از بازدید شما از Nature.com متشکریم. شما از نسخه مرورگری با پشتیبانی محدود از CSS استفاده می‌کنید. برای بهترین تجربه، توصیه می‌کنیم از یک مرورگر به‌روز استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در Internet Explorer غیرفعال کنید). علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل‌ها و جاوا اسکریپت نمایش می‌دهیم.
یک چرخ و فلک از سه اسلاید را به طور همزمان نمایش می‌دهد. از دکمه‌های قبلی و بعدی برای حرکت بین سه اسلاید به طور همزمان استفاده کنید، یا از دکمه‌های کشویی در انتها برای حرکت بین سه اسلاید به طور همزمان استفاده کنید.
با توسعه مواد فوق نرم جدید برای دستگاه‌های پزشکی و کاربردهای زیست‌پزشکی، توصیف جامع خواص فیزیکی و مکانیکی آنها هم مهم و هم چالش‌برانگیز است. یک تکنیک نانوایندنتاسیون میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) اصلاح‌شده برای توصیف مدول سطحی بسیار پایین لنز تماسی جدید هیدروژل سیلیکونی بیومیمتیک lehfilcon A که با لایه‌ای از ساختارهای برس پلیمری شاخه‌دار پوشش داده شده است، به کار گرفته شد. این روش امکان تعیین دقیق نقاط تماس را بدون اثرات اکستروژن ویسکوز هنگام نزدیک شدن به پلیمرهای شاخه‌دار فراهم می‌کند. علاوه بر این، تعیین ویژگی‌های مکانیکی عناصر برس منفرد را بدون تأثیر تخلخل‌ارتجاعی امکان‌پذیر می‌سازد. این امر با انتخاب یک کاوشگر AFM با طراحی (اندازه نوک، هندسه و سرعت فنر) که به ویژه برای اندازه‌گیری خواص مواد نرم و نمونه‌های بیولوژیکی مناسب است، حاصل می‌شود. این روش حساسیت و دقت را برای اندازه‌گیری دقیق ماده بسیار نرم lehfilcon A که مدول الاستیسیته بسیار کمی در سطح (تا 2 کیلوپاسکال) و الاستیسیته بسیار بالایی در محیط آبی داخلی (تقریباً 100٪) دارد، بهبود می‌بخشد. نتایج مطالعه سطح نه تنها خواص سطحی فوق نرم لنز lehfilcon A را آشکار کرد، بلکه نشان داد که مدول برس‌های پلیمری شاخه‌دار با مدول زیرلایه سیلیکون-هیدروژن قابل مقایسه است. این تکنیک توصیف سطح را می‌توان برای سایر مواد فوق نرم و دستگاه‌های پزشکی نیز به کار برد.
خواص مکانیکی موادی که برای تماس مستقیم با بافت زنده طراحی شده‌اند، اغلب توسط محیط بیولوژیکی تعیین می‌شوند. تطابق کامل این خواص مواد به دستیابی به ویژگی‌های بالینی مطلوب مواد بدون ایجاد پاسخ‌های سلولی نامطلوب کمک می‌کند1،2،3. برای مواد همگن توده‌ای، توصیف خواص مکانیکی به دلیل در دسترس بودن رویه‌های استاندارد و روش‌های آزمایش (به عنوان مثال، ریزفرورفتگی4،5،6) نسبتاً آسان است. با این حال، برای مواد فوق نرم مانند ژل‌ها، هیدروژل‌ها، بیوپلیمرها، سلول‌های زنده و غیره، این روش‌های آزمایش به دلیل محدودیت‌های وضوح اندازه‌گیری و ناهمگنی برخی از مواد، عموماً قابل اجرا نیستند7. در طول سال‌ها، روش‌های سنتی فرورفتگی برای توصیف طیف وسیعی از مواد نرم اصلاح و تطبیق داده شده‌اند، اما بسیاری از روش‌ها هنوز از کاستی‌های جدی رنج می‌برند که استفاده از آنها را محدود می‌کند8،9،10،11،12،13. فقدان روش‌های آزمایش تخصصی که بتوانند خواص مکانیکی مواد فوق نرم و لایه‌های سطحی را به طور دقیق و قابل اعتماد توصیف کنند، استفاده از آنها را در کاربردهای مختلف به شدت محدود می‌کند.
در کار قبلی خود، لنز تماسی lehfilcon A (CL) را معرفی کردیم، یک ماده ناهمگن نرم با تمام خواص سطحی فوق‌العاده نرم که از طرح‌های بالقوه بیومیمتیک الهام گرفته از سطح قرنیه چشم گرفته شده است. این ماده زیستی با پیوند یک لایه پلیمری شاخه‌دار و متقاطع از پلی (2-متاکریلوئیلوکسی اتیل فسفوریل کولین (MPC)) (PMPC) بر روی یک هیدروژل سیلیکونی (SiHy) 15 که برای دستگاه‌های پزشکی مبتنی بر ... طراحی شده است، توسعه داده شد. این فرآیند پیوند، لایه‌ای روی سطح ایجاد می‌کند که شامل یک ساختار برس پلیمری شاخه‌دار بسیار نرم و بسیار الاستیک است. کار قبلی ما تأیید کرده است که ساختار بیومیمتیک lehfilcon A CL خواص سطحی برتر مانند بهبود جلوگیری از خیس شدن و رسوب، افزایش روانکاری و کاهش چسبندگی سلول‌ها و باکتری‌ها را فراهم می‌کند15،16. علاوه بر این، استفاده و توسعه این ماده بیومیمتیک همچنین گسترش بیشتر به سایر دستگاه‌های زیست پزشکی را نشان می‌دهد. بنابراین، توصیف خواص سطحی این ماده فوق نرم و درک برهمکنش مکانیکی آن با چشم به منظور ایجاد یک پایگاه دانش جامع برای پشتیبانی از پیشرفت‌ها و کاربردهای آینده بسیار مهم است. اکثر لنزهای تماسی SiHy موجود در بازار از مخلوطی همگن از پلیمرهای آبدوست و آبگریز تشکیل شده‌اند که یک ساختار ماده یکنواخت را تشکیل می‌دهند17. مطالعات متعددی برای بررسی خواص مکانیکی آنها با استفاده از روش‌های سنتی تست فشار، کشش و ریزفرورفتگی انجام شده است18،19،20،21. با این حال، طراحی بیومیمتیک جدید lehfilcon A CL آن را به یک ماده ناهمگن منحصر به فرد تبدیل می‌کند که در آن خواص مکانیکی ساختارهای برس پلیمری شاخه‌دار به طور قابل توجهی با خواص زیرلایه پایه SiHy متفاوت است. بنابراین، تعیین دقیق این خواص با استفاده از روش‌های مرسوم و فرورفتگی بسیار دشوار است. یک روش امیدوارکننده از روش تست نانوفرورفتگی اجرا شده در میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) استفاده می‌کند، روشی که برای تعیین خواص مکانیکی مواد ویسکوالاستیک نرم مانند سلول‌ها و بافت‌های بیولوژیکی و همچنین پلیمرهای نرم استفاده شده است22،23،24،25. ،26،27،28،29،30. در نانوفروروندگی AFM، اصول اولیه آزمایش نانوفرورفتگی با آخرین پیشرفت‌های فناوری AFM ترکیب شده است تا حساسیت اندازه‌گیری و آزمایش طیف وسیعی از مواد ذاتاً فوق نرم را افزایش دهد31،32،33،34،35،36. علاوه بر این، این فناوری از طریق استفاده از هندسه‌های مختلف، فرورونده و پروب و امکان آزمایش در محیط‌های مایع مختلف، مزایای مهم دیگری را ارائه می‌دهد.
نانوفروروندگی AFM را می‌توان به طور مشروط به سه جزء اصلی تقسیم کرد: (1) تجهیزات (حسگرها، آشکارسازها، پروب‌ها و غیره)؛ (2) پارامترهای اندازه‌گیری (مانند نیرو، جابجایی، سرعت، اندازه رمپ و غیره)؛ (3) پردازش داده‌ها (تصحیح خط پایه، تخمین نقطه تماس، برازش داده‌ها، مدل‌سازی و غیره). یک مشکل قابل توجه در این روش این است که چندین مطالعه در مقالات با استفاده از نانوفرووروی AFM نتایج کمی بسیار متفاوتی را برای همان نوع نمونه/سلول/ماده گزارش می‌کنند37،38،39،40،41. به عنوان مثال، لکا و همکاران. تأثیر هندسه پروب AFM بر مدول یانگ اندازه‌گیری شده نمونه‌های هیدروژل همگن مکانیکی و سلول‌های ناهمگن مورد مطالعه و مقایسه قرار گرفت. آنها گزارش می‌دهند که مقادیر مدول به شدت به انتخاب کانتیلور و شکل نوک وابسته هستند، با بالاترین مقدار برای پروب هرمی شکل و کمترین مقدار 42 برای پروب کروی. به طور مشابه، سلهوبر-اونکل و همکاران. نشان داده شده است که چگونه سرعت فرورونده، اندازه فرورونده و ضخامت نمونه‌های پلی‌اکریل‌آمید (PAAM) بر مدول یانگ اندازه‌گیری شده توسط نانوفروروندگی ACM43 تأثیر می‌گذارد. یکی دیگر از عوامل پیچیده، فقدان مواد استاندارد آزمایش با مدول بسیار پایین و رویه‌های آزمایش آزاد است. این امر دستیابی به نتایج دقیق و با اطمینان را بسیار دشوار می‌کند. با این حال، این روش برای اندازه‌گیری‌های نسبی و ارزیابی‌های مقایسه‌ای بین انواع نمونه‌های مشابه، به عنوان مثال استفاده از نانوفرووروی AFM برای تشخیص سلول‌های طبیعی از سلول‌های سرطانی 44، 45 بسیار مفید است.
هنگام آزمایش مواد نرم با نانوفروروندگی AFM، یک قاعده کلی این است که از یک کاوشگر با ثابت فنری (k) کم که با مدول نمونه مطابقت دارد و یک نوک نیم‌کروی/گرد استفاده شود تا کاوشگر اول در اولین تماس با مواد نرم، سطوح نمونه را سوراخ نکند. همچنین مهم است که سیگنال انحراف تولید شده توسط کاوشگر به اندازه کافی قوی باشد تا توسط سیستم آشکارساز لیزری شناسایی شود24،34،46،47. در مورد سلول‌ها، بافت‌ها و ژل‌های ناهمگن فوق‌العاده نرم، چالش دیگر غلبه بر نیروی چسبندگی بین کاوشگر و سطح نمونه برای اطمینان از اندازه‌گیری‌های تکرارپذیر و قابل اعتماد48،49،50 است. تا همین اواخر، بیشتر کارها روی نانوفرووروی AFM بر مطالعه رفتار مکانیکی سلول‌های بیولوژیکی، بافت‌ها، ژل‌ها، هیدروژل‌ها و مولکول‌های زیستی با استفاده از کاوشگرهای کروی نسبتاً بزرگ، که معمولاً به عنوان کاوشگرهای کلوئیدی (CP) شناخته می‌شوند، متمرکز بوده است. ، 47، 51، 52، 53، 54، 55. این سوزن‌ها شعاعی بین 1 تا 50 میکرومتر دارند و معمولاً از شیشه بوروسیلیکات، پلی متیل متاکریلات (PMMA)، پلی استایرن (PS)، دی اکسید سیلیکون (SiO2) و کربن شبه الماس (DLC) ساخته می‌شوند. اگرچه نانوفرورونده‌سازی CP-AFM اغلب اولین انتخاب برای توصیف نمونه‌های نرم است، اما مشکلات و محدودیت‌های خاص خود را دارد. استفاده از سوزن‌های کروی بزرگ با اندازه میکرون، سطح تماس کل سوزن با نمونه را افزایش می‌دهد و منجر به از دست رفتن قابل توجه وضوح فضایی می‌شود. برای نمونه‌های نرم و ناهمگن، که در آن خواص مکانیکی عناصر محلی ممکن است به طور قابل توجهی با میانگین در یک منطقه وسیع‌تر متفاوت باشد، فرورفتگی CP می‌تواند هرگونه ناهمگنی در خواص را در مقیاس محلی پنهان کند52. پروب‌های کلوئیدی معمولاً با اتصال کره‌های کلوئیدی با اندازه میکرون به کانتیلورهای بدون نوک با استفاده از چسب‌های اپوکسی ساخته می‌شوند. فرآیند تولید خود مملو از مشکلات زیادی است و می‌تواند منجر به ناهماهنگی در فرآیند کالیبراسیون پروب شود. علاوه بر این، اندازه و جرم ذرات کلوئیدی مستقیماً بر پارامترهای اصلی کالیبراسیون کانتیلور، مانند فرکانس رزونانس، سختی فنر و حساسیت به انحراف تأثیر می‌گذارد56،57،58. بنابراین، روش‌های رایج برای پروب‌های AFM معمولی، مانند کالیبراسیون دما، ممکن است کالیبراسیون دقیقی برای CP ارائه ندهند و ممکن است برای انجام این اصلاحات به روش‌های دیگری نیاز باشد57، 59، 60، 61. آزمایش‌های معمول فرورفتگی CP از کانتیلور با انحرافات بزرگ برای مطالعه خواص نمونه‌های نرم استفاده می‌کنند که مشکل دیگری را هنگام کالیبراسیون رفتار غیرخطی کانتیلور در انحرافات نسبتاً بزرگ ایجاد می‌کند62،63،64. روش‌های مدرن فرورفتگی پروب کلوئیدی معمولاً هندسه کانتیلور مورد استفاده برای کالیبراسیون پروب را در نظر می‌گیرند، اما تأثیر ذرات کلوئیدی را نادیده می‌گیرند که باعث ایجاد عدم قطعیت اضافی در دقت روش می‌شود38،61. به طور مشابه، مدول‌های الاستیک محاسبه‌شده با برازش مدل تماسی مستقیماً به هندسه پروب فرورفتگی وابسته هستند و عدم تطابق بین ویژگی‌های نوک و سطح نمونه می‌تواند منجر به عدم دقت شود27، 65، 66، 67، 68. برخی از کارهای اخیر اسپنسر و همکارانش. عواملی که باید هنگام توصیف برس‌های پلیمری نرم با استفاده از روش نانوفرورفتگی CP-AFM در نظر گرفته شوند، برجسته شده‌اند. آنها گزارش دادند که حفظ یک سیال چسبناک در برس‌های پلیمری به عنوان تابعی از سرعت منجر به افزایش بارگذاری سر و در نتیجه اندازه‌گیری‌های مختلف خواص وابسته به سرعت می‌شود30،69،70،71.
در این مطالعه، ما مدول سطح ماده فوق نرم و بسیار الاستیک lehfilcon A CL را با استفاده از روش نانوفرورونده AFM اصلاح‌شده مشخص کرده‌ایم. با توجه به خواص و ساختار جدید این ماده، محدوده حساسیت روش سنتی فرورفتگی به وضوح برای مشخص کردن مدول این ماده بسیار نرم کافی نیست، بنابراین لازم است از یک روش نانوفرورونده AFM با حساسیت بالاتر و حساسیت پایین‌تر استفاده شود. پس از بررسی کاستی‌ها و مشکلات تکنیک‌های نانوفرورونده پروب کلوئیدی AFM موجود، نشان می‌دهیم که چرا یک پروب AFM کوچک‌تر و سفارشی طراحی شده را برای حذف حساسیت، نویز پس‌زمینه، نقطه تماس دقیق، اندازه‌گیری مدول سرعت مواد ناهمگن نرم مانند وابستگی به احتباس سیال و تعیین مقدار دقیق انتخاب کردیم. علاوه بر این، ما توانستیم شکل و ابعاد نوک فرورفتگی را به طور دقیق اندازه‌گیری کنیم که به ما امکان می‌دهد از مدل برازش مخروط-کره برای تعیین مدول الاستیسیته بدون ارزیابی سطح تماس نوک با ماده استفاده کنیم. دو فرض ضمنی که در این کار کمی‌سازی شده‌اند، خواص ماده کاملاً الاستیک و مدول مستقل از عمق فرورفتگی هستند. با استفاده از این روش، ابتدا استانداردهای فوق نرم با مدول شناخته شده را برای کمی‌سازی روش آزمایش کردیم و سپس از این روش برای توصیف سطوح دو ماده مختلف لنز تماسی استفاده کردیم. انتظار می‌رود این روش توصیف سطوح نانوفرورفتگی AFM با حساسیت افزایش یافته، برای طیف گسترده‌ای از مواد فوق نرم ناهمگن زیست تقلید با کاربرد بالقوه در دستگاه‌های پزشکی و کاربردهای زیست پزشکی قابل اجرا باشد.
لنزهای تماسی Lehfilcon A (آلکون، فورت ورث، تگزاس، ایالات متحده آمریکا) و زیرلایه‌های هیدروژل سیلیکونی آنها برای آزمایش‌های نانوفرورفتگی انتخاب شدند. در این آزمایش از یک پایه لنز با طراحی ویژه استفاده شد. برای نصب لنز برای آزمایش، آن را با دقت روی پایه گنبدی شکل قرار دادند و مطمئن شدند که هیچ حباب هوایی داخل آن نرفته و سپس با لبه‌ها ثابت کردند. سوراخی در بالای نگهدارنده لنز، دسترسی به مرکز نوری لنز را برای آزمایش‌های نانوفرورفتگی فراهم می‌کند و در عین حال مایع را در جای خود نگه می‌دارد. این امر لنزها را کاملاً هیدراته نگه می‌دارد. 500 میکرولیتر از محلول بسته‌بندی لنز تماسی به عنوان محلول آزمایشی استفاده شد. برای تأیید نتایج کمی، هیدروژل‌های پلی‌آکریل‌آمید غیر فعال (PAAM) موجود در بازار از ترکیب پلی‌آکریل‌آمید-کو-متیلن-بی‌ساکریل‌آمید (ظروف پتری 100 میلی‌متری Petrisoft، Matrigen، ایروین، کالیفرنیا، ایالات متحده آمریکا) با مدول الاستیک شناخته شده 1 کیلوپاسکال تهیه شدند. ۴-۵ قطره (تقریباً ۱۲۵ میکرولیتر) محلول نمکی بافر فسفات (PBS از شرکت Corning Life Sciences، توکسبری، ماساچوست، ایالات متحده) و ۱ قطره محلول لنز تماسی OPTI-FREE Puremoist (Alcon، Vaud، تگزاس، ایالات متحده) را در سطح مشترک هیدروژل AFM-پروب بریزید.
نمونه‌هایی از زیرلایه‌های Lehfilcon A CL و SiHy با استفاده از سیستم میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی FEI Quanta 250 (FEG SEM) مجهز به آشکارساز میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) مشاهده شدند. برای آماده‌سازی نمونه‌ها، ابتدا لنزها با آب شسته شده و به شکل گوه‌های پای برش داده شدند. برای دستیابی به کنتراست تفاضلی بین اجزای آبدوست و آبگریز نمونه‌ها، از محلول تثبیت‌شده 0.10٪ RuO4 به عنوان رنگ استفاده شد که نمونه‌ها به مدت 30 دقیقه در آن غوطه‌ور شدند. رنگ‌آمیزی lehfilcon A CL RuO4 نه تنها برای دستیابی به کنتراست تفاضلی بهبود یافته، بلکه به حفظ ساختار برس‌های پلیمری شاخه‌دار به شکل اصلی آنها نیز کمک می‌کند، که سپس در تصاویر STEM قابل مشاهده هستند. سپس آنها در یک سری مخلوط اتانول/آب با افزایش غلظت اتانول شسته و آبگیری شدند. سپس نمونه‌ها با اپوکسی EMBed 812/Araldite ریخته‌گری شدند که در دمای 70 درجه سانتیگراد به مدت یک شب خشک شد. بلوک‌های نمونه به‌دست‌آمده از پلیمریزاسیون رزین با یک اولترامیکروتوم برش داده شدند و مقاطع نازک حاصل با یک آشکارساز STEM در حالت خلاء کم با ولتاژ شتاب‌دهنده 30 کیلوولت مشاهده شدند. از همان سیستم SEM برای توصیف دقیق کاوشگر AFM مدل PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano، سانتا باربارا، کالیفرنیا، ایالات متحده) استفاده شد. تصاویر SEM از کاوشگر AFM در حالت خلاء بالای معمول با ولتاژ شتاب‌دهنده 30 کیلوولت به دست آمد. برای ثبت تمام جزئیات شکل و اندازه نوک کاوشگر AFM، تصاویر را در زوایا و بزرگنمایی‌های مختلف تهیه کنید. تمام ابعاد نوک مورد نظر در تصاویر به صورت دیجیتالی اندازه‌گیری شدند.
یک میکروسکوپ نیروی اتمی Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano، سانتا باربارا، کالیفرنیا، ایالات متحده) با حالت "PeakForce QNM در سیال" برای تجسم و نانودندانه‌گذاری نمونه‌های lehfilcon A CL، زیرلایه SiHy و هیدروژل PAAm استفاده شد. برای آزمایش‌های تصویربرداری، از یک کاوشگر PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) با شعاع نوک اسمی 1 نانومتر برای گرفتن تصاویر با وضوح بالا از نمونه با سرعت اسکن 0.50 هرتز استفاده شد. همه تصاویر در محلول آبی گرفته شدند.
آزمایش‌های نانوفرورفتگی AFM با استفاده از یک کاوشگر PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) انجام شد. کاوشگر AFM دارای یک نوک سیلیکونی بر روی یک کانتیلور نیتریدی با ضخامت 345 نانومتر، طول 54 میکرومتر و عرض 4.5 میکرومتر با فرکانس رزونانس 45 کیلوهرتز است. این کاوشگر به طور خاص برای توصیف و انجام اندازه‌گیری‌های کمی نانومکانیکی بر روی نمونه‌های بیولوژیکی نرم طراحی شده است. حسگرها به صورت جداگانه در کارخانه با تنظیمات فنر از پیش کالیبره شده کالیبره می‌شوند. ثابت‌های فنر کاوشگرهای مورد استفاده در این مطالعه در محدوده 0.05-0.1 نیوتن بر متر بود. برای تعیین دقیق شکل و اندازه نوک، کاوشگر با استفاده از SEM به طور مفصل توصیف شد. در شکل 1a یک تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی با وضوح بالا و بزرگنمایی کم از کاوشگر PFQNM-LC-A-CAL نشان داده شده است که یک نمای کلی از طراحی کاوشگر ارائه می‌دهد. در شکل ... شکل 1b نمای بزرگ‌شده‌ای از بالای نوک پروب را نشان می‌دهد که اطلاعاتی در مورد شکل و اندازه نوک ارائه می‌دهد. در انتهای انتهایی، سوزن به شکل نیمکره‌ای با قطر حدود 140 نانومتر است (شکل 1c). در زیر این، نوک به شکل مخروطی باریک می‌شود و به طول اندازه‌گیری شده تقریباً 500 نانومتر می‌رسد. در خارج از ناحیه باریک‌شونده، نوک استوانه‌ای است و در طول کل نوک 1.18 میکرومتر خاتمه می‌یابد. این بخش اصلی عملکردی نوک پروب است. علاوه بر این، یک پروب بزرگ پلی‌استایرن (PS) کروی (شرکت Novascan Technologies, Inc.، بون، آیووا، ایالات متحده آمریکا) با قطر نوک 45 میکرومتر و ثابت فنر 2 نیوتن بر متر نیز برای آزمایش به عنوان یک پروب کلوئیدی استفاده شد. برای مقایسه، از پروب PFQNM-LC-A-CAL با طول 140 نانومتر استفاده شد.
گزارش شده است که در طول نانوفروروندگی، مایع می‌تواند بین پروب AFM و ساختار برس پلیمری به دام بیفتد، که قبل از تماس واقعی پروب AFM با سطح، نیرویی رو به بالا به آن وارد می‌کند69. این اثر اکستروژن چسبناک به دلیل احتباس سیال می‌تواند نقطه تماس ظاهری را تغییر دهد و در نتیجه بر اندازه‌گیری‌های مدول سطح تأثیر بگذارد. برای مطالعه تأثیر هندسه پروب و سرعت فرورفتگی بر احتباس سیال، منحنی‌های نیروی فرورفتگی برای نمونه‌های lehfilcon A CL با استفاده از یک پروب با قطر 140 نانومتر با نرخ جابجایی ثابت 1 میکرومتر بر ثانیه و 2 میکرومتر بر ثانیه رسم شدند. قطر پروب 45 میکرومتر، تنظیم نیروی ثابت 6 نانونیوتن در 1 میکرومتر بر ثانیه به دست آمد. آزمایش‌ها با یک پروب با قطر 140 نانومتر با سرعت فرورفتگی 1 میکرومتر بر ثانیه و نیروی تنظیم شده 300 پیکونیوتن انجام شد که برای ایجاد فشار تماسی در محدوده فیزیولوژیکی (1 تا 8 کیلوپاسکال) پلک بالایی انتخاب شده بود. فشار ۷۲. نمونه‌های نرم آماده از هیدروژل PAA با فشار ۱ کیلوپاسکال برای نیروی فرورفتگی ۵۰ پیکونیوتن با سرعت ۱ میکرومتر بر ثانیه با استفاده از یک پروب با قطر ۱۴۰ نانومتر آزمایش شدند.
از آنجایی که طول قسمت مخروطی نوک پروب PFQNM-LC-A-CAL تقریباً 500 نانومتر است، برای هر عمق فرورفتگی کمتر از 500 نانومتر، می‌توان با اطمینان فرض کرد که هندسه پروب در طول فرورفتگی به شکل مخروطی خود وفادار خواهد ماند. علاوه بر این، فرض بر این است که سطح ماده تحت آزمایش، یک پاسخ الاستیک برگشت‌پذیر از خود نشان می‌دهد که در بخش‌های بعدی نیز تأیید خواهد شد. بنابراین، بسته به شکل و اندازه نوک، ما مدل برازش مخروط-کره توسعه یافته توسط بریسکو، سباستین و آدامز را که در نرم‌افزار فروشنده موجود است، برای پردازش آزمایش‌های نانوفرورفتگی AFM خود (NanoScope) انتخاب کردیم. نرم‌افزار تجزیه و تحلیل داده‌های جداسازی، Bruker) 73. این مدل رابطه نیرو-جابجایی F(δ) را برای یک مخروط با نقص کروی در رأس توصیف می‌کند. در شکل. شکل 2 هندسه تماس را در طول برهمکنش یک مخروط صلب با یک نوک کروی نشان می‌دهد، که در آن R شعاع نوک کروی، a شعاع تماس، b شعاع تماس در انتهای نوک کروی، δ شعاع تماس، عمق فرورفتگی، θ نیم زاویه مخروط است. تصویر SEM این کاوشگر به وضوح نشان می‌دهد که نوک کروی با قطر 140 نانومتر به صورت مماس در یک مخروط ادغام می‌شود، بنابراین در اینجا b فقط از طریق R تعریف می‌شود، یعنی b = R cos θ. نرم‌افزار ارائه شده توسط فروشنده، یک رابطه مخروط-کره برای محاسبه مقادیر مدول یانگ (E) از داده‌های جداسازی نیرو با فرض a > b ارائه می‌دهد. رابطه:
که در آن F نیروی فرورفتگی، E مدول یانگ و ν نسبت پواسون است. شعاع تماس a را می‌توان با استفاده از رابطه زیر تخمین زد:
طرح هندسی تماس یک مخروط صلب با نوک کروی که به ماده‌ی لنز تماسی Lefilcon با یک لایه سطحی از برس‌های پلیمری شاخه‌دار فشرده شده است.
اگر a ≤ b باشد، رابطه به معادله مربوط به یک فرورونده کروی معمولی تبدیل می‌شود؛
ما معتقدیم که برهمکنش پروب فرورونده با ساختار شاخه‌ای برس پلیمری PMPC باعث می‌شود شعاع تماس a بزرگتر از شعاع تماس کروی b باشد. بنابراین، برای تمام اندازه‌گیری‌های کمی مدول الاستیک انجام شده در این مطالعه، از وابستگی به‌دست‌آمده برای حالت a > b استفاده کردیم.
مواد بیومیمتیک فوق نرم مورد مطالعه در این مطالعه، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) از سطح مقطع نمونه و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) از سطح، به طور جامع تصویربرداری شدند. این توصیف دقیق سطح به عنوان امتدادی از کار منتشر شده قبلی ما انجام شد که در آن مشخص کردیم ساختار برس پلیمری شاخه‌دار پویای سطح لنز تماسی lehfilcon A CL اصلاح شده با PMPC خواص مکانیکی مشابهی با بافت قرنیه طبیعی نشان می‌دهد14. به همین دلیل، ما سطوح لنزهای تماسی را به عنوان مواد بیومیمتیک می‌شناسیم14. در شکل‌های 3a و b، مقاطع عرضی ساختارهای برس پلیمری شاخه‌دار PMPC را به ترتیب روی سطح یک زیرلایه lehfilcon A CL و یک زیرلایه SiHy عمل‌آوری نشده نشان می‌دهند. سطوح هر دو نمونه با استفاده از تصاویر AFM با وضوح بالا بیشتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند که نتایج تجزیه و تحلیل STEM را بیشتر تأیید کرد (شکل 3c، d). روی هم رفته، این تصاویر طول تقریبی ساختار برس پلیمری شاخه‌دار PMPC را در 300 تا 400 نانومتر نشان می‌دهند که برای تفسیر اندازه‌گیری‌های نانوفرورفتگی AFM بسیار مهم است. یکی دیگر از مشاهدات کلیدی حاصل از تصاویر این است که ساختار کلی سطح ماده بیومیمتیک CL از نظر مورفولوژیکی با ماده زیرلایه SiHy متفاوت است. این تفاوت در مورفولوژی سطح آنها می‌تواند در طول برهمکنش مکانیکی آنها با پروب AFM فرورونده و متعاقباً در مقادیر مدول اندازه‌گیری شده آشکار شود.
تصاویر STEM مقطعی از (الف) lehfilcon A CL و (ب) زیرلایه SiHy. مقیاس، 500 نانومتر. تصاویر AFM از سطح زیرلایه lehfilcon A CL (ج) و زیرلایه پایه SiHy (د) (3 میکرومتر × 3 میکرومتر).
پلیمرهای الهام گرفته از طبیعت و ساختارهای برس پلیمری ذاتاً نرم هستند و به طور گسترده مورد مطالعه و استفاده در کاربردهای مختلف زیست پزشکی قرار گرفته‌اند74،75،76،77. بنابراین، استفاده از روش نانوفرورفتگی AFM که می‌تواند خواص مکانیکی آنها را به طور دقیق و قابل اعتمادی اندازه‌گیری کند، بسیار مهم است. اما در عین حال، خواص منحصر به فرد این مواد فوق نرم، مانند مدول الاستیک بسیار پایین، محتوای مایع بالا و خاصیت ارتجاعی بالا، اغلب انتخاب ماده، شکل و اندازه مناسب پروب فرورونده را دشوار می‌کند. این مهم است به طوری که فرورونده سطح نرم نمونه را سوراخ نکند، که منجر به خطا در تعیین نقطه تماس با سطح و ناحیه تماس می‌شود.
برای این منظور، درک جامعی از مورفولوژی مواد زیست تقلید فوق نرم (lehfilcon A CL) ضروری است. اطلاعات مربوط به اندازه و ساختار برس‌های پلیمری شاخه‌دار به‌دست‌آمده با استفاده از روش تصویربرداری، مبنایی برای توصیف مکانیکی سطح با استفاده از تکنیک‌های نانوفرورفتگی AFM فراهم می‌کند. به جای کاوشگرهای کلوئیدی کروی با اندازه میکرون، کاوشگر نیترید سیلیکون PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) با قطر نوک 140 نانومتر را انتخاب کردیم که به‌طور ویژه برای نقشه‌برداری کمی از خواص مکانیکی نمونه‌های بیولوژیکی طراحی شده است. 78، 79، 80، 81، 82، 83، 84 دلیل استفاده از کاوشگرهای نسبتاً تیز در مقایسه با کاوشگرهای کلوئیدی مرسوم را می‌توان با ویژگی‌های ساختاری ماده توضیح داد. با مقایسه اندازه نوک پروب (حدود ۱۴۰ نانومتر) با برس‌های پلیمری شاخه‌دار روی سطح CL lehfilcon A، که در شکل ۳a نشان داده شده است، می‌توان نتیجه گرفت که نوک به اندازه کافی بزرگ است تا مستقیماً با این ساختارهای برس تماس پیدا کند، که احتمال سوراخ شدن نوک از میان آنها را کاهش می‌دهد. برای نشان دادن این نکته، در شکل ۴ تصویر STEM از lehfilcon A CL و نوک فرورفته پروب AFM (که با مقیاس رسم شده است) آمده است.
شماتیک، تصویر STEM از lehfilcon A CL و یک کاوشگر فرورفتگی ACM (که با مقیاس ترسیم شده است).
علاوه بر این، اندازه نوک ۱۴۰ نانومتر به اندازه کافی کوچک است تا از خطر هرگونه اثر اکستروژن چسبنده که قبلاً برای برس‌های پلیمری تولید شده با روش نانوفرورونده‌سازی CP-AFM گزارش شده است، جلوگیری کند69،71. ما فرض می‌کنیم که به دلیل شکل خاص مخروطی-کره‌ای و اندازه نسبتاً کوچک این نوک AFM (شکل 1)، ماهیت منحنی نیرو ایجاد شده توسط نانوفرونده‌سازی lehfilcon A CL به سرعت فرورفتگی یا سرعت بارگذاری/باربرداری بستگی نخواهد داشت. بنابراین، تحت تأثیر اثرات پوروالاستیک قرار نمی‌گیرد. برای آزمایش این فرضیه، نمونه‌های lehfilcon A CL با حداکثر نیروی ثابت با استفاده از یک کاوشگر PFQNM-LC-A-CAL، اما در دو سرعت مختلف، فرورفتگی داده شدند و منحنی‌های نیروی کششی و جمع‌شدگی حاصل برای رسم نیرو (nN) در جداسازی (µm) استفاده شد که در شکل 5a نشان داده شده است. واضح است که منحنی‌های نیرو در طول بارگذاری و باربرداری کاملاً همپوشانی دارند و هیچ مدرک روشنی مبنی بر افزایش نیروی برشی در عمق فرورفتگی صفر با سرعت فرورفتگی در شکل وجود ندارد، که نشان می‌دهد عناصر برس منفرد بدون اثر پوروالاستیسیته مشخص شده‌اند. در مقابل، اثرات احتباس سیال (اثرات اکستروژن ویسکوز و پوروالاستیسیته) برای پروب AFM با قطر ۴۵ میکرومتر در همان سرعت فرورفتگی مشهود است و توسط هیسترزیس بین منحنی‌های کشش و جمع شدن، همانطور که در شکل ۵b نشان داده شده است، برجسته شده‌اند. این نتایج از این فرضیه پشتیبانی می‌کنند و نشان می‌دهند که پروب‌های با قطر ۱۴۰ نانومتر انتخاب خوبی برای توصیف چنین سطوح نرمی هستند.
منحنی‌های نیروی فرورفتگی lehfilcon A CL با استفاده از ACM؛ (الف) با استفاده از یک پروب با قطر 140 نانومتر در دو نرخ بارگذاری، که عدم وجود اثر پوروالاستیسیته را در طول فرورفتگی سطح نشان می‌دهد؛ (ب) با استفاده از پروب‌هایی با قطر 45 میکرومتر و 140 نانومتر. s اثرات اکستروژن ویسکوز و پوروالاستیسیته را برای پروب‌های بزرگ در مقایسه با پروب‌های کوچک‌تر نشان می‌دهد.
برای توصیف سطوح فوق نرم، روش‌های نانوفروروندگی AFM باید بهترین پروب را برای مطالعه خواص ماده مورد مطالعه داشته باشند. علاوه بر شکل و اندازه نوک، حساسیت سیستم آشکارساز AFM، حساسیت به انحراف نوک در محیط آزمایش و سختی کانتیلور نقش مهمی در تعیین دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری‌های نانوفرووروندگی ایفا می‌کنند. برای سیستم AFM ما، حد تشخیص آشکارساز حساس به موقعیت (PSD) تقریباً 0.5 میلی‌ولت است و بر اساس نرخ فنر از پیش کالیبره شده و حساسیت انحراف سیال محاسبه شده کاوشگر PFQNM-LC-A-CAL است که مربوط به حساسیت بار نظری است. کمتر از 0.1 پیکونیوتن است. بنابراین، این روش امکان اندازه‌گیری حداقل نیروی فرورفتگی ≤ 0.1 پیکونیوتن را بدون هیچ مؤلفه نویز محیطی فراهم می‌کند. با این حال، برای یک سیستم AFM تقریباً غیرممکن است که نویز محیطی را به دلیل عواملی مانند ارتعاش مکانیکی و دینامیک سیالات تا این سطح کاهش دهد. این عوامل حساسیت کلی روش نانوفرورونده‌سازی AFM را محدود می‌کنند و همچنین منجر به سیگنال نویز پس‌زمینه تقریباً ≤ 10 pN می‌شوند. برای توصیف سطح، نمونه‌های زیرلایه lehfilcon A CL و SiHy تحت شرایط کاملاً هیدراته با استفاده از یک پروب 140 نانومتری برای توصیف SEM فرورفتگی داده شدند و منحنی‌های نیروی حاصل بین نیرو (pN) و فشار روی هم قرار گرفتند. نمودار جداسازی (µm) در شکل 6a نشان داده شده است. در مقایسه با زیرلایه پایه SiHy، منحنی نیروی lehfilcon A CL به وضوح یک فاز انتقالی را نشان می‌دهد که از نقطه تماس با برس پلیمری چنگالی شروع می‌شود و با تغییر شدید در شیب که نشان دهنده تماس نوک با ماده زیرین است، پایان می‌یابد. این بخش انتقالی از منحنی نیرو، رفتار واقعاً الاستیک برس پلیمری شاخه‌دار روی سطح را برجسته می‌کند، همانطور که منحنی فشاری که از نزدیک منحنی کشش را دنبال می‌کند و تضاد در خواص مکانیکی بین ساختار برس و ماده حجیم SiHy نشان می‌دهد. هنگام مقایسه lefilcon. جداسازی طول متوسط ​​یک برس پلیمری شاخه‌دار در تصویر STEM از PCS (شکل 3a) و منحنی نیروی آن در امتداد محور طولی در شکل 3a.6a نشان می‌دهد که این روش قادر به تشخیص نوک و پلیمر شاخه‌دار است که به بالای سطح می‌رسند. تماس بین ساختارهای برس. علاوه بر این، همپوشانی نزدیک منحنی‌های نیرو نشان دهنده عدم وجود اثر احتباس مایع است. در این حالت، مطلقاً هیچ چسبندگی بین سوزن و سطح نمونه وجود ندارد. بخش‌های بالایی منحنی‌های نیرو برای دو نمونه همپوشانی دارند که نشان دهنده شباهت خواص مکانیکی مواد زیرلایه است.
(الف) منحنی‌های نیروی نانوفروروندگی AFM برای زیرلایه‌های lehfilcon A CL و زیرلایه‌های SiHy، (ب) منحنی‌های نیرو که تخمین نقطه تماس را با استفاده از روش آستانه نویز پس‌زمینه نشان می‌دهند.
به منظور مطالعه جزئیات دقیق‌تر منحنی نیرو، منحنی تنش نمونه lehfilcon A CL در شکل 6b با حداکثر نیروی 50 پیکونیوتن در امتداد محور y مجدداً رسم شده است. این نمودار اطلاعات مهمی در مورد نویز پس‌زمینه اصلی ارائه می‌دهد. نویز در محدوده ±10 پیکونیوتن است که برای تعیین دقیق نقطه تماس و محاسبه عمق فرورفتگی استفاده می‌شود. همانطور که در مقالات گزارش شده است، شناسایی نقاط تماس برای ارزیابی دقیق خواص مواد مانند مدول بسیار مهم است85. رویکردی که شامل پردازش خودکار داده‌های منحنی نیرو است، تطابق بهبود یافته‌ای را بین برازش داده‌ها و اندازه‌گیری‌های کمی برای مواد نرم نشان داده است86. در این کار، انتخاب نقاط تماس ما نسبتاً ساده و عینی است، اما محدودیت‌های خود را دارد. رویکرد محافظه‌کارانه ما برای تعیین نقطه تماس ممکن است منجر به مقادیر مدول کمی بیش از حد برای عمق‌های فرورفتگی کوچکتر (<100 نانومتر) شود. استفاده از تشخیص نقطه تماس مبتنی بر الگوریتم و پردازش خودکار داده‌ها می‌تواند ادامه این کار در آینده برای بهبود بیشتر روش ما باشد. بنابراین، برای نویز پس‌زمینه ذاتی در حدود ±10 pN، نقطه تماس را به عنوان اولین نقطه داده روی محور x در شکل 6b با مقدار ≥10 pN تعریف می‌کنیم. سپس، مطابق با آستانه نویز 10 pN، یک خط عمودی در سطح ~0.27 میکرومتر نقطه تماس با سطح را نشان می‌دهد، پس از آن منحنی کشش تا زمانی که زیرلایه به عمق فرورفتگی ~270 نانومتر برسد، ادامه می‌یابد. جالب توجه است که بر اساس اندازه ویژگی‌های برس پلیمری شاخه‌دار (300-400 نانومتر) که با استفاده از روش تصویربرداری اندازه‌گیری شده است، عمق فرورفتگی نمونه CL lehfilcon A مشاهده شده با استفاده از روش آستانه نویز پس‌زمینه حدود 270 نانومتر است که بسیار نزدیک به اندازه اندازه‌گیری با STEM است. این نتایج، سازگاری و کاربرد شکل و اندازه نوک پروب AFM را برای فرورفتگی این ساختار برس پلیمری شاخه‌دار بسیار نرم و بسیار الاستیک بیشتر تأیید می‌کند. این داده‌ها همچنین شواهد محکمی برای پشتیبانی از روش ما در استفاده از نویز پس‌زمینه به عنوان آستانه‌ای برای تعیین دقیق نقاط تماس ارائه می‌دهند. بنابراین، هرگونه نتیجه کمی حاصل از مدل‌سازی ریاضی و برازش منحنی نیرو باید نسبتاً دقیق باشد.
اندازه‌گیری‌های کمی با روش‌های نانوفرورونده‌سازی AFM کاملاً به مدل‌های ریاضی مورد استفاده برای انتخاب داده‌ها و تجزیه و تحلیل‌های بعدی وابسته است. بنابراین، مهم است که قبل از انتخاب یک مدل خاص، تمام عوامل مربوط به انتخاب فرورونده، خواص مواد و مکانیک برهمکنش آنها را در نظر گرفت. در این مورد، هندسه نوک با استفاده از میکروگراف‌های SEM (شکل 1) به دقت مشخص شد و بر اساس نتایج، پروب نانوفرونده‌سازی AFM با قطر 140 نانومتر با هندسه مخروطی سخت و نوک کروی، انتخاب خوبی برای مشخص کردن نمونه‌های lehfilcon A CL79 است. عامل مهم دیگری که باید به دقت ارزیابی شود، خاصیت ارتجاعی ماده پلیمری مورد آزمایش است. اگرچه داده‌های اولیه نانوفرونده‌سازی (شکل‌های 5a و 6a) به وضوح ویژگی‌های همپوشانی منحنی‌های کشش و فشار، یعنی بازیابی کامل الاستیک ماده را نشان می‌دهند، تأیید ماهیت کاملاً الاستیک تماس‌ها بسیار مهم است. برای این منظور، دو فرورفتگی متوالی در یک نقطه روی سطح نمونه lehfilcon A CL با سرعت فرورفتگی 1 میکرومتر بر ثانیه تحت شرایط هیدراتاسیون کامل انجام شد. داده‌های منحنی نیرو در شکل 7 نشان داده شده است و همانطور که انتظار می‌رفت، منحنی‌های انبساط و فشردگی دو چاپ تقریباً یکسان هستند که نشان‌دهنده خاصیت ارتجاعی بالای ساختار برس پلیمری شاخه‌دار است.
دو منحنی نیروی فرورفتگی در یک مکان روی سطح lehfilcon A CL، نشان‌دهنده‌ی الاستیسیته ایده‌آل سطح لنز هستند.
بر اساس اطلاعات به‌دست‌آمده از تصاویر SEM و STEM به ترتیب از نوک پروب و سطح lehfilcon A CL، مدل مخروط-کره یک نمایش ریاضی معقول از برهمکنش بین نوک پروب AFM و ماده پلیمری نرم مورد آزمایش است. علاوه بر این، برای این مدل مخروط-کره، فرضیات اساسی در مورد خواص الاستیک ماده قالب‌گیری شده برای این ماده بیومیمتیک جدید صادق است و برای تعیین کمیت مدول الاستیک استفاده می‌شود.
پس از ارزیابی جامع روش نانوفرورونده‌سازی AFM و اجزای آن، از جمله خواص پروب فرورونده‌سازی (شکل، اندازه و سفتی فنر)، حساسیت (نویز پس‌زمینه و تخمین نقطه تماس) و مدل‌های برازش داده‌ها (اندازه‌گیری‌های کمی مدول)، از این روش استفاده شد. نمونه‌های فوق نرم موجود در بازار را برای تأیید نتایج کمی مشخص کنید. یک هیدروژل پلی‌آکریل‌آمید تجاری (PAAM) با مدول الاستیک 1 کیلوپاسکال تحت شرایط هیدراته با استفاده از یک پروب 140 نانومتری آزمایش شد. جزئیات آزمایش و محاسبات مدول در اطلاعات تکمیلی ارائه شده است. نتایج نشان داد که میانگین مدول اندازه‌گیری شده 0.92 کیلوپاسکال بود و انحراف %RSD و درصد (%) از مدول شناخته شده کمتر از 10٪ بود. این نتایج دقت و تکرارپذیری روش نانوفرونده‌سازی AFM مورد استفاده در این کار را برای اندازه‌گیری مدول مواد فوق نرم تأیید می‌کند. سطوح نمونه‌های lehfilcon A CL و زیرلایه پایه SiHy با استفاده از همان روش نانوفرورونده‌سازی AFM برای مطالعه مدول تماس ظاهری سطح فوق نرم به عنوان تابعی از عمق فرورفتگی، بیشتر مشخص شدند. منحنی‌های جداسازی نیروی فرورفتگی برای سه نمونه از هر نوع (n = 3؛ یک فرورفتگی در هر نمونه) با نیروی 300 پیکونیوتن، سرعت 1 میکرومتر بر ثانیه و هیدراتاسیون کامل ایجاد شدند. منحنی تقسیم نیروی فرورفتگی با استفاده از مدل مخروط-کره تقریب زده شد. برای به دست آوردن مدول وابسته به عمق فرورفتگی، بخشی به عرض 40 نانومتر از منحنی نیرو در هر گام 20 نانومتری از نقطه تماس تنظیم شد و مقادیر مدول در هر مرحله از منحنی نیرو اندازه‌گیری شد. Spin Cy و همکاران. از رویکرد مشابهی برای توصیف گرادیان مدول برس‌های پلیمری پلی (لوریل متاکریلات) (P12MA) با استفاده از نانوفرورونده‌سازی پروب کلوئیدی AFM استفاده شده است و نتایج با داده‌های حاصل از مدل تماس هرتز مطابقت دارد. این رویکرد، نموداری از مدول تماس ظاهری (kPa) در مقابل عمق فرورفتگی (nm) ارائه می‌دهد، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، که گرادیان مدول تماس ظاهری/عمق را نشان می‌دهد. مدول الاستیک محاسبه‌شده نمونه CL lehfilcon A در محدوده 2 تا 3 کیلوپاسکال در 100 نانومتر بالایی نمونه است که فراتر از آن با عمق شروع به افزایش می‌کند. از سوی دیگر، هنگام آزمایش زیرلایه پایه SiHy بدون فیلم برس مانند روی سطح، حداکثر عمق فرورفتگی حاصل شده در نیروی 300 پیکونیوتن کمتر از 50 نانومتر است و مقدار مدول به‌دست‌آمده از داده‌ها حدود 400 کیلوپاسکال است که با مقادیر مدول یانگ برای مواد فله قابل مقایسه است.
مدول تماس ظاهری (kPa) در مقابل عمق فرورفتگی (nm) برای زیرلایه‌های lehfilcon A CL و SiHy با استفاده از روش نانوفرورفتگی AFM با هندسه مخروط-کره برای اندازه‌گیری مدول.
بالاترین سطح ساختار برس پلیمری شاخه‌دار بیومیمتیک جدید، مدول الاستیسیته بسیار پایینی (۲-۳ کیلوپاسکال) نشان می‌دهد. این مدول با انتهای آزاد و آویزان برس پلیمری چنگالی، همانطور که در تصویر STEM نشان داده شده است، مطابقت دارد. در حالی که شواهدی از گرادیان مدول در لبه بیرونی CL وجود دارد، زیرلایه اصلی با مدول بالا، تأثیرگذارتر است. با این حال، ۱۰۰ نانومتر بالایی سطح در محدوده ۲۰٪ از کل طول برس پلیمری شاخه‌دار قرار دارد، بنابراین منطقی است که فرض کنیم مقادیر اندازه‌گیری شده مدول در این محدوده عمق فرورفتگی نسبتاً دقیق هستند و به شدت به تأثیر جسم پایینی بستگی ندارند.
با توجه به طراحی بیومیمتیک منحصر به فرد لنزهای تماسی lehfilcon A، متشکل از ساختارهای برس پلیمری شاخه‌دار PMPC که روی سطح زیرلایه‌های SiHy پیوند زده شده‌اند، توصیف قابل اعتماد خواص مکانیکی ساختارهای سطحی آنها با استفاده از روش‌های اندازه‌گیری سنتی بسیار دشوار است. در اینجا ما یک روش نانوایندنتاسیون AFM پیشرفته برای توصیف دقیق مواد فوق نرم مانند lefilcon A با محتوای آب بالا و خاصیت ارتجاعی بسیار بالا ارائه می‌دهیم. این روش مبتنی بر استفاده از یک کاوشگر AFM است که اندازه و هندسه نوک آن با دقت انتخاب شده است تا با ابعاد ساختاری ویژگی‌های سطح فوق نرم که قرار است چاپ شوند، مطابقت داشته باشد. این ترکیب ابعاد بین کاوشگر و ساختار، حساسیت بیشتری را فراهم می‌کند و به ما امکان می‌دهد مدول پایین و خواص الاستیک ذاتی عناصر برس پلیمری شاخه‌دار را صرف نظر از اثرات پوروالاستیسیته اندازه‌گیری کنیم. نتایج نشان داد که برس‌های پلیمری شاخه‌دار PMPC منحصر به فرد که مشخصه سطح لنز هستند، هنگام آزمایش در محیط آبی، مدول الاستیک بسیار پایین (تا 2 کیلوپاسکال) و خاصیت ارتجاعی بسیار بالا (تقریباً 100٪) داشتند. نتایج نانوفرورفتگی AFM همچنین به ما این امکان را داد که گرادیان مدول تماسی/عمق ظاهری (30 کیلوپاسکال/200 نانومتر) سطح لنز بیومیمتیک را مشخص کنیم. این گرادیان ممکن است به دلیل تفاوت مدول بین برس‌های پلیمری شاخه‌دار و زیرلایه SiHy، یا ساختار/چگالی شاخه‌دار برس‌های پلیمری، یا ترکیبی از آنها باشد. با این حال، مطالعات عمیق‌تری برای درک کامل رابطه بین ساختار و خواص، به ویژه تأثیر شاخه‌دار شدن برس بر خواص مکانیکی، مورد نیاز است. اندازه‌گیری‌های مشابه می‌تواند به مشخص کردن خواص مکانیکی سطح سایر مواد فوق نرم و دستگاه‌های پزشکی کمک کند.
مجموعه داده‌های تولید شده و/یا تحلیل شده در طول مطالعه حاضر، بنا به درخواست معقول، از نویسندگان مربوطه در دسترس هستند.
رحمتی، م.، سیلوا، ای.ای.، رزلند، جی.ای.، هیوارد، ک. و هاوگن، اچ.جی. واکنش‌های بیولوژیکی به خواص فیزیکی و شیمیایی سطوح مواد زیستی. شیمی. انجمن. ویرایش ۴۹، ۵۱۷۸–۵۲۲۴ (۲۰۲۰).
چن، اف‌ام و لیو، ایکس. بهبود زیست‌مواد مشتق‌شده از انسان برای مهندسی بافت. برنامه‌نویسی. پلیمر. علم. 53، 86 (2016).
سدلر، ک. و همکاران. طراحی، پیاده‌سازی بالینی و پاسخ ایمنی مواد زیستی در پزشکی ترمیمی. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
الیور دبلیو کی و فار جی ام، روشی بهبود یافته برای تعیین سختی و مدول الاستیک با استفاده از آزمایش‌های فرورفتگی با اندازه‌گیری‌های بار و جابجایی. مجله آلما ماتر. مخزن ذخیره‌سازی. 7، 1564–1583 (2011).
والی، اس. ام. ریشه‌های تاریخی آزمایش سختی فرورفتگی. آلما ماتر. علم. فناوری‌ها. 28، 1028–1044 (2012).
برویتمن، ای. اندازه‌گیری‌های سختی فرورفتگی در مقیاس ماکرو، میکرو و نانو: یک بررسی انتقادی. قبیله. رایت. 65، 1-18 (2017).
کافمن، جی. دی. و کلاپریچ، اس. ام. خطاهای تشخیص سطح منجر به تخمین بیش از حد مدول در نانوفرورونده‌سازی مواد نرم می‌شود. مجله مکانیک. رفتار. علوم زیست‌پزشکی. آلما ماتر. 2، 312–317 (2009).
کریم‌زاده ع.، کلور س.ر.، آیت‌الله‌لاخی م.ر.، بشروا ا.ر. و یحیی م.یو. ارزیابی روش نانوفرورونده‌سازی برای تعیین ویژگی‌های مکانیکی نانوکامپوزیت‌های ناهمگن با استفاده از روش‌های تجربی و محاسباتی. مجله علوم. خانه ۹، ۱۵۷۶۳ (۲۰۱۹).
لیو، ک.، ون لندینگهام، ام آر، و اوارت، تی اس. توصیف مکانیکی ژل‌های ویسکوالاستیک نرم با استفاده از فرورفتگی و تحلیل المان محدود معکوس مبتنی بر بهینه‌سازی. مجله مکانیک. رفتار. علوم زیست پزشکی. آلما ماتر. 2، 355–363 (2009).
اندروز جی دبلیو، بوون جی و شانلر دی. بهینه‌سازی تعیین ویسکوالاستیسیته با استفاده از سیستم‌های اندازه‌گیری سازگار. Soft Matter 9، 5581–5593 (2013).
بریسکو، بی.جی.، فیوری، ال. و پلیلو، ای. نانوفروروندگی سطوح پلیمری. مجله فیزیک. دی. درخواست برای فیزیک. 31، 2395 (1998).
میایلوویچ آ. اس.، تسین ب.، فورتوناتو د. و ون ولیت ک. جی. توصیف خواص مکانیکی ویسکوالاستیک پلیمرهای بسیار الاستیک و بافت‌های بیولوژیکی با استفاده از فرورفتگی ضربه‌ای. مجله مواد زیستی. 71، 388–397 (2018).
Perepelkin NV، Kovalev AE، Gorb SN، Borodich FM ارزیابی مدول الاستیک و کار چسبندگی مواد نرم با استفاده از روش Borodich-Galanov (BG) توسعه‌یافته و فرورفتگی عمیق. fur. alma mater. 129، 198–213 (2019).
شی، ایکس. و همکاران. مورفولوژی نانومقیاس و خواص مکانیکی سطوح پلیمری بیومیمتیک لنزهای تماسی سیلیکون هیدروژل. لانگمویر 37، 13961–13967 (2021).