Täname teid Nature.com-i külastamise eest. Teie brauseriversioon toetab piiratud CSS-i. Parima kogemuse saamiseks soovitame teil kasutada ajakohast brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiimi). Lisaks kuvame saiti pideva toe tagamiseks ilma stiilide ja JavaScriptita.
Kuvab korraga kolmest slaidist koosneva karusselli. Kolme slaidi korraga läbimiseks kasutage nuppe Eelmine ja Järgmine või kolme slaidi korraga läbimiseks lõpus olevaid liuguri nuppe.
Uute ülipehmete materjalide väljatöötamisega meditsiiniseadmete ja biomeditsiiniliste rakenduste jaoks on nende füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste põhjalik iseloomustamine nii oluline kui ka keeruline. Hargnenud polümeerharjastruktuuriga kaetud uue lehfilcon A biomimeetilise silikoonhüdrogeel kontaktläätse äärmiselt madala pinnamooduli iseloomustamiseks rakendati modifitseeritud aatomjõumikroskoopia (AFM) nanoindentatsioonitehnikat. See meetod võimaldab hargnenud polümeeridega lähenedes täpselt määrata kontaktpunkte ilma viskoosse ekstrusiooni mõjuta. Lisaks võimaldab see määrata üksikute harjaelementide mehaanilisi omadusi ilma poroelastsuseta. See saavutatakse AFM-sondi valimisega, mille disain (otsa suurus, geomeetria ja vedrujäikus) sobib eriti hästi pehmete materjalide ja bioloogiliste proovide omaduste mõõtmiseks. See meetod parandab tundlikkust ja täpsust väga pehme materjali lehfilcon A täpseks mõõtmiseks, millel on äärmiselt madal elastsusmoodul pinnal (kuni 2 kPa) ja äärmiselt kõrge elastsus sisemises (peaaegu 100%) vesikeskkonnas. Pinnauuringu tulemused mitte ainult ei näidanud lehfilcon A läätse ülipehmeid pinnaomadusi, vaid näitasid ka, et hargnenud polümeerharjade moodul oli võrreldav räni-vesinikalustmaterjali omaga. Seda pinna iseloomustamise tehnikat saab rakendada ka teistele ülipehmetele materjalidele ja meditsiiniseadmetele.
Eluskoega otseseks kokkupuuteks mõeldud materjalide mehaanilised omadused määratakse sageli bioloogilise keskkonna poolt. Nende materjaliomaduste ideaalne sobivus aitab saavutada materjali soovitud kliinilisi omadusi ilma ebasoodsaid rakureaktsioone põhjustamata1,2,3. Mahukate homogeensete materjalide puhul on mehaaniliste omaduste iseloomustamine suhteliselt lihtne tänu standardprotseduuride ja katsemeetodite (nt mikrotaanestamine4,5,6) kättesaadavusele. Ülipehmete materjalide, näiteks geelide, hüdrogeelide, biopolümeeride, elusrakkude jne puhul ei ole need katsemeetodid aga üldiselt rakendatavad mõõtmisresolutsiooni piirangute ja mõnede materjalide mittehomogeensuse tõttu7. Aastate jooksul on traditsioonilisi taanestamismeetodeid muudetud ja kohandatud laia pehmete materjalide iseloomustamiseks, kuid paljudel meetoditel on endiselt tõsiseid puudusi, mis piiravad nende kasutamist8,9,10,11,12,13. Spetsialiseeritud katsemeetodite puudumine, mis suudaksid täpselt ja usaldusväärselt iseloomustada ülipehmete materjalide ja pinnakihtide mehaanilisi omadusi, piirab oluliselt nende kasutamist erinevates rakendustes.
Eelmises töös tutvustasime lehfilcon A (CL) kontaktläätse – pehmet heterogeenset materjali, mille kõik ülipehmed pinnaomadused tulenevad silma sarvkesta pinnast inspireeritud potentsiaalselt biomimeetilistest disainidest. See biomaterjal töötati välja polü(2-metakrüloüüloksüetüülfosforüülkoliini (MPC)) (PMPC) hargnenud, ristseotud polümeerkihi pookimise teel silikoonhüdrogeelile (SiHy) 15, mis on mõeldud meditsiiniseadmete jaoks. See pookimisprotsess loob pinnale kihi, mis koosneb väga pehmest ja väga elastsest hargnenud polümeersest harjastruktuurist. Meie varasem töö on kinnitanud, et lehfilcon A CL biomimeetiline struktuur pakub suurepäraseid pinnaomadusi, nagu parem märgumise ja saastumise ennetamine, suurem määrimisvõime ning vähenenud rakkude ja bakterite adhesioon 15,16. Lisaks viitab selle biomimeetilise materjali kasutamine ja arendamine ka edasisele laiendamisele teistele biomeditsiinilistele seadmetele. Seetõttu on oluline iseloomustada selle ülipehme materjali pinnaomadusi ja mõista selle mehaanilist interaktsiooni silmaga, et luua terviklik teadmistebaas tulevaste arenduste ja rakenduste toetamiseks. Enamik kaubanduslikult saadaolevaid SiHy kontaktläätsi koosneb hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete polümeeride homogeensest segust, mis moodustab ühtlase materjalistruktuuri17. Nende mehaaniliste omaduste uurimiseks on läbi viidud mitmeid uuringuid, kasutades traditsioonilisi surve-, tõmbe- ja mikroindentatsioonikatse meetodeid18,19,20,21. Lehfilcon A CL uudne biomimeetiline disain muudab selle aga ainulaadseks heterogeenseks materjaliks, milles hargnenud polümeerharja struktuuride mehaanilised omadused erinevad oluliselt SiHy aluspinna omadustest. Seetõttu on neid omadusi tavapäraste ja taandusmeetodite abil väga raske täpselt kvantifitseerida. Paljutõotav meetod kasutab aatomjõumikroskoopias (AFM) rakendatud nanoindentatsioonikatse meetodit, mida on kasutatud pehmete viskoelastsete materjalide, näiteks bioloogiliste rakkude ja kudede, aga ka pehmete polümeeride mehaaniliste omaduste määramiseks22,23,24,25.,26,27,28,29,30. AFM-nanoindentatsioonis ühendatakse nanoindentatsioonitestimise põhialused AFM-tehnoloogia uusimate edusammudega, et pakkuda suuremat mõõtmistundlikkust ja laia valiku loomupäraselt ülipehmete materjalide testimist31,32,33,34,35,36. Lisaks pakub tehnoloogia muid olulisi eeliseid tänu erinevate geomeetriate kasutamisele, taande ja sondile ning võimalusele testida erinevates vedelkeskkondades.
AFM-nanoindentatsiooni võib tinglikult jagada kolmeks põhikomponendiks: (1) seadmed (andurid, detektorid, sondid jne); (2) mõõtmisparameetrid (näiteks jõud, nihe, kiirus, kaldtee suurus jne); (3) andmetöötlus (baasjoone korrigeerimine, puutepunkti hindamine, andmete sobitamine, modelleerimine jne). Selle meetodi oluline probleem on see, et mitmed kirjanduses AFM-nanoindentatsiooni kasutades tehtud uuringud annavad sama proovi/raku/materjali tüübi kohta väga erinevaid kvantitatiivseid tulemusi37,38,39,40,41. Näiteks Lekka jt. uurisid ja võrreldi AFM-sondi geomeetria mõju mehaaniliselt homogeense hüdrogeeli ja heterogeensete rakkude proovide mõõdetud Youngi moodulile. Nad teatavad, et mooduli väärtused sõltuvad suuresti konsooli valikust ja otsa kujust, kusjuures kõrgeim väärtus on püramiidikujulise sondi puhul ja madalaim väärtus 42 sfäärilise sondi puhul. Sarnaselt on Selhuber-Unkel jt. On näidatud, kuidas polüakrüülamiidi (PAAM) proovide taandamiskiirus, taandamissuurus ja paksus mõjutavad ACM43 nanoindentatsiooniga mõõdetud Youngi moodulit. Teine keeruline tegur on standardsete äärmiselt madala mooduliga testmaterjalide ja vabade testimisprotseduuride puudumine. See muudab täpsete ja usaldusväärsete tulemuste saamise väga keeruliseks. Meetod on aga väga kasulik sarnaste proovitüüpide suhteliste mõõtmiste ja võrdlevate hindamiste jaoks, näiteks AFM nanoindentatsiooni abil normaalsete rakkude eristamiseks vähirakkudest 44, 45.
Pehmete materjalide AFM-nanoindentatsiooniga testimisel on üldine rusikareegel kasutada sondi, millel on madal vedrukonstant (k), mis vastab täpselt proovi moodulile, ning poolkera/ümara otsaga sondi, et esimene sond ei läbistaks proovi pindu esimesel kokkupuutel pehmete materjalidega. Samuti on oluline, et sondi tekitatud läbipaindesignaal oleks piisavalt tugev, et laserdetektorisüsteem seda tuvastaks24,34,46,47. Ülipehmete heterogeensete rakkude, kudede ja geelide puhul on teiseks väljakutseks sondi ja proovi pinna vahelise adhesioonijõu ületamine, et tagada reprodutseeritavad ja usaldusväärsed mõõtmised48,49,50. Kuni viimase ajani on suurem osa AFM-nanoindentatsiooniga seotud tööst keskendunud bioloogiliste rakkude, kudede, geelide, hüdrogeelide ja biomolekulide mehaanilise käitumise uurimisele, kasutades suhteliselt suuri sfäärilisi sonde, mida tavaliselt nimetatakse kolloidseteks sondideks (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Nende otsikute raadius on 1 kuni 50 µm ja need on tavaliselt valmistatud borosilikaatklaasist, polümetüülmetakrülaadist (PMMA), polüstüreenist (PS), ränidioksiidist (SiO2) ja teemantlaadsest süsinikust (DLC). Kuigi CP-AFM nanoindentatsioon on pehmete proovide iseloomustamiseks sageli esimene valik, on sellel omad probleemid ja piirangud. Suurte, mikroni suuruste sfääriliste otsikute kasutamine suurendab otsiku ja proovi kogu kokkupuutepinda ning põhjustab ruumilise eraldusvõime olulist kadu. Pehmete, mittehomogeensete proovide puhul, kus kohalike elementide mehaanilised omadused võivad laiemal alal keskmisest oluliselt erineda, võib CP-indentatsioon varjata omaduste ebaühtlust kohalikul skaalal52. Kolloidsed sondid valmistatakse tavaliselt mikroni suuruste kolloidsete sfääride kinnitamisega otsikuteta konsoolidele epoksüliimide abil. Tootmisprotsess ise on täis palju probleeme ja võib põhjustada vastuolusid sondi kalibreerimisprotsessis. Lisaks mõjutavad kolloidosakeste suurus ja mass otseselt konsoolvarda peamisi kalibreerimisparameetreid, nagu resonantssagedus, vedrujäikus ja läbipaindetundlikkus56,57,58. Seega ei pruugi tavapäraste AFM-sondide puhul tavaliselt kasutatavad meetodid, näiteks temperatuuri kalibreerimine, anda CP jaoks täpset kalibreerimist ning nende paranduste tegemiseks võib vaja minna muid meetodeid57, 59, 60, 61. Tüüpilised CP taanduskatsed kasutavad pehmete proovide omaduste uurimiseks suurte hälvetega konsoolvarda, mis tekitab veel ühe probleemi konsoolvarda mittelineaarse käitumise kalibreerimisel suhteliselt suurte hälvete korral62,63,64. Kaasaegsed kolloidsondide taandusmeetodid võtavad tavaliselt arvesse sondi kalibreerimiseks kasutatava konsoolvarda geomeetriat, kuid ignoreerivad kolloidosakeste mõju, mis tekitab meetodi täpsuses täiendavat ebakindlust38,61. Samamoodi sõltuvad kontaktmudeli sobitamise teel arvutatud elastsusmoodulid otseselt taandussondi geomeetriast ning otsa ja proovi pinna omaduste mittevastavus võib põhjustada ebatäpsusi27, 65, 66, 67, 68. Mõned Spenceri jt hiljutised tööd. Esile tõstetakse tegureid, mida tuleks CP-AFM nanoindentatsioonimeetodi abil pehmete polümeerharjade iseloomustamisel arvesse võtta. Nad teatasid, et viskoosse vedeliku peetumine polümeerharjades kiiruse funktsioonina suurendab pea koormust ja seega erinevaid kiirusest sõltuvate omaduste mõõtmisi30,69,70,71.
Selles uuringus iseloomustasime ülipehme ja väga elastse materjali lehfilcon A CL pinnamoodulit modifitseeritud AFM-nanoindentatsioonimeetodi abil. Arvestades selle materjali omadusi ja uut struktuuri, on traditsioonilise taandusmeetodi tundlikkusvahemik selle äärmiselt pehme materjali mooduli iseloomustamiseks selgelt ebapiisav, seega on vaja kasutada suurema ja madalama tundlikkusega AFM-nanoindentatsioonimeetodit. Pärast olemasolevate kolloidsete AFM-sondi nanoindentatsioonitehnikate puuduste ja probleemide ülevaatamist näitame, miks valisime väiksema, spetsiaalselt disainitud AFM-sondi, et kõrvaldada tundlikkus, taustamüra, täpselt määrata kokkupuutepunkt, mõõta pehmete heterogeensete materjalide kiirusmoodulit, näiteks vedelikupeetuse sõltuvust, ja täpselt kvantifitseerida. Lisaks suutsime täpselt mõõta taandusotsa kuju ja mõõtmeid, mis võimaldas meil kasutada koonuse-sfääri sobitusmudelit elastsusmooduli määramiseks ilma otsa kokkupuutepinda materjaliga hindamata. Kaks selles töös kvantifitseeritud implitsiitset eeldust on täielikult elastse materjali omadused ja taandesügavusest sõltumatu moodul. Selle meetodi abil testisime esmalt teadaoleva mooduliga ülipehmeid standardeid meetodi kvantifitseerimiseks ja seejärel kasutasime seda meetodit kahe erineva kontaktläätsematerjali pindade iseloomustamiseks. See suurenenud tundlikkusega AFM-i nanoindentatsioonipindade iseloomustamise meetod on eeldatavasti rakendatav laiale valikule biomimeetilistele heterogeensetele ülipehmetele materjalidele, millel on potentsiaalne kasutus meditsiiniseadmetes ja biomeditsiinilistes rakendustes.
Nanoindentatsioonikatseteks valiti Lehfilcon A kontaktläätsed (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) ja nende silikoonhüdrogeel-alusmaterjalid. Katses kasutati spetsiaalselt loodud läätsekinnitust. Läätse testimiseks paigaldamiseks asetati see ettevaatlikult kuplikujulisele alusele, veendudes, et sisse ei satuks õhumulle, ja seejärel fikseeriti servadega. Läätsehoidiku ülaosas olevas kinnituses olev auk võimaldab juurdepääsu läätse optilisele keskmele nanoindentatsioonikatsete jaoks, hoides samal ajal vedelikku paigal. See hoiab läätsed täielikult niisutatuna. Katselahusena kasutati 500 μl kontaktläätsede pakkelahust. Kvantitatiivsete tulemuste kontrollimiseks valmistati kaubanduslikult saadaval olevad aktiveerimata polüakrüülamiidi (PAAM) hüdrogeelid polüakrüülamiid-ko-metüleen-bisakrüülamiidi koostisest (100 mm Petrisoft Petri tassid, Matrigen, Irvine, CA, USA), mille teadaolev elastsusmoodul on 1 kPa. Kasutage AFM-i hüdrogeeli ja sondi liidesel 4–5 tilka (umbes 125 µl) fosfaatpuhverdatud soolalahust (PBS firmalt Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) ja 1 tilka OPTI-FREE Puremoist kontaktläätsede lahust (Alcon, Vaud, TX, USA).
Lehfilcon A CL ja SiHy substraatide proove visualiseeriti FEI Quanta 250 väljakiirgusega skaneeriva elektronmikroskoobi (FEG SEM) süsteemi abil, mis oli varustatud skaneeriva transmissioon-elektronmikroskoobi (STEM) detektoriga. Proovide ettevalmistamiseks pesti läätsed esmalt veega ja lõigati pirukakujulisteks kiiludeks. Proovide hüdrofiilsete ja hüdrofoobsete komponentide vahelise erineva kontrasti saavutamiseks kasutati värvainena 0,10% stabiliseeritud RuO4 lahust, millesse proove kasteti 30 minutiks. Lehfilcon A CL RuO4 värvimine on oluline mitte ainult parema diferentsiaalse kontrasti saavutamiseks, vaid aitab ka säilitada hargnenud polümeerharjade struktuuri nende algsel kujul, mis on seejärel STEM-piltidel nähtavad. Seejärel pesti ja dehüdreeriti neid etanooli/vee segude seerias, suurendades etanooli kontsentratsiooni. Seejärel valati proovid EMBed 812/araldiidi epoksiidiga, mis kõvenes üleöö temperatuuril 70 °C. Vaigu polümerisatsiooni teel saadud prooviplokid lõigati ultramikrotoomiga ja saadud õhukesed sektsioonid visualiseeriti STEM-detektoriga madalvaakumis kiirenduspingel 30 kV. Sama SEM-süsteemi kasutati PFQNM-LC-A-CAL AFM-sondi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) detailseks iseloomustamiseks. AFM-sondi SEM-kujutised saadi tüüpilises kõrgvaakumis kiirenduspingel 30 kV. AFM-sondi otsa kuju ja suuruse kõigi detailide salvestamiseks tehke pilte erinevate nurkade ja suurendustega. Kõik piltidel olevad huvipakkuvad otsa mõõtmed mõõdeti digitaalselt.
Lehfilcon A CL, SiHy substraadi ja PAAm hüdrogeeli proovide visualiseerimiseks ja nano-hambaliseks muutmiseks kasutati Dimension FastScan Bio Icon aatomjõumikroskoopi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) režiimiga „PeakForce QNM in Fluid“. Kujutiseeksperimentide jaoks kasutati PEAKFORCE-HIRS-FA sondi (Bruker), mille nominaalne otsaraadius oli 1 nm, et jäädvustada proovist kõrge eraldusvõimega pilte skaneerimiskiirusega 0,50 Hz. Kõik pildid tehti vesilahuses.
AFM-i nanoindentatsioonikatsed viidi läbi PFQNM-LC-A-CAL sondiga (Bruker). AFM-sondil on räniots nitriidkonsoolil, mille paksus on 345 nm, pikkus 54 µm ja laius 4,5 µm ning resonantssagedus 45 kHz. See on spetsiaalselt loodud pehmete bioloogiliste proovide iseloomustamiseks ja kvantitatiivsete nanomehaaniliste mõõtmiste tegemiseks. Andurid kalibreeritakse tehases individuaalselt eelkalibreeritud vedruseadistustega. Selles uuringus kasutatud sondide vedrukonstandid olid vahemikus 0,05–0,1 N/m. Otsa kuju ja suuruse täpseks määramiseks iseloomustati sondi üksikasjalikult SEM-i abil. Joonisel fig. 1a on näidatud PFQNM-LC-A-CAL sondi kõrge eraldusvõimega, madala suurendusega skaneeriva elektronmikroskoobi foto, mis annab sondi konstruktsiooni tervikliku ülevaate. Joonisel fig. 1b on näidatud sondi otsa ülaosa suurendatud vaade, mis annab teavet otsa kuju ja suuruse kohta. Äärmises otsas on nõel umbes 140 nm läbimõõduga poolkera (joonis 1c). Sellest allpool aheneb ots kooniliseks, ulatudes umbes 500 nm pikkuseks. Väljaspool ahenevat piirkonda on ots silindrikujuline ja selle otsa kogupikkus on 1,18 µm. See on sondi otsa peamine funktsionaalne osa. Lisaks kasutati kolloidse sondina testimiseks ka suurt sfäärilist polüstüreenist (PS) sondi (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA), mille otsa läbimõõt oli 45 µm ja vedrukonstant 2 N/m, võrdluseks PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sondi.
On teatatud, et nanoindentatsiooni ajal võib AFM-sondi ja polümeerharja struktuuri vahele jääda vedelik, mis avaldab AFM-sondile ülespoole suunatud jõudu enne, kui see tegelikult pinda puudutab69. See vedelikupeetusest tingitud viskoosne ekstrusiooniefekt võib muuta nähtavat kokkupuutepunkti, mõjutades seeläbi pinnamooduli mõõtmisi. Sondi geomeetria ja taanduskiiruse mõju vedelikupeetusele uurimiseks joonistati lehfilcon A CL proovide taandusjõu kõverad, kasutades 140 nm läbimõõduga sondi konstantse nihkekiirusega 1 µm/s ja 2 µm/s. Sondi läbimõõt 45 µm, fikseeritud jõu seadistus 6 nN saavutati kiirusel 1 µm/s. Katsed 140 nm läbimõõduga sondiga viidi läbi taanduskiirusel 1 µm/s ja seatud jõuga 300 pN, mis valiti nii, et see tekitaks ülemise silmalau füsioloogilises vahemikus (1–8 kPa) oleva kontaktrõhu. rõhk 72. PAA-hüdrogeeli pehmeid valmisproove rõhul 1 kPa testiti 50 pN taandusjõu suhtes kiirusel 1 μm/s, kasutades sondi läbimõõduga 140 nm.
Kuna PFQNM-LC-A-CAL sondi otsa koonilise osa pikkus on ligikaudu 500 nm, võib iga < 500 nm taandussügavuse korral eeldada, et sondi geomeetria taandamisel jääb oma koonuse kujule truuks. Lisaks eeldatakse, et uuritava materjali pind ilmutab pöörduvat elastset reaktsiooni, mida kinnitatakse ka järgmistes osades. Seetõttu valisime oma AFM-i nanotaanduskatsete (NanoScope) töötlemiseks, olenevalt otsa kujust ja suurusest, Briscoe, Sebastiani ja Adamsi väljatöötatud koonuse-sfääri sobitusmudeli, mis on saadaval müüja tarkvaras. Eraldusandmete analüüsi tarkvara, Bruker) 73. Mudel kirjeldab jõu-nihke suhet F(δ) sfäärilise tipu defektiga koonuse puhul. Joonisel Joonis 2 näitab jäiga koonuse ja sfäärilise otsa vastastikmõju ajal tekkivat kontaktgeomeetriat, kus R on sfäärilise otsa raadius, a on kontaktraadius, b on sfäärilise otsa otsa kontaktraadius, δ on kontaktraadius. taande sügavus ja θ on koonuse poolnurk. Selle sondi SEM-pilt näitab selgelt, et 140 nm läbimõõduga sfääriline ots sulandub tangentsiaalselt koonusesse, seega on b siin defineeritud ainult R kaudu, st b = R cos θ. Tarnija tarkvara pakub koonuse-sfääri seost Youngi mooduli (E) väärtuste arvutamiseks jõu eraldusandmetest, eeldades, et a > b. Seos:
kus F on taandusjõud, E on Youngi moodul ja ν on Poissoni suhe. Kontaktraadiust a saab hinnata järgmise valemi abil:
Lefilconi kontaktläätse materjali sisse pressitud hargnenud polümeerharjadest pinnakihiga jäiga koonuse kontaktgeomeetria skeem, mille sfääriline ots on sisse pressitud.
Kui a ≤ b, taandub seos tavapärase sfäärilise treppimise võrrandiks;
Usume, et taandusanduri ja PMPC polümeerharja hargnenud struktuuri vastastikmõju põhjustab kontaktraadiuse a suuremaks kui sfääriline kontaktraadius b. Seetõttu kasutasime kõigi selles uuringus läbi viidud elastsusmooduli kvantitatiivsete mõõtmiste puhul juhtumi a > b jaoks saadud sõltuvust.
Selles uuringus uuritud ülipehmeid biomimeetilisi materjale pildistati põhjalikult proovi ristlõike skaneeriva transmissioon-elektronmikroskoopia (STEM) ja pinna aatomjõumikroskoopia (AFM) abil. See detailne pinna iseloomustus viidi läbi meie varem avaldatud töö laiendusena, milles leidsime, et PMPC-modifitseeritud lehfilcon A CL pinna dünaamiliselt hargnenud polümeersel harjasstruktuuril on sarnased mehaanilised omadused kui natiivsel sarvkesta koel14. Sel põhjusel nimetame kontaktläätsede pindu biomimeetilisteks materjalideks14. Joonistel 3a, b on näidatud hargnenud PMPC polümeerharja struktuuride ristlõiked vastavalt lehfilcon A CL substraadi ja töötlemata SiHy substraadi pinnal. Mõlema proovi pindu analüüsiti edasi kõrgresolutsiooniga AFM-piltide abil, mis kinnitasid veelgi STEM-analüüsi tulemusi (joonis 3c, d). Kokkuvõttes annavad need pildid PMPC hargnenud polümeerharja struktuuri ligikaudse pikkuse lainepikkusel 300–400 nm, mis on kriitilise tähtsusega AFM-i nanoindentatsiooni mõõtmiste tõlgendamisel. Teine piltidelt tuletatud oluline tähelepanek on see, et CL biomimeetilise materjali üldine pinnastruktuur erineb morfoloogiliselt SiHy substraadimaterjali omast. See erinevus nende pinnamorfoloogias võib ilmneda nende mehaanilise interaktsiooni ajal taandava AFM-sondiga ja seejärel mõõdetud mooduli väärtustes.
(a) lehfilcon A CL ja (b) SiHy substraadi ristlõikelised STEM-kujutised. Skaalariba, 500 nm. Lehfilcon A CL substraadi (c) ja SiHy alussubstraadi (d) pinna AFM-kujutised (3 µm × 3 µm).
Bioinspireeritud polümeerid ja polümeerharja struktuurid on oma olemuselt pehmed ning neid on laialdaselt uuritud ja kasutatud erinevates biomeditsiinilistes rakendustes74,75,76,77. Seetõttu on oluline kasutada AFM-i nanoindentatsioonimeetodit, mis võimaldab täpselt ja usaldusväärselt mõõta nende mehaanilisi omadusi. Kuid samal ajal raskendavad nende ülipehmete materjalide ainulaadsed omadused, nagu äärmiselt madal elastsusmoodul, suur vedelikusisaldus ja kõrge elastsus, sageli õige materjali, kuju ja taandussondi suuruse valimist. See on oluline selleks, et taane ei läbistaks proovi pehmet pinda, mis tooks kaasa vigu kokkupuutepunkti ja kokkupuuteala määramisel pinnaga.
Selleks on oluline ülipehmete biomimeetiliste materjalide (lehfilcon A CL) morfoloogia põhjalik mõistmine. Pildistamismeetodi abil saadud hargnenud polümeerharjade suuruse ja struktuuri teave annab aluse pinna mehaaniliseks iseloomustamiseks AFM-nanoindentatsioonitehnikate abil. Mikroni suuruste sfääriliste kolloidsete sondide asemel valisime PFQNM-LC-A-CAL räninitriidsondi (Bruker), mille otsa läbimõõt on 140 nm ja mis on spetsiaalselt loodud bioloogiliste proovide mehaaniliste omaduste kvantitatiivseks kaardistamiseks 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Suhteliselt teravate sondide kasutamise põhjendus võrreldes tavapäraste kolloidsete sondidega on seletatav materjali struktuuriliste iseärasustega. Võrreldes sondi otsa suurust (~140 nm) CL lehfilcon A pinnal olevate hargnenud polümeerharjadega, mis on näidatud joonisel 3a, võib järeldada, et ots on piisavalt suur, et nende harjastruktuuridega otseselt kokku puutuda, mis vähendab otsa nendest läbitungimise võimalust. Selle punkti illustreerimiseks on joonisel 4 lehfilcon A CL ja AFM-sondi taandusotsa STEM-pilt (mõõtkavas).
Lehfilcon A CL ja ACM-i süvendussondi STEM-kujutise skeem (joonistatud mõõtkavas).
Lisaks on 140 nm otsa suurus piisavalt väike, et vältida kleepuvate ekstrusiooniefektide ohtu, mida on varem kirjeldatud CP-AFM nanoindentatsioonimeetodil toodetud polümeerharjade puhul69,71. Eeldame, et selle AFM otsa spetsiaalse koonusekujulise kuju ja suhteliselt väikese suuruse tõttu (joonis 1) ei sõltu lehfilcon A CL nanoindentatsiooni tekitatud jõukõvera olemus taandamiskiirusest ega laadimis-/tühjenduskiirusest. Seetõttu ei mõjuta seda poroelastsed efektid. Selle hüpoteesi kontrollimiseks taandati lehfilcon A CL proove PFQNM-LC-A-CAL sondi abil fikseeritud maksimaalse jõuga, kuid kahel erineval kiirusel, ja saadud tõmbe- ja tagasitõmbejõu kõveraid kasutati jõu (nN) graafikule eraldamisel (µm), mis on näidatud joonisel 5a. On selge, et jõukõverad laadimise ja mahalaadimise ajal kattuvad täielikult ning joonisel puuduvad selged tõendid selle kohta, et jõu nihke nullsügavusel suureneks koos taanduskiirusega, mis viitab sellele, et individuaalseid harjaelemente iseloomustati ilma poroelastsusefektita. Seevastu vedelikupeetuse efektid (viskoosse ekstrusiooni ja poroelastsusefektid) on 45 µm läbimõõduga AFM-sondi puhul sama taanduskiiruse juures ilmsed ning neid rõhutab venitus- ja tagasitõmbumiskõverate vaheline hüsterees, nagu on näidatud joonisel 5b. Need tulemused toetavad hüpoteesi ja viitavad sellele, et 140 nm läbimõõduga sondid on hea valik selliste pehmete pindade iseloomustamiseks.
lehfilcon A CL taandusjõu kõverad ACM-i abil; (a) 140 nm läbimõõduga sondi kasutamine kahe laadimiskiirusega, mis näitab poroelastsusefekti puudumist pinna taandamisel; (b) 45 µm ja 140 nm läbimõõduga sondide kasutamine. Joonised näitavad viskoosse ekstrusiooni ja poroelastsusefekte suurte sondide puhul võrreldes väiksemate sondidega.
Ülipehmete pindade iseloomustamiseks peavad AFM-i nanoindentatsioonimeetodid omama parimat sondi uuritava materjali omaduste uurimiseks. Lisaks otsa kujule ja suurusele mängivad nanoindentatsioonimõõtmiste täpsuse ja usaldusväärsuse määramisel olulist rolli AFM-detektorisüsteemi tundlikkus, otsa läbipainde tundlikkus katsekeskkonnas ja konsooli jäikus. Meie AFM-süsteemi puhul on positsioonitundliku detektori (PSD) avastamispiir ligikaudu 0,5 mV ja see põhineb eelkalibreeritud vedrutugevusel ning PFQNM-LC-A-CAL sondi arvutatud vedeliku läbipaindetundlikkus, mis vastab teoreetilisele koormustundlikkusele. on väiksem kui 0,1 pN. Seetõttu võimaldab see meetod mõõta minimaalset taandusjõudu ≤ 0,1 pN ilma perifeerse mürakomponendita. AFM-süsteemil on aga peaaegu võimatu vähendada perifeerset müra sellisele tasemele selliste tegurite tõttu nagu mehaaniline vibratsioon ja vedeliku dünaamika. Need tegurid piiravad AFM-i nanoindentatsioonimeetodi üldist tundlikkust ja põhjustavad ka taustmüra signaali ligikaudu ≤ 10 pN. Pinna iseloomustamiseks taandati lehfilcon A CL ja SiHy substraadi proove täielikult hüdreeritud tingimustes, kasutades SEM-i iseloomustamiseks 140 nm sondi, ning saadud jõukõverad asetati jõu (pN) ja rõhu vahele. Eraldusdiagramm (µm) on näidatud joonisel 6a. Võrreldes SiHy alussubstraadiga näitab lehfilcon A CL jõukõver selgelt üleminekufaasi, mis algab kokkupuutepunktist kahvlikujulise polümeerharjaga ja lõpeb otsa ja alusmaterjali kokkupuute kaldemärgistuse järsu muutusega. See jõukõvera üleminekuosa rõhutab hargnenud polümeerharja tõeliselt elastset käitumist pinnal, mida tõendab pingekõverale tihedalt järgnev kokkusurumiskõver ja harja struktuuri ning mahuka SiHy materjali mehaaniliste omaduste kontrast. Lefilconi võrdlemisel. Hargnenud polümeerharja keskmise pikkuse eraldamine PCS-i STEM-pildil (joonis 3a) ja selle jõukõvera eraldamine mööda abstsisstelje joonisel 3a. Joonis 6a näitab, et meetod suudab tuvastada otsa ja hargnenud polümeeri jõudmist pinna ülaossa. Harjastruktuuride vaheline kontakt. Lisaks näitab jõukõverate tihe kattumine vedelikupeetuse puudumist. Sellisel juhul puudub nõela ja proovi pinna vahel igasugune adhesioon. Kahe proovi jõukõverate ülemised osad kattuvad, mis peegeldab alusmaterjalide mehaaniliste omaduste sarnasust.
(a) Lehfilcon A CL ja SiHy substraatide AFM nanoindentatsioonijõu kõverad, (b) jõukõverad, mis näitavad kokkupuutepunkti hindamist taustamüra lävimeetodi abil.
Jõukõvera peenemate detailide uurimiseks on joonisel 6b uuesti joonistatud lehfilcon A CL proovi pingekõver maksimaalse jõuga 50 pN mööda y-telge. See graafik annab olulist teavet algse taustmüra kohta. Müra on vahemikus ±10 pN, mida kasutatakse kokkupuutepunkti täpseks määramiseks ja taandussügavuse arvutamiseks. Nagu kirjanduses on kirjeldatud, on kokkupuutepunktide tuvastamine kriitilise tähtsusega materjali omaduste, näiteks mooduli, täpseks hindamiseks85. Jõukõvera andmete automaatset töötlemist hõlmav lähenemisviis on näidanud paremat sobivust andmete sobitamise ja pehmete materjalide kvantitatiivsete mõõtmiste vahel86. Selles töös on meie kokkupuutepunktide valik suhteliselt lihtne ja objektiivne, kuid sellel on oma piirangud. Meie konservatiivne lähenemisviis kokkupuutepunkti määramisele võib väiksemate taandussügavuste (< 100 nm) korral põhjustada veidi ülehinnatud mooduli väärtusi. Algoritmipõhise kokkupuutepunktide tuvastamise ja automatiseeritud andmetöötluse kasutamine võiks olla selle töö jätk tulevikus, et meie meetodit veelgi täiustada. Seega, ±10 pN suurusjärgus sisemise taustamüra puhul defineerime kokkupuutepunkti joonisel 6b x-telje esimese andmepunktina väärtusega ≥10 pN. Seejärel, vastavalt müra lävele 10 pN, tähistab vertikaalne joon ~0,27 µm tasemel kokkupuutepunkti pinnaga, mille järel venituskõver jätkub, kuni aluspind saavutab ~270 nm taandesügavuse. Huvitaval kombel on hargnenud polümeerharja tunnuste suuruse (300–400 nm), mis on mõõdetud pildistamismeetodi abil, põhjal CL lehfilcon A proovi taandesügavus, mis on taustmüra läve meetodil täheldatud, umbes 270 nm, mis on väga lähedane STEM-iga mõõtesuurusele. Need tulemused kinnitavad veelgi AFM-sondi otsa kuju ja suuruse ühilduvust ja rakendatavust selle väga pehme ja väga elastse hargnenud polümeerharja struktuuri taandamisel. Need andmed pakuvad ka tugevaid tõendeid meie meetodi toetuseks, kus taustmüra kasutatakse kontaktpunktide täpseks määramiseks lävendina. Seega peaksid kõik matemaatilise modelleerimise ja jõukõvera sobitamise teel saadud kvantitatiivsed tulemused olema suhteliselt täpsed.
AFM-i nanoindentatsioonimeetodite kvantitatiivsed mõõtmised sõltuvad täielikult andmete valikuks ja järgnevaks analüüsiks kasutatavatest matemaatilistest mudelitest. Seetõttu on enne konkreetse mudeli valimist oluline arvestada kõigi indentori valiku, materjali omaduste ja nende vastastikmõju mehhanismiga seotud teguritega. Antud juhul iseloomustati otsa geomeetriat hoolikalt SEM-mikrofotode abil (joonis 1) ja tulemuste põhjal on 140 nm läbimõõduga AFM-i nanoindentatsioonisond kõva koonuse ja sfäärilise otsa geomeetriaga hea valik lehfilcon A CL79 proovide iseloomustamiseks. Teine oluline tegur, mida tuleb hoolikalt hinnata, on testitava polümeermaterjali elastsus. Kuigi nanoindentatsiooni algandmed (joonised 5a ja 6a) visandavad selgelt pinge- ja survekõverate kattumise tunnuseid, st materjali täielikku elastset taastumist, on äärmiselt oluline kinnitada kontaktide puhtalt elastset olemust. Selleks tehti lehfilcon A CL proovi pinnal samas kohas kaks järjestikust indentatsiooni kiirusega 1 µm/s täieliku hüdratsiooni tingimustes. Saadud jõukõvera andmed on näidatud joonisel 7 ja nagu oodatud, on kahe prindi paisumis- ja kokkusurumiskõverad peaaegu identsed, mis rõhutab hargnenud polümeerharja struktuuri suurt elastsust.
Kaks lehfilcon A CL pinna samas kohas paiknevat taandusjõu kõverat näitavad läätse pinna ideaalset elastsust.
Sondi otsa ja lehfilcon A CL pinna SEM- ja STEM-piltidelt saadud teabe põhjal on koonuse-sfääri mudel AFM-sondi otsa ja testitava pehme polümeermaterjali vastastikmõju mõistlik matemaatiline esitus. Lisaks kehtivad selle koonuse-sfääri mudeli puhul trükitud materjali elastsete omaduste kohta käivad põhieelduste kehtivus ka selle uue biomimeetilise materjali puhul ja neid kasutatakse elastsusmooduli kvantifitseerimiseks.
Pärast AFM-i nanoindentatsioonimeetodi ja selle komponentide, sealhulgas taandussondi omaduste (kuju, suurus ja vedrujäikus), tundlikkuse (taustamüra ja kontaktpunkti hindamine) ja andmete sobitusmudelite (kvantitatiivsed mooduli mõõtmised) põhjalikku hindamist kasutati meetodit kaubanduslikult saadaolevate ülipehmete proovide iseloomustamiseks kvantitatiivsete tulemuste kontrollimiseks. Kaubanduslikku polüakrüülamiidi (PAAM) hüdrogeeli elastsusmooduliga 1 kPa testiti hüdreeritud tingimustes, kasutades 140 nm sondi. Moodulite testimise ja arvutuste üksikasjad on esitatud lisateabes. Tulemused näitasid, et keskmine mõõdetud moodul oli 0,92 kPa ning %RSD ja protsentuaalne (%) hälve teadaolevast moodulist olid alla 10%. Need tulemused kinnitavad käesolevas töös kasutatud AFM-i nanoindentatsioonimeetodi täpsust ja reprodutseeritavust ülipehmete materjalide moodulite mõõtmiseks. Lehfilcon A CL proovide ja SiHy aluspinna pindu iseloomustati täiendavalt sama AFM-i nanoindentatsioonimeetodi abil, et uurida ülipehme pinna näivat kontaktmoodulit taandussügavuse funktsioonina. Igast tüübist kolme proovi jaoks (n = 3; üks süvend proovi kohta) genereeriti süvendusjõu eralduskõverad jõul 300 pN, kiirusel 1 µm/s ja täieliku hüdratsiooni juures. Süvendjõu jagamiskõver lähendati koonuse-sfääri mudeli abil. Süvendsügavusest sõltuva mooduli saamiseks seati iga 20 nm sammu järel alates kokkupuutepunktist 40 nm laiune jõukõvera osa ja mõõdeti mooduli väärtused jõukõvera igal sammul. Spin Cy jt. Sarnast lähenemisviisi on kasutatud polü(laurüülmetakrülaadi) (P12MA) polümeerharjade mooduligradiendi iseloomustamiseks kolloidse AFM-sondi nanosüvendusega ja need on kooskõlas Hertzi kontaktmudeli abil saadud andmetega. See lähenemisviis annab graafiku näivast kontaktmoodulist (kPa) sügavuse (nm) suhtes, nagu on näidatud joonisel 8, mis illustreerib näivat kontaktmoodulit/sügavusgradienti. CL lehfilcon A proovi arvutatud elastsusmoodul jääb proovi ülemise 100 nm piires vahemikku 2–3 kPa, millest alates hakkab see sügavusega suurenema. Seevastu SiHy aluspinna testimisel ilma harjataolise kileta pinnal on 300 pN jõu juures saavutatav maksimaalne taandussügavus alla 50 nm ning andmetest saadud mooduli väärtus on umbes 400 kPa, mis on võrreldav puistematerjalide Youngi mooduli väärtustega.
Näiv kontaktmoodul (kPa) vs. taandesügavus (nm) lehfilcon A CL ja SiHy aluspindade puhul, kasutades AFM nanotaandemeetodit koonuse-sfääri geomeetriaga mooduli mõõtmiseks.
Uudse biomimeetilise hargnenud polümeerharja struktuuri ülemisel pinnal on äärmiselt madal elastsusmoodul (2–3 kPa). See vastab STEM-pildil näidatud kahveldatud polümeerharja vabalt rippuvale otsale. Kuigi CL-i välisservas on mõningaid märke moodulgradiendi kohta, on peamine kõrge mooduliga aluspind mõjukam. Pinna ülemine 100 nm jääb aga hargnenud polümeerharja kogupikkusest 20% piiresse, seega on mõistlik eeldada, et selles taandussügavuse vahemikus mõõdetud mooduli väärtused on suhteliselt täpsed ega sõltu oluliselt alumise objekti mõjust.
Lehfilcon A kontaktläätsede ainulaadse biomimeetilise disaini tõttu, mis koosneb SiHy aluspinna pinnale poogitud hargnenud PMPC polümeerharjastruktuuridest, on nende pinnastruktuuride mehaanilisi omadusi traditsiooniliste mõõtmismeetodite abil väga raske usaldusväärselt iseloomustada. Siin esitleme täiustatud AFM-nanoindentatsioonimeetodit ülipehmete materjalide, näiteks lefilcon A, täpseks iseloomustamiseks, millel on kõrge veesisaldus ja äärmiselt kõrge elastsus. See meetod põhineb AFM-sondi kasutamisel, mille otsa suurus ja geomeetria on hoolikalt valitud, et need vastaksid trükitavate ülipehmete pinnaomaduste struktuurilistele mõõtmetele. See sondi ja struktuuri mõõtmete kombinatsioon tagab suurema tundlikkuse, võimaldades meil mõõta hargnenud polümeerharjaelementide madalat moodulit ja loomupäraseid elastsusomadusi, olenemata poroelastsusest. Tulemused näitasid, et läätse pinnale iseloomulikel ainulaadsetel hargnenud PMPC polümeerharjadel oli vesikeskkonnas testimisel äärmiselt madal elastsusmoodul (kuni 2 kPa) ja väga kõrge elastsus (peaaegu 100%). AFM-i nanoindentatsiooni tulemused võimaldasid meil iseloomustada ka biomimeetilise läätse pinna näivat kontaktmoodulit/sügavusgradienti (30 kPa/200 nm). See gradient võib olla tingitud hargnenud polümeerharjade ja SiHy-substraadi moodulite erinevusest või polümeerharjade hargnenud struktuurist/tihedusest või nende kombinatsioonist. Struktuuri ja omaduste vahelise seose, eriti harjade hargnemise mõju mehaanilistele omadustele täielikuks mõistmiseks on aga vaja täiendavaid põhjalikke uuringuid. Sarnased mõõtmised võivad aidata iseloomustada ka teiste ülipehmete materjalide ja meditsiiniseadmete pinna mehaanilisi omadusi.
Käesoleva uuringu käigus genereeritud ja/või analüüsitud andmekogumid on vastavatelt autoritelt mõistliku taotluse korral kättesaadavad.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. ja Haugen, HJ Bioloogilised reaktsioonid biomaterjalide pindade füüsikalistele ja keemilistele omadustele. Chemical. Society. Toim. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM ja Liu, X. Inimpäritoluga biomaterjalide täiustamine koetehnoloogia jaoks. Programmeerimine. Polümeer. Teadus. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. jt. Biomaterjalide disain, kliiniline rakendamine ja immuunvastus regeneratiivses meditsiinis. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK ja Farr GM. Täiustatud meetod kõvaduse ja elastsusmooduli määramiseks, kasutades koormuse ja nihke mõõtmistega taanekatseid. J. Alma mater. Storage tank. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM. Taande kõvaduse testimise ajaloolised juured. alma mater. the science. technologies. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Taakekõvaduse mõõtmine makro-, mikro- ja nanoskaalal: kriitiline ülevaade. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD ja Clapperich, SM. Pinna tuvastamise vead põhjustavad pehmete materjalide nanoindentatsioonil mooduli ülehindamist. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR ja Yahya M.Yu. Nanoindentatsioonimeetodi hindamine heterogeensete nanokomposiitide mehaaniliste omaduste määramiseks eksperimentaalsete ja arvutuslike meetodite abil. The Science. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR ja Owart, TS. Pehmete viskoelastsete geelide mehaaniline iseloomustus taande ja optimeerimisel põhineva pöördvõrdelise lõplike elementide analüüsi abil. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J ja Chaneler D. Viskoelastsuse määramise optimeerimine ühilduvate mõõtesüsteemide abil. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. ja Pellillo, E. Polümeersete pindade nanoindentatsioon. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. ja Van Vliet KJ. Väga elastsete polümeeride ja bioloogiliste kudede viskoelastsete mehaaniliste omaduste iseloomustus löök-taandarengu abil. Journal of Biomaterials. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Pehmete materjalide elastsusmooduli ja adhesioonitöö hindamine laiendatud Boroditši-Galanovi (BG) meetodi ja sügava süvendamise abil. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. jt. Silikoonhüdrogeel kontaktläätsede biomimeetiliste polümeerpindade nanoskaala morfoloogia ja mehaanilised omadused. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).