχή πολυμερικών επιφανειών. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. και Van Vliet KJ Χαρακτηρισμός ιξωδοελαστικών μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερών υψηλής ελαστικότητας και βιολογικών ιστών χρησιμοποιώντας εσοχή κραδασμών. Journal of Biomaterials. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Αξιολόγηση του μέτρου ελαστικότητας και του έργου πρόσφυσης μαλακών υλικών χρησιμοποιώντας την εκτεταμένη μέθοδο Borodich-Galanov (BG) και βαθιά εσοχή. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Νανοκλίμακα μορφολογία και μηχανικές ιδιότητες βιομιμητικών πολυμερικών επιφανειών φακών επαφής σιλικόνης υδρογέλης. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).