Dankon pro via vizito al Nature.com. Vi uzas retumilan version kun limigita CSS-subteno. Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu Kongruecan Reĝimon en Internet Explorer). Krome, por certigi daŭran subtenon, ni montras la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Montras karuselon de tri lumbildoj samtempe. Uzu la butonojn Antaŭa kaj Sekva por moviĝi tra tri lumbildoj samtempe, aŭ uzu la butonojn de la ŝovilo ĉe la fino por moviĝi tra tri lumbildoj samtempe.
Kun la disvolviĝo de novaj ultramolaj materialoj por medicinaj aparatoj kaj biomedicinaj aplikoj, la ampleksa karakterizado de iliaj fizikaj kaj mekanikaj ecoj estas kaj grava kaj defia. Modifita atomforta mikroskopia (AFM) nanoindenta tekniko estis aplikita por karakterizi la ekstreme malaltan surfacan modulon de la nova lehfilcon A biomimetika silikona hidroĝela kontaktlenso kovrita per tavolo de branĉitaj polimeraj brosstrukturoj. Ĉi tiu metodo permesas precizan determinadon de kontaktopunktoj sen la efikoj de viskoza eltrudado dum alproksimiĝo al branĉitaj polimeroj. Krome, ĝi ebligas determini la mekanikajn karakterizaĵojn de individuaj broselementoj sen la efiko de poroelasteco. Ĉi tio estas atingita per elektado de AFM-sondilo kun dezajno (pintograndeco, geometrio kaj risortrapideco) kiu estas aparte taŭga por mezuri la ecojn de molaj materialoj kaj biologiaj specimenoj. Ĉi tiu metodo plibonigas sentemon kaj precizecon por preciza mezurado de la tre mola materialo lehfilcon A, kiu havas ekstreme malaltan elastecan modulon sur la surfacareo (ĝis 2 kPa) kaj ekstreme altan elastecon en la interna (preskaŭ 100%) akva medio. La rezultoj de la surfaca studo ne nur rivelis la ultramolajn surfacajn ecojn de la lehfilcon A-lenso, sed ankaŭ montris, ke la modulo de la branĉitaj polimeraj brosoj estis komparebla al tiu de la silicio-hidrogena substrato. Ĉi tiu surfaca karakterizada tekniko povas esti aplikita al aliaj ultramolaj materialoj kaj medicinaj aparatoj.
La mekanikaj ecoj de materialoj desegnitaj por rekta kontakto kun vivanta histo ofte estas determinitaj de la biologia medio. La perfekta kongruo de ĉi tiuj materialaj ecoj helpas atingi la deziratajn klinikajn karakterizaĵojn de la materialo sen kaŭzi negativajn ĉelajn respondojn1,2,3. Por grocaj homogenaj materialoj, la karakterizado de mekanikaj ecoj estas relative facila pro la havebleco de normaj proceduroj kaj testmetodoj (ekz., mikroindentado4,5,6). Tamen, por ultramolaj materialoj kiel ĝeloj, hidroĝeloj, biopolimeroj, vivantaj ĉeloj, ktp., ĉi tiuj testmetodoj ĝenerale ne aplikeblas pro limigoj de mezurrezolucio kaj la nehomogeneco de iuj materialoj7. Tra la jaroj, tradiciaj indentmetodoj estis modifitaj kaj adaptitaj por karakterizi vastan gamon de molaj materialoj, sed multaj metodoj ankoraŭ suferas de gravaj mankoj, kiuj limigas ilian uzon8,9,10,11,12,13. La manko de specialigitaj testmetodoj, kiuj povas precize kaj fidinde karakterizi la mekanikajn ecojn de supermolaj materialoj kaj surfacaj tavoloj, grave limigas ilian uzon en diversaj aplikoj.
En nia antaŭa laboro, ni enkondukis la kontaktlenson lehfilcon A (CL), molan heterogenan materialon kun ĉiuj ultra-molaj surfacaj ecoj derivitaj de eble biomimetikaj dezajnoj inspiritaj de la surfaco de la korneo de la okulo. Ĉi tiu biomaterialo estis evoluigita per greftado de branĉita, krucligita polimera tavolo de poli(2-metakriloiloksietilfosforilkolino (MPC)) (PMPC) sur silikonan hidroĝelon (SiHy) 15 desegnitan por medicinaj aparatoj bazitaj sur. Ĉi tiu greftadprocezo kreas tavolon sur la surfaco konsistantan el tre mola kaj tre elasta branĉita polimera brosstrukturo. Nia antaŭa laboro konfirmis, ke la biomimetika strukturo de lehfilcon A CL provizas superajn surfacajn ecojn kiel plibonigita malsekiĝo kaj malpuriĝo-preventado, pliigita lubrikeco kaj reduktita ĉela kaj bakteria adhero 15,16. Krome, la uzo kaj evoluigo de ĉi tiu biomimetika materialo ankaŭ sugestas plian vastiĝon al aliaj biomedicinaj aparatoj. Tial, estas grave karakterizi la surfacajn ecojn de ĉi tiu ultramola materialo kaj kompreni ĝian mekanikan interagadon kun la okulo por krei ampleksan sciobazon por subteni estontajn evoluojn kaj aplikojn. Plej multaj komerce haveblaj SiHy kontaktlensoj konsistas el homogena miksaĵo de hidrofilaj kaj hidrofobaj polimeroj, kiuj formas unuforman materialan strukturon17. Pluraj studoj estis faritaj por esplori iliajn mekanikajn ecojn uzante tradiciajn kunpremajn, streĉajn kaj mikroindentajn testmetodojn18,19,20,21. Tamen, la nova biomimetika dezajno de lehfilcon A CL igas ĝin unika heterogena materialo, en kiu la mekanikaj ecoj de la branĉitaj polimeraj brosstrukturoj signife diferencas de tiuj de la SiHy baza substrato. Tial, estas tre malfacile precize kvantigi ĉi tiujn ecojn uzante konvenciajn kaj indentajn metodojn. Promesplena metodo uzas la nanoindentan testmetodon efektivigitan en atomforta mikroskopio (AFM), metodo kiu estis uzata por determini la mekanikajn ecojn de molaj viskoelastaj materialoj kiel biologiaj ĉeloj kaj histoj, same kiel molaj polimeroj22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. En AFM-nanoindentado, la fundamentoj de nanoindentada testado estas kombinitaj kun la plej novaj progresoj en AFM-teknologio por provizi pliigitan mezursentemecon kaj testadon de vasta gamo de esence supermolaj materialoj31,32,33,34,35,36. Krome, la teknologio ofertas aliajn gravajn avantaĝojn per la uzo de malsamaj geometrioj, indentilo kaj sondilo, kaj la ebleco de testado en diversaj likvaj medioj.
AFM-nanoindentaĵo povas esti kondiĉe dividita en tri ĉefajn komponantojn: (1) ekipaĵo (sensiloj, detektiloj, sondiloj, ktp.); (2) mezurparametroj (kiel forto, delokiĝo, rapido, deklivirejo, ktp.); (3) Datumtraktado (bazlinia korekto, tuŝpunkta takso, daten-alĝustigo, modelado, ktp.). Signifa problemo kun ĉi tiu metodo estas, ke pluraj studoj en la literaturo uzantaj AFM-nanoindentaĵon raportas tre malsamajn kvantajn rezultojn por la sama specimeno/ĉelo/materiala tipo37,38,39,40,41. Ekzemple, Lekka et al. La influo de AFM-sondila geometrio sur la mezurita Young-modulo de specimenoj de meĥanike homogena hidroĝelo kaj heterogenaj ĉeloj estis studita kaj komparita. Ili raportas, ke modulaj valoroj estas tre dependaj de la elekto de kantilevaro kaj la pintoformo, kun la plej alta valoro por piramidforma sondilo kaj la plej malalta valoro de 42 por sfera sondilo. Simile, Selhuber-Unkel et al. Estis montrite kiel la rapido, grandeco kaj dikeco de la indentilo de poliakrilamidaj (PAAM) specimenoj influas la modulon de Young mezuritan per ACM43-nanoindentado. Alia komplika faktoro estas la manko de normaj ekstreme malaltmodulaj testmaterialoj kaj liberaj testproceduroj. Tio malfaciligas akiri precizajn rezultojn kun konfido. Tamen, la metodo estas tre utila por relativaj mezuradoj kaj komparaj taksadoj inter similaj specimentipoj, ekzemple uzante AFM-nanoindentadon por distingi normalajn ĉelojn de kanceraj ĉeloj 44, 45.
Kiam oni testas molajn materialojn per AFM-nanoindentaĵo, ĝenerala regulo estas uzi sondilon kun malalta risortkonstanto (k), kiu proksime kongruas kun la provaĵa modulo, kaj duongloban/rondan pinton, por ke la unua sondilo ne trapiku la provaĵajn surfacojn ĉe la unua kontakto kun molaj materialoj. Gravas ankaŭ, ke la deklina signalo generita de la sondilo estu sufiĉe forta por esti detektita de la lasera detektilsistemo24,34,46,47. En la kazo de ultramolaj heterogenaj ĉeloj, histoj kaj ĝeloj, alia defio estas superi la alteniĝan forton inter la sondilo kaj la provaĵa surfaco por certigi reprodukteblajn kaj fidindajn mezuradojn48,49,50. Ĝis antaŭ nelonge, plej multaj laboroj pri AFM-nanoindentaĵo fokusiĝis al la studo de la mekanika konduto de biologiaj ĉeloj, histoj, ĝeloj, hidroĝeloj kaj biomolekuloj uzante relative grandajn sferajn sondilojn, ofte nomatajn koloidaj sondiloj (KP-oj). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ĉi tiuj pintoj havas radiuson de 1 ĝis 50 µm kaj estas kutime faritaj el borosilikata vitro, polimetilmetakrilato (PMMA), polistireno (PS), silicia dioksido (SiO2) kaj diamant-simila karbono (DLC). Kvankam CP-AFM-nanoindentado ofte estas la unua elekto por karakterizado de mola specimeno, ĝi havas siajn proprajn problemojn kaj limigojn. La uzo de grandaj, mikron-grandaj sferaj pintoj pliigas la totalan kontaktareon de la pinto kun la specimeno kaj rezultas en signifa perdo de spaca distingivo. Por molaj, malhomogenaj specimenoj, kie la mekanikaj ecoj de lokaj elementoj povas signife diferenci de la averaĝo super pli larĝa areo, CP-indentado povas kaŝi ajnan malhomogenecon en ecoj je loka skalo52. Koloidaj sondiloj estas tipe faritaj per alkroĉado de mikron-grandaj koloidaj sferoj al senpintaj kantilevroj uzante epoksiajn gluaĵojn. La fabrikada procezo mem estas plena de multaj problemoj kaj povas konduki al faktkonfliktoj en la sondila kalibrada procezo. Krome, la grandeco kaj maso de koloidaj partikloj rekte influas la ĉefajn kalibradajn parametrojn de la kantilevro, kiel ekzemple resonanca frekvenco, risorta rigideco kaj deklina sentemo56,57,58. Tiel, ofte uzataj metodoj por konvenciaj AFM-sondiloj, kiel ekzemple temperatura kalibrado, eble ne provizas precizan kalibradon por CP, kaj aliaj metodoj povas esti necesaj por plenumi ĉi tiujn korektojn57, 59, 60, 61. Tipaj CP-indentaj eksperimentoj uzas grandajn deviojn en la kantilevro por studi la ecojn de molaj specimenoj, kio kreas alian problemon dum kalibrado de la nelineara konduto de la kantilevro ĉe relative grandaj devioj62,63,64. Modernaj metodoj por kalibrado de koloidaj sondiloj kutime konsideras la geometrion de la kantilevro uzata por kalibrigi la sondilon, sed ignoras la influon de koloidaj partikloj, kio kreas plian necertecon en la precizeco de la metodo38,61. Simile, elastaj moduloj kalkulitaj per kontakta modela alĝustigo estas rekte dependaj de la geometrio de la indentaĵa sondilo, kaj misagordo inter la pinto kaj la specimenaj surfacaj karakterizaĵoj povas konduki al malprecizaĵoj27, 65, 66, 67, 68. Iuj lastatempaj laboroj de Spencer et al. La faktoroj, kiujn oni devus konsideri dum karakterizado de molaj polimeraj brosoj uzante la CP-AFM-nanoindentaĵan metodon, estas elstarigitaj. Ili raportis, ke la reteno de viskoza fluido en polimeraj brosoj kiel funkcio de rapido rezultas en pliiĝo de kapŝarĝo kaj tial malsamaj mezuradoj de rapiddependaj ecoj30,69,70,71.
En ĉi tiu studo, ni karakterizis la surfacan modulon de la ultra-mola, tre elasta materialo *lehfilcon* A CL uzante modifitan AFM-nanoindentadan metodon. Konsiderante la ecojn kaj novan strukturon de ĉi tiu materialo, la sentema gamo de la tradicia indenta metodo estas klare nesufiĉa por karakterizi la modulon de ĉi tiu ekstreme mola materialo, do necesas uzi AFM-nanoindentadan metodon kun pli alta sentemo kaj pli malalta nivelo de sentemo. Post revizio de la mankoj kaj problemoj de ekzistantaj koloidaj AFM-sondilaj nanoindentaj teknikoj, ni montras kial ni elektis pli malgrandan, speciale dizajnitan AFM-sondilon por elimini sentemon, fonan bruon, precize precizigi kontaktopunkton, mezuri rapidmodulon de molaj heterogenaj materialoj, kiel ekzemple dependeco de fluidretenado, kaj preciza kvantigo. Krome, ni povis precize mezuri la formon kaj dimensiojn de la indenta pinto, permesante al ni uzi la konus-sferan konvenan modelon por determini la elastan modulon sen taksi la kontaktan areon de la pinto kun la materialo. La du implicaj supozoj, kiuj estas kvantigitaj en ĉi tiu laboro, estas la plene elastaj materialaj ecoj kaj la indenta profundo-sendependa modulo. Uzante ĉi tiun metodon, ni unue testis ultramolajn normojn kun konata modulo por kvantigi la metodon, kaj poste uzis ĉi tiun metodon por karakterizi la surfacojn de du malsamaj kontaktlensaj materialoj. Ĉi tiu metodo de karakterizado de AFM-nanoindentaj surfacoj kun pliigita sentemo estas atendata esti aplikebla al vasta gamo de biomimetikaj heterogenaj ultramolaj materialoj kun potenciala uzo en medicinaj aparatoj kaj biomedicinaj aplikoj.
Kontaktlensoj Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Teksaso, Usono) kaj iliaj silikonaj hidroĝelaj substratoj estis elektitaj por nanoindentaj eksperimentoj. Speciale desegnita lensa muntado estis uzata en la eksperimento. Por instali la lenson por testado, ĝi estis zorge metita sur la kupolforman stativon, certigante, ke neniuj aervezikoj enirus, kaj poste fiksita per la randoj. Truo en la fiksaĵo ĉe la supro de la lensotenilo provizas aliron al la optika centro de la lenso por nanoindentaj eksperimentoj, samtempe tenante la likvaĵon en loko. Ĉi tio tenas la lensojn plene hidratigitaj. 500 μl da kontaktlensa enpaka solvaĵo estis uzata kiel testsolvaĵo. Por kontroli la kvantajn rezultojn, komerce haveblaj neaktivigitaj poliakrilamidaj (PAAM) hidroĝeloj estis preparitaj el poliakrilamida-ko-metileno-bisakrilamida konsisto (100 mm Petrisoft Petri-pladoj, Matrigen, Irvine, Kalifornio, Usono), konata elasta modulo de 1 kPa. Uzu 4-5 gutojn (ĉirkaŭ 125 µl) de fosfato-bufrita salakvo (PBS de Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, Usono) kaj 1 guton de OPTI-FREE Puremoist kontaktlensa solvaĵo (Alcon, Vaud, TX, Usono). ) ĉe la AFM-hidroĝelo-sondila interfaco.
Specimenoj de Lehfilcon A CL kaj SiHy substratoj estis bildigitaj uzante FEI Quanta 250 Kampa Emisia Skananta Elektrona Mikroskopo (FEG SEM) sistemon ekipitan per Skananta Transmisia Elektrona Mikroskopo (STEM) detektilo. Por prepari la specimenojn, la lensoj unue estis lavitaj per akvo kaj tranĉitaj en tortformajn kojnojn. Por atingi diferencigan kontraston inter la hidrofilaj kaj hidrofobaj komponantoj de la specimenoj, 0.10% stabiligita solvaĵo de RuO4 estis uzata kiel tinkturfarbo, en kiu la specimenoj estis mergitaj dum 30 minutoj. La lehfilcon A CL RuO4 kolorigo estas grava ne nur por atingi plibonigitan diferencigan kontraston, sed ankaŭ helpas konservi la strukturon de la branĉitaj polimeraj brosoj en ilia originala formo, kiuj tiam estas videblaj sur STEM-bildoj. Ili tiam estis lavitaj kaj senakvigitaj en serio de etanolo/akvo miksaĵoj kun kreskanta etanola koncentriĝo. La specimenoj tiam estis fanditaj per EMBed 812/Araldite epoksio, kiu hardis dumnokte je 70°C. Specimenaj blokoj akiritaj per rezina polimerigo estis tranĉitaj per ultramikrotomo, kaj la rezultantaj maldikaj sekcioj estis bildigitaj per STEM-detektilo en malalta vakua reĝimo je akcela tensio de 30 kV. La sama SEM-sistemo estis uzata por detala karakterizado de la PFQNM-LC-A-CAL AFM-sondilo (Bruker Nano, Santa Barbara, Kalifornio, Usono). SEM-bildoj de la AFM-sondilo estis akiritaj en tipa alta vakua reĝimo kun akcela tensio de 30 kV. Akiru bildojn je malsamaj anguloj kaj pligrandigoj por registri ĉiujn detalojn pri la formo kaj grandeco de la AFM-sondila pinto. Ĉiuj interesaj dimensioj de la pinto en la bildoj estis mezuritaj ciferece.
Atomforta mikroskopo Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, Kalifornio, Usono) kun reĝimo "PeakForce QNM en Fluido" estis uzata por bildigi kaj nanoindenti specimenojn de lehfilcon A CL, SiHy-substrato, kaj PAAm-hidroĝelo. ​​Por bildigaj eksperimentoj, PEAKFORCE-HIRS-FA-sondilo (Bruker) kun nominala pintoradiuso de 1 nm estis uzata por kapti alt-rezoluciajn bildojn de la specimeno je skanrapideco de 0.50 Hz. Ĉiuj bildoj estis prenitaj en akva solvaĵo.
AFM-nanoindentaj eksperimentoj estis efektivigitaj uzante PFQNM-LC-A-CAL-sondilon (Bruker). La AFM-sondilo havas silician pinton sur nitrida kantilevro 345 nm dika, 54 µm longa kaj 4.5 µm larĝa kun resonanca frekvenco de 45 kHz. Ĝi estas specife desegnita por karakterizi kaj plenumi kvantajn nanomekanikajn mezuradojn sur molaj biologiaj specimenoj. La sensiloj estas individue kalibritaj en la fabriko kun antaŭkalibritaj risortaj agordoj. La risortaj konstantoj de la sondiloj uzitaj en ĉi tiu studo estis en la intervalo de 0.05–0.1 N/m. Por precize determini la formon kaj grandecon de la pinto, la sondilo estis detale karakterizita uzante SEM. En figuro 1a montras alt-rezolucian, malalt-pligrandigan skanan elektronan mikrografon de la PFQNM-LC-A-CAL-sondilo, provizante holisman vidon de la sondildezajno. En figuro 1b montras pligrandigitan vidon de la supro de la sondilpinto, provizante informojn pri la formo kaj grandeco de la pinto. Ĉe la ekstrema fino, la pinglo estas hemisfero ĉirkaŭ 140 nm en diametro (Fig. 1c). Sub ĉi tio, la pinto mallarĝiĝas en konusan formon, atingante mezuritan longon de proksimume 500 nm. Ekster la mallarĝiĝanta regiono, la pinto estas cilindra kaj finiĝas per totala pintolongo de 1.18 µm. Ĉi tio estas la ĉefa funkcia parto de la sondilpinto. Krome, granda sfera polistirena (PS) sondilo (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iovao, Usono) kun pintodiametro de 45 µm kaj risortkonstanto de 2 N/m ankaŭ estis uzita por testado kiel koloida sondilo. kun PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sondilo por komparo.
Estis raportite, ke likvaĵo povas esti kaptita inter la AFM-sondilo kaj la polimera brosstrukturo dum nanoindentado, kiu penos supreniran forton sur la AFM-sondilon antaŭ ol ĝi efektive tuŝas la surfacon69. Ĉi tiu viskoza eltruda efiko pro fluidreteno povas ŝanĝi la ŝajnan kontaktopunkton, tiel influante mezuradojn de la surfaca modulo. Por studi la efikon de la sondgeometrio kaj indentadrapido sur fluidretenon, indentadfortkurboj estis desegnitaj por lehfilcon A CL-provaĵoj uzante sondilon kun diametro de 140 nm je konstantaj delokiĝrapidoj de 1 µm/s kaj 2 µm/s. Sonddiametro de 45 µm, fiksa fortagordo de 6 nN atingita je 1 µm/s. Eksperimentoj kun sondilo kun diametro de 140 nm estis faritaj je indentadrapido de 1 µm/s kaj agordita forto de 300 pN, elektita por krei kontaktopremon ene de la fiziologia intervalo (1–8 kPa) de la supra palpebro. premo 72. Molaj pretaj specimenoj de PAA-hidroĝelo kun premo de 1 kPa estis testitaj por indentaĵforto de 50 pN je rapideco de 1 μm/s uzante sondilon kun diametro de 140 nm.
Ĉar la longo de la konusa parto de la pinto de la sondilo PFQNM-LC-A-CAL estas proksimume 500 nm, por iu ajn indentaĵa profundo < 500 nm, oni povas sekure supozi, ke la geometrio de la sondilo dum indentaĵo restos fidela al ĝia konusa formo. Krome, oni supozas, ke la surfaco de la testata materialo montros inversigeblan elastan respondon, kio ankaŭ estos konfirmita en la sekvaj sekcioj. Tial, depende de la formo kaj grandeco de la pinto, ni elektis la konus-sferan alĝustigan modelon evoluigitan de Briscoe, Sebastian kaj Adams, kiu estas havebla en la programaro de la vendisto, por prilabori niajn AFM-nanoindentaĵajn eksperimentojn (NanoScope). Programaro por analizo de apartigaj datumoj, Bruker) 73. La modelo priskribas la forto-delokiĝon-rilaton F(δ) por konuso kun sfera apeksa difekto. Sur fig. Figuro 2 montras la kontaktan geometrion dum la interagado de rigida konuso kun sfera pinto, kie R estas la radiuso de la sfera pinto, a estas la kontakta radiuso, b estas la kontakta radiuso ĉe la fino de la sfera pinto, δ estas la kontakta radiuso, la kava profundo, θ estas la duonangulo de la konuso. La SEM-bildo de ĉi tiu sondilo klare montras, ke la sfera pinto kun diametro de 140 nm tanĝante kuniĝas en konuson, do ĉi tie b estas difinita nur per R, t.e. b = R cos θ. La de la vendisto provizita programaro provizas konus-sferan rilaton por kalkuli la modulon de Young (E) valorojn el datumoj pri fortoapartigo supozante a > b. Rilato:
kie F estas la indentaĵa forto, E estas la modulo de Young, ν estas la rilatumo de Poisson. La kontakta radiuso a povas esti taksita per:
Skemo de la kontakta geometrio de rigida konuso kun sfera pinto premita en la materialon de Lefilcon-kontakta lenso kun surfaca tavolo de branĉitaj polimeraj brosoj.
Se a ≤ b, la rilato reduktiĝas al la ekvacio por konvencia sfera apendilo;
Ni kredas, ke la interago de la indentanta sondilo kun la branĉa strukturo de la PMPC-polimera broso kaŭzos, ke la kontakta radiuso a estos pli granda ol la sfera kontakta radiuso b. Tial, por ĉiuj kvantaj mezuradoj de la elasta modulo faritaj en ĉi tiu studo, ni uzis la dependecon akiritan por la kazo a > b.
La ultramolaj biomimetikaj materialoj studitaj en ĉi tiu studo estis amplekse bildigitaj per skana transmisia elektrona mikroskopio (STEM) de la specimena transversa sekcio kaj atomforta mikroskopio (AFM) de la surfaco. Ĉi tiu detala surfaca karakterizado estis farita kiel etendaĵo de nia antaŭe publikigita laboro, en kiu ni determinis, ke la dinamike branĉita polimera brosstrukturo de la PMPC-modifita lehfilcon A CL surfaco montris similajn mekanikajn ecojn al indiĝena kornea histo 14. Tial ni nomas kontaktlensajn surfacojn biomimetikaj materialoj 14. En fig. 3a,b montras transversajn sekciojn de branĉitaj PMPC-polimeraj brosstrukturoj sur la surfaco de lehfilcon A CL substrato kaj netraktita SiHy substrato, respektive. La surfacoj de ambaŭ specimenoj estis plue analizitaj per alt-rezoluciaj AFM-bildoj, kiuj plue konfirmis la rezultojn de la STEM-analizo (Fig. 3c, d). Kune, ĉi tiuj bildoj donas proksimuman longon de la PMPC-branĉita polimera brosstrukturo je 300-400 nm, kio estas kritika por interpreti AFM-nanoindentaciajn mezuradojn. Alia ŝlosila observado derivita de la bildoj estas, ke la ĝenerala surfaca strukturo de la CL-biomimetika materialo estas morfologie malsama ol tiu de la SiHy-substrata materialo. Ĉi tiu diferenco en ilia surfaca morfologio povas fariĝi evidenta dum ilia mekanika interagado kun la indentanta AFM-sondilo kaj poste en la mezuritaj modulusaj valoroj.
Transversaj STEM-bildoj de (a) lehfilcon A CL kaj (b) SiHy-substrato. Skalbreto, 500 nm. AFM-bildoj de la surfaco de la lehfilcon A CL-substrato (c) kaj la baza SiHy-substrato (d) (3 µm × 3 µm).
Bioinspiraj polimeroj kaj polimeraj brosstrukturoj estas esence molaj kaj estis vaste studitaj kaj uzitaj en diversaj biomedicinaj aplikoj74,75,76,77. Tial gravas uzi la AFM-nanoindentaĵan metodon, kiu povas precize kaj fidinde mezuri iliajn mekanikajn ecojn. Sed samtempe, la unikaj ecoj de ĉi tiuj ultramolaj materialoj, kiel ekzemple ekstreme malalta elasta modulo, alta likva enhavo kaj alta elasteco, ofte malfaciligas la elekton de la ĝusta materialo, formo kaj grandeco de la indenta sondilo. Ĉi tio gravas por ke la indentilo ne trapiku la molan surfacon de la specimeno, kio kondukus al eraroj en determinado de la kontaktopunkto kun la surfaco kaj la kontakta areo.
Por tio, ampleksa kompreno pri la morfologio de ultramolaj biomimetikaj materialoj (lehfilcon A CL) estas esenca. Informoj pri la grandeco kaj strukturo de la branĉitaj polimeraj brosoj akiritaj per la bildiga metodo provizas la bazon por la mekanika karakterizado de la surfaco uzante AFM-nanoindentadajn teknikojn. Anstataŭ mikron-grandaj sferaj koloidaj sondiloj, ni elektis la PFQNM-LC-A-CAL silician nitridan sondilon (Bruker) kun pintodiametro de 140 nm, speciale desegnitan por kvanta mapado de la mekanikaj ecoj de biologiaj specimenoj 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. La pravigo por uzi relative akrajn sondilojn kompare kun konvenciaj koloidaj sondiloj povas esti klarigita per la strukturaj trajtoj de la materialo. Komparante la grandecon de la sondilpinto (~140 nm) kun la branĉitaj polimeraj brosoj sur la surfaco de CL lehfilcon A, montrita en Fig. 3a, oni povas konkludi, ke la pinto estas sufiĉe granda por veni en rektan kontakton kun ĉi tiuj brosstrukturoj, kio reduktas la ŝancon, ke la pinto trapikos ilin. Por ilustri ĉi tiun punkton, en Fig. 4 estas STEM-bildo de la lehfilcon A CL kaj la enpremiĝanta pinto de la AFM-sondilo (desegnita laŭ skalo).
Skemo montranta STEM-bildon de lehfilcon A CL kaj ACM-indentaĵsondilon (desegnitan laŭ skalo).
Krome, la grandeco de la pinto de 140 nm estas sufiĉe malgranda por eviti la riskon de iuj ajn el la gluecaj eltrudaj efikoj antaŭe raportitaj por polimeraj brosoj produktitaj per la CP-AFM-nanoindentaĵa metodo69,71. Ni supozas, ke pro la speciala konusforma formo kaj relative malgranda grandeco de ĉi tiu AFM-pinto (Fig. 1), la naturo de la fortokurbo generita per lehfilcon A CL-nanoindentaĵo ne dependos de la indentaĵa rapido aŭ la ŝarĝo/malŝarĝa rapido. Tial, ĝi ne estas influita de poroelastaj efikoj. Por testi ĉi tiun hipotezon, lehfilcon A CL-provaĵoj estis indentitaj je fiksa maksimuma forto uzante PFQNM-LC-A-CAL-sondilon, sed je du malsamaj rapidoj, kaj la rezultantaj streĉaj kaj retiriĝaj fortoj estis uzitaj por desegni la forton (nN) en apartigo (µm) kiel montrita en Figuro 5a. Estas klare, ke la fortokurboj dum ŝarĝado kaj malŝarĝado tute interkovriĝas, kaj ne ekzistas klara pruvo, ke la fortoŝiro ĉe nula indentaĵprofundo pliiĝas kun indentaĵrapido en la figuro, sugestante, ke la individuaj broselementoj estis karakterizitaj sen poroelasta efiko. Kontraste, fluidretenaj efikoj (viskozaj eltrudado kaj poroelastaj efikoj) estas evidentaj por la 45 µm diametra AFM-sondilo ĉe la sama indentaĵrapido kaj estas elstarigitaj per la histerezo inter la streĉaj kaj retiriĝaj kurboj, kiel montrite en Figuro 5b. Ĉi tiuj rezultoj subtenas la hipotezon kaj sugestas, ke 140 nm diametraj sondiloj estas bona elekto por karakterizi tiajn molajn surfacojn.
lehfilcon A CL-indentaĵaj fortokurboj uzante ACM; (a) uzante sondilon kun diametro de 140 nm ĉe du ŝarĝrapidecoj, montrante la foreston de poroelasta efiko dum surfaca indentaĵo; (b) uzante sondilojn kun diametro de 45 µm kaj 140 nm. s montras la efikojn de viskoza eltrudado kaj poroelasteco por grandaj sondiloj kompare kun pli malgrandaj sondiloj.
Por karakterizi ultramolajn surfacojn, AFM-nanoindentaĵaj metodoj devas havi la plej bonan sondilon por studi la ecojn de la studata materialo. Aldone al la formo kaj grandeco de la pinto, la sentemeco de la AFM-detektila sistemo, la sentemeco al pintodeklino en la testa medio, kaj la kantileva rigideco ludas gravan rolon en determinado de la precizeco kaj fidindeco de nanoindentaĵaj mezuradoj. Por nia AFM-sistemo, la detektolimo de la Pozici-Sentema Detektilo (PSD) estas proksimume 0.5 mV kaj baziĝas sur la antaŭkalibrita risortrapideco kaj la kalkulita fluida deklina sentemeco de la PFQNM-LC-A-CAL-sondilo, kiu korespondas al la teoria ŝarĝsentemeco, estas malpli ol 0.1 pN. Tial, ĉi tiu metodo permesas la mezuradon de minimuma indentaĵa forto ≤ 0.1 pN sen ia periferia bruokomponento. Tamen, estas preskaŭ neeble por AFM-sistemo redukti periferian bruon al ĉi tiu nivelo pro faktoroj kiel mekanika vibrado kaj fluiddinamiko. Ĉi tiuj faktoroj limigas la ĝeneralan sentemon de la AFM-nanoindenta metodo kaj ankaŭ rezultas en fona bruosignalo de proksimume ≤ 10 pN. Por surfaca karakterizado, lehfilcon A CL kaj SiHy-substrataj specimenoj estis indentitaj sub plene hidratigitaj kondiĉoj uzante 140 nm-sondilon por SEM-karakterizado, kaj la rezultantaj fortokurboj estis supermetitaj inter forto (pN) kaj premo. La apartiga grafikaĵo (µm) estas montrita en Figuro 6a. Kompare kun la SiHy-baza substrato, la lehfilcon A CL fortokurbo klare montras transiran fazon komenciĝantan ĉe la punkto de kontakto kun la forkita polimera broso kaj finiĝantan per akra ŝanĝo en deklivo markante kontakton de la pinto kun la subesta materialo. Ĉi tiu transira parto de la fortokurbo elstarigas la vere elastan konduton de la branĉita polimera broso sur la surfaco, kiel evidentiĝas per la kunprema kurbo proksime sekvanta la streĉan kurbon kaj la kontrasto en mekanikaj ecoj inter la brosstrukturo kaj la dika SiHy-materialo. Kiam oni komparas lefilcon... Apartigo de la averaĝa longo de branĉita polimera broso en la STEM-bildo de la PCS (Fig. 3a) kaj ĝia fortkurbo laŭ la absciso en Fig. 3a. 6a montras, ke la metodo kapablas detekti la pinton kaj la branĉitan polimeron atingantajn la plej supron de la surfaco. Kontakto inter la brosstrukturoj. Krome, proksima interkovro de la fortkurboj indikas neniun likvan retenefikon. En ĉi tiu kazo, tute ne ekzistas adhero inter la pinglo kaj la surfaco de la specimeno. La plej supraj sekcioj de la fortkurboj por la du specimenoj interkovras, reflektante la similecon de la mekanikaj ecoj de la substrataj materialoj.
(a) AFM-nanoindentaj fortokurboj por lehfilcon A CL-substratoj kaj SiHy-substratoj, (b) fortokurboj montrantaj kontaktopunktan taksadon uzante la fonbruan sojlan metodon.
Por studi la pli fajnajn detalojn de la fortokurbo, la streĉa kurbo de la lehfilcon A CL-provaĵo estas re-desegnita en Fig. 6b kun maksimuma forto de 50 pN laŭ la y-akso. Ĉi tiu grafikaĵo provizas gravajn informojn pri la originala fona bruo. La bruo estas en la intervalo de ±10 pN, kiu estas uzata por precize determini la kontaktopunkton kaj kalkuli la indentaĵprofundon. Kiel raportite en la literaturo, la identigo de kontaktopunktoj estas kritika por precize taksi materialajn ecojn kiel ekzemple modulo85. Aliro implikanta aŭtomatan prilaboradon de fortokurbodatumoj montris plibonigitan kongruon inter datuma kongruo kaj kvantaj mezuradoj por molaj materialoj86. En ĉi tiu laboro, nia elekto de kontaktopunktoj estas relative simpla kaj objektiva, sed ĝi havas siajn limigojn. Nia konservativa aliro al determinado de la kontaktopunkto povas rezultigi iomete supertaksitajn modulajn valorojn por pli malgrandaj indentaĵprofundoj (< 100 nm). La uzo de algoritm-bazita tuŝpunktodetekto kaj aŭtomatigita datumtraktado povus esti daŭrigo de ĉi tiu laboro en la estonteco por plue plibonigi nian metodon. Tiel, por eneca fona bruo je la ordo de ±10 pN, ni difinas la kontaktopunkton kiel la unuan datenpunkton sur la x-akso en Figuro 6b kun valoro de ≥10 pN. Poste, laŭ la bruosojlo de 10 pN, vertikala linio je la nivelo de ~0.27 µm markas la kontaktopunkton kun la surfaco, post kio la streĉa kurbo daŭras ĝis la substrato atingas la indentaĵprofundon de ~270 nm. Interese, surbaze de la grandeco de la branĉitaj polimeraj brosaj trajtoj (300–400 nm) mezuritaj per la bildiga metodo, la indentaĵprofundo de la CL-lehfilcon A-specimeno observita per la fona bruosojla metodo estas ĉirkaŭ 270 nm, kio estas tre proksima al la mezurgrandeco per STEM. Ĉi tiuj rezultoj plue konfirmas la kongruecon kaj aplikeblecon de la formo kaj grandeco de la AFM-sondilpinto por indentaĵo de ĉi tiu tre mola kaj tre elasta branĉita polimera brosstrukturo. Ĉi tiuj datumoj ankaŭ provizas fortan pruvon por subteni nian metodon uzi fonan bruon kiel sojlon por precize indiki kontaktopunktojn. Tiel, ĉiuj kvantaj rezultoj akiritaj per matematika modelado kaj alĝustigo de fortokurbo devus esti relative precizaj.
Kvantaj mezuradoj per AFM-nanoindentaj metodoj tute dependas de la matematikaj modeloj uzataj por datenselektado kaj posta analizo. Tial gravas konsideri ĉiujn faktorojn rilatajn al la elekto de indento, materialaj ecoj kaj la mekaniko de ilia interagado antaŭ ol elekti specifan modelon. En ĉi tiu kazo, la geometrio de la pinto estis zorge karakterizita per SEM-mikrografoj (Fig. 1), kaj surbaze de la rezultoj, la 140 nm-diametra AFM-nanoindenta sondilo kun malmola konuso kaj sfera pintogeometrio estas bona elekto por karakterizi lehfilcon A CL79-specimenojn. Alia grava faktoro, kiun oni devas zorge taksi, estas la elasteco de la testata polimera materialo. Kvankam la komencaj datumoj de nanoindento (Fig. 5a kaj 6a) klare skizas la trajtojn de la interkovriĝo de la streĉaj kaj kunpremaj kurboj, t.e., la kompletan elastan reakiron de la materialo, estas ekstreme grave konfirmi la pure elastan naturon de la kontaktoj. Por tiu celo, du sinsekvaj indentajxoj estis faritaj ĉe la sama loko sur la surfaco de la lehfilcon A CL-provaĵo je indentaxa rapido de 1 µm/s sub plenaj hidratigaj kondiĉoj. La rezultaj fortkurbaj datumoj estas montritaj en fig. 7 kaj, kiel atendite, la ekspansiaj kaj kunpremaj kurboj de la du presaĵoj estas preskaŭ identaj, elstarigante la altan elastecon de la branĉita polimera brosstrukturo.
Du indentaĵfortkurboj ĉe la sama loko sur la surfaco de lehfilcon A CL indikas la idealan elastecon de la lenssurfaco.
Surbaze de informoj akiritaj de SEM kaj STEM bildoj de la sondpinto kaj lehfilcon A CL-surfaco, respektive, la konus-sfera modelo estas racia matematika reprezentado de la interago inter la AFM-sondpinto kaj la mola polimera materialo testata. Krome, por ĉi tiu konus-sfera modelo, la fundamentaj supozoj pri la elastaj ecoj de la premsignita materialo validas por ĉi tiu nova biomimetika materialo kaj estas uzataj por kvantigi la elastan modulon.
Post ampleksa taksado de la AFM-nanoindenta metodo kaj ĝiaj komponantoj, inkluzive de ecoj de la indentaĵa sondilo (formo, grandeco kaj risorta rigideco), sentemo (fona bruo kaj takso de kontaktopunkto), kaj daten-adaptitaj modeloj (kvantaj modulaj mezuradoj), la metodo estis uzata por karakterizi komerce haveblajn ultra-molajn specimenojn por kontroli kvantajn rezultojn. Komerca poliakrilamida (PAAM) hidroĝelo kun elasta modulo de 1 kPa estis testita sub hidratigitaj kondiĉoj uzante 140 nm-sondilon. Detaloj pri modula testado kaj kalkuloj estas provizitaj en la Suplementaj Informoj. La rezultoj montris, ke la averaĝa modulo mezurita estis 0.92 kPa, kaj la %RSD kaj procenta (%) devio de la konata modulo estis malpli ol 10%. Ĉi tiuj rezultoj konfirmas la precizecon kaj reprodukteblecon de la AFM-nanoindenta metodo uzata en ĉi tiu laboro por mezuri la modulojn de ultramolaj materialoj. La surfacoj de la lehfilcon A CL-specimenoj kaj la SiHy-baza substrato estis plue karakterizitaj uzante la saman AFM-nanoindenta metodon por studi la ŝajnan kontaktan modulon de la ultramola surfaco kiel funkcion de la indentaĵprofundo. Kurboj de apartigo de la indentaĵa forto estis generitaj por tri specimenoj de ĉiu tipo (n = 3; unu indentaĵo por specimeno) je forto de 300 pN, rapido de 1 µm/s, kaj plena hidratiĝo. La kurbo de kunhavigo de la indentaĵa forto estis proksimumita uzante konus-sferan modelon. Por akiri modulon dependan de la indentaĵa profundo, 40 nm larĝa parto de la fortokurbo estis agordita ĉe ĉiu pliigo de 20 nm komencante de la punkto de kontakto, kaj mezuritaj valoroj de la modulo ĉe ĉiu paŝo de la fortokurbo. Spin Cy et al. Simila aliro estis uzita por karakterizi la modulan gradienton de poli(laŭrila metakrilato) (P12MA) polimeraj brosoj uzante koloidan AFM-sondan nanoindentaĵon, kaj ili kongruas kun datumoj uzantaj la Hertz-kontaktan modelon. Ĉi tiu aliro provizas grafikaĵon de ŝajna kontakta modulo (kPa) kontraŭ indentaĵa profundo (nm), kiel montrite en Figuro 8, kiu ilustras la ŝajnan kontaktan modulon/profundan gradienton. La kalkulita elasta modulo de la CL lehfilcon A specimeno estas en la intervalo de 2–3 kPa ene de la supraj 100 nm de la specimeno, preter kiu ĝi komencas pliiĝi kun profundo. Aliflanke, kiam oni testas la SiHy bazan substraton sen bros-simila filmo sur la surfaco, la maksimuma indentaĵprofundo atingita ĉe forto de 300 pN estas malpli ol 50 nm, kaj la modula valoro akirita el la datumoj estas ĉirkaŭ 400 kPa, kio estas komparebla al la valoroj de la modulo de Young por grocaj materialoj.
Ŝajna kontakta modulo (kPa) kontraŭ indentaĵprofundo (nm) por lehfilcon A CL kaj SiHy substratoj uzante AFM-nanoindentaĵmetodon kun konus-sfera geometrio por mezuri modulon.
La plej supra surfaco de la nova biomimetika branĉita polimera brosostrukturo montras ekstreme malaltan moduluson de elasteco (2–3 kPa). Ĉi tio kongruos kun la libere pendanta fino de la forkita polimera broso, kiel montrite en la STEM-bildo. Kvankam ekzistas iuj indikoj pri modulusgradiento ĉe la ekstera rando de la CL, la ĉefa altmodula substrato estas pli influa. Tamen, la supraj 100 nm de la surfaco estas ene de 20% de la tuta longo de la branĉita polimera broso, do estas racie supozi, ke la mezuritaj valoroj de la modulusvaloroj en ĉi tiu indentaĵprofunda intervalo estas relative precizaj kaj ne forte dependas de la efiko de la malsupra objekto.
Pro la unika biomimetika dezajno de kontaktlensoj lehfilcon A, konsistantaj el branĉitaj PMPC-polimeraj brosstrukturoj greftitaj sur la surfacon de SiHy-substratoj, estas tre malfacile fidinde karakterizi la mekanikajn ecojn de iliaj surfacaj strukturoj uzante tradiciajn mezurmetodojn. Ĉi tie ni prezentas progresintan AFM-nanoindentaĵan metodon por precize karakterizi ultramolajn materialojn kiel lefilcon A kun alta akvoenhavo kaj ekstreme alta elasteco. Ĉi tiu metodo baziĝas sur la uzo de AFM-sondilo, kies pintograndeco kaj geometrio estas zorge elektitaj por kongrui kun la strukturaj dimensioj de la ultramolaj surfacaj trajtoj, kiujn oni prenos. Ĉi tiu kombinaĵo de dimensioj inter sondilo kaj strukturo provizas pliigitan sentemon, permesante al ni mezuri la malaltan modulon kaj enecajn elastajn ecojn de branĉitaj polimeraj broselementoj, sendepende de poroelastaj efikoj. La rezultoj montris, ke la unikaj branĉitaj PMPC-polimeraj brosoj karakterizaj por la lenssurfaco havis ekstreme malaltan elastan modulon (ĝis 2 kPa) kaj tre altan elastecon (preskaŭ 100%) kiam testitaj en akva medio. La rezultoj de AFM-nanoindentado ankaŭ permesis al ni karakterizi la ŝajnan kontaktmodulon/profundogradienton (30 kPa/200 nm) de la biomimetika lenssurfaco. Ĉi tiu gradiento povas ŝuldiĝi al la modula diferenco inter la branĉitaj polimeraj brosoj kaj la SiHy-substrato, aŭ la branĉita strukturo/denseco de la polimeraj brosoj, aŭ kombinaĵo de ili. Tamen, pliaj profundaj studoj estas necesaj por plene kompreni la rilaton inter strukturo kaj ecoj, precipe la efikon de brosbranĉiĝo sur mekanikajn ecojn. Similaj mezuradoj povas helpi karakterizi la mekanikajn ecojn de la surfaco de aliaj ultramolaj materialoj kaj medicinaj aparatoj.
Datumoj generitaj kaj/aŭ analizitaj dum la nuna studo estas haveblaj de la respektivaj aŭtoroj laŭ racia peto.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. kaj Haugen, HJ Biologiaj reagoj al fizikaj kaj kemiaj ecoj de surfacoj de biomaterialoj. Kemia Societo. Red. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM kaj Liu, X. Plibonigo de hom-derivitaj biomaterialoj por hista inĝenierarto. Programado. Polimero. La scienco. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Dezajno, klinika efektivigo kaj imunreago de biomaterialoj en regenera medicino. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK kaj Farr GM Plibonigita metodo por determini malmolecon kaj elastan modulon uzante indentaĵajn eksperimentojn kun ŝarĝo- kaj delokiĝmezuradoj. J. Alma mater. stokujo. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Historiaj originoj de indentacia malmolecotestado. studuniversitato. la scienco. teknologioj. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Mezuradoj de Indentaĵa Malmoleco ĉe la Makro-, Mikro- kaj Nanoskalo: Kritika Revizio. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD kaj Clapperich, SM Surfacaj detektaj eraroj kondukas al supertakso de modulo en nanoindentado de molaj materialoj. J. Mecha. Konduto. Biomedicina Scienco. studuniversitato. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR kaj Yahya M.Yu. Takso de la nanoindenta metodo por determini la mekanikajn karakterizaĵojn de heterogenaj nanokompozitoj uzante eksperimentajn kaj komputilajn metodojn. the science. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, kaj Owart, TS Mekanika karakterizado de molaj viskoelastaj ĝeloj per indentado kaj optimumig-bazita inversa finia elementa analizo. J. Mecha. Konduto. Biomedicina Scienco. studuniversitato. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J kaj Chaneler D. Optimigo de viskoelastikeco-determinado uzante kongruajn mezursistemojn. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. kaj Pellillo, E. Nanoindentado de polimeraj surfacoj. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. kaj Van Vliet KJ Karakterizado de viskoelastaj mekanikaj ecoj de tre elastaj polimeroj kaj biologiaj histoj uzante ŝokan kavaĵon. Journal of Biomaterials. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Takso de la elasta modulo kaj adhera laboro de molaj materialoj uzante la plilongigitan metodon de Borodich-Galanov (BG) kaj profundan indentadon. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Nanoskala morfologio kaj mekanikaj ecoj de biomimetikaj polimeraj surfacoj de silikonhidroĝelaj kontaktlensoj. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).