Nature.com ની મુલાકાત લેવા બદલ આભાર. તમે મર્યાદિત CSS સપોર્ટ સાથે બ્રાઉઝર વર્ઝનનો ઉપયોગ કરી રહ્યા છો. શ્રેષ્ઠ અનુભવ માટે, અમે ભલામણ કરીએ છીએ કે તમે અપડેટેડ બ્રાઉઝરનો ઉપયોગ કરો (અથવા ઇન્ટરનેટ એક્સપ્લોરરમાં સુસંગતતા મોડને અક્ષમ કરો). વધુમાં, ચાલુ સપોર્ટ સુનિશ્ચિત કરવા માટે, અમે શૈલીઓ અને JavaScript વિના સાઇટ બતાવીએ છીએ.
એકસાથે ત્રણ સ્લાઇડ્સનું કેરોયુઝલ દર્શાવે છે. એક સમયે ત્રણ સ્લાઇડ્સમાંથી આગળ વધવા માટે પહેલાના અને આગળના બટનોનો ઉપયોગ કરો, અથવા એક સમયે ત્રણ સ્લાઇડ્સમાંથી આગળ વધવા માટે અંતે સ્લાઇડર બટનોનો ઉપયોગ કરો.
તબીબી ઉપકરણો અને બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશનો માટે નવા અલ્ટ્રા-સોફ્ટ મટિરિયલ્સના વિકાસ સાથે, તેમના ભૌતિક અને યાંત્રિક ગુણધર્મોનું વ્યાપક લાક્ષણિકતા મહત્વપૂર્ણ અને પડકારજનક બંને છે. બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચર્સના સ્તર સાથે કોટેડ નવા લેહફિલ્કોન A બાયોમિમેટિક સિલિકોન હાઇડ્રોજેલ કોન્ટેક્ટ લેન્સના અત્યંત નીચા સપાટી મોડ્યુલસને લાક્ષણિકતા આપવા માટે એક સંશોધિત અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપી (AFM) નેનોઇન્ડેન્ટેશન તકનીક લાગુ કરવામાં આવી હતી. આ પદ્ધતિ બ્રાન્ચ્ડ પોલિમરનો સંપર્ક કરતી વખતે ચીકણું એક્સટ્રુઝનની અસરો વિના સંપર્ક બિંદુઓનું ચોક્કસ નિર્ધારણ કરવાની મંજૂરી આપે છે. વધુમાં, તે પોરોઇલાસ્ટીસીટીની અસર વિના વ્યક્તિગત બ્રશ તત્વોની યાંત્રિક લાક્ષણિકતાઓ નક્કી કરવાનું શક્ય બનાવે છે. આ ડિઝાઇન (ટીપ કદ, ભૂમિતિ અને સ્પ્રિંગ રેટ) સાથે AFM પ્રોબ પસંદ કરીને પ્રાપ્ત થાય છે જે ખાસ કરીને નરમ સામગ્રી અને જૈવિક નમૂનાઓના ગુણધર્મોને માપવા માટે યોગ્ય છે. આ પદ્ધતિ ખૂબ જ નરમ સામગ્રી લેહફિલ્કોન A ના સચોટ માપન માટે સંવેદનશીલતા અને ચોકસાઈમાં સુધારો કરે છે, જેમાં સપાટી વિસ્તાર (2 kPa સુધી) પર સ્થિતિસ્થાપકતાનું અત્યંત ઓછું મોડ્યુલસ અને આંતરિક (લગભગ 100%) જલીય વાતાવરણમાં અત્યંત ઉચ્ચ સ્થિતિસ્થાપકતા છે. સપાટીના અભ્યાસના પરિણામોએ લેહફિલ્કોન A લેન્સના અતિ-સોફ્ટ સપાટી ગુણધર્મો જ જાહેર કર્યા નહીં, પરંતુ એ પણ દર્શાવ્યું કે શાખાવાળા પોલિમર બ્રશનું મોડ્યુલસ સિલિકોન-હાઇડ્રોજન સબસ્ટ્રેટ સાથે તુલનાત્મક હતું. આ સપાટી લાક્ષણિકતા તકનીક અન્ય અતિ-સોફ્ટ સામગ્રી અને તબીબી ઉપકરણો પર લાગુ કરી શકાય છે.
જીવંત પેશીઓ સાથે સીધા સંપર્ક માટે રચાયેલ સામગ્રીના યાંત્રિક ગુણધર્મો ઘણીવાર જૈવિક વાતાવરણ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. આ સામગ્રી ગુણધર્મોનો સંપૂર્ણ મેળ પ્રતિકૂળ સેલ્યુલર પ્રતિભાવો પેદા કર્યા વિના સામગ્રીની ઇચ્છિત ક્લિનિકલ લાક્ષણિકતાઓ પ્રાપ્ત કરવામાં મદદ કરે છે1,2,3. જથ્થાબંધ સજાતીય સામગ્રી માટે, પ્રમાણભૂત પ્રક્રિયાઓ અને પરીક્ષણ પદ્ધતિઓ (દા.ત., માઇક્રોઇન્ડેન્ટેશન4,5,6) ની ઉપલબ્ધતાને કારણે યાંત્રિક ગુણધર્મોનું લાક્ષણિકતા પ્રમાણમાં સરળ છે. જો કે, જેલ, હાઇડ્રોજેલ્સ, બાયોપોલિમર્સ, જીવંત કોષો, વગેરે જેવી અતિ-સોફ્ટ સામગ્રી માટે, માપન રિઝોલ્યુશન મર્યાદાઓ અને કેટલીક સામગ્રીની અસંગતતાને કારણે આ પરીક્ષણ પદ્ધતિઓ સામાન્ય રીતે લાગુ પડતી નથી7. વર્ષોથી, પરંપરાગત ઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિઓમાં ફેરફાર કરવામાં આવ્યા છે અને નરમ સામગ્રીની વિશાળ શ્રેણીને લાક્ષણિકતા આપવા માટે અનુકૂલન કરવામાં આવ્યું છે, પરંતુ ઘણી પદ્ધતિઓ હજુ પણ ગંભીર ખામીઓથી પીડાય છે જે તેમના ઉપયોગને મર્યાદિત કરે છે8,9,10,11,12,13. સુપરસોફ્ટ સામગ્રી અને સપાટી સ્તરોના યાંત્રિક ગુણધર્મોને સચોટ અને વિશ્વસનીય રીતે લાક્ષણિકતા આપી શકે તેવી વિશિષ્ટ પરીક્ષણ પદ્ધતિઓનો અભાવ વિવિધ એપ્લિકેશનોમાં તેમના ઉપયોગને ગંભીર રીતે મર્યાદિત કરે છે.
અમારા અગાઉના કાર્યમાં, અમે લેહફિલ્કોન A (CL) કોન્ટેક્ટ લેન્સ રજૂ કર્યો હતો, જે આંખના કોર્નિયાની સપાટીથી પ્રેરિત સંભવિત બાયોમિમેટિક ડિઝાઇનમાંથી મેળવેલા તમામ અતિ-સોફ્ટ સપાટી ગુણધર્મો સાથેનો નરમ વિજાતીય પદાર્થ છે. આ બાયોમટીરિયલ પોલી(2-મેથાક્રાયલોયલોક્સીથિલફોસ્ફોરીલકોલાઇન (MPC)) (PMPC) ના શાખાવાળા, ક્રોસ-લિંક્ડ પોલિમર સ્તરને સિલિકોન હાઇડ્રોજેલ (SiHy) 15 પર કલમ ​​કરીને વિકસાવવામાં આવ્યો હતો જે તબીબી ઉપકરણો માટે રચાયેલ છે. આ કલમ બનાવવાની પ્રક્રિયા સપાટી પર એક સ્તર બનાવે છે જેમાં ખૂબ જ નરમ અને અત્યંત સ્થિતિસ્થાપક શાખાવાળા પોલિમરીક બ્રશ માળખું હોય છે. અમારા અગાઉના કાર્યએ પુષ્ટિ આપી છે કે લેહફિલ્કોન A CL ની બાયોમિમેટિક રચના શ્રેષ્ઠ સપાટી ગુણધર્મો પ્રદાન કરે છે જેમ કે સુધારેલ ભીનાશ અને ફાઉલિંગ નિવારણ, વધેલી લુબ્રિસિટી, અને ઘટાડો કોષ અને બેક્ટેરિયલ સંલગ્નતા15,16. વધુમાં, આ બાયોમિમેટિક સામગ્રીનો ઉપયોગ અને વિકાસ અન્ય બાયોમેડિકલ ઉપકરણોમાં વધુ વિસ્તરણ પણ સૂચવે છે. તેથી, ભવિષ્યના વિકાસ અને એપ્લિકેશનોને ટેકો આપવા માટે એક વ્યાપક જ્ઞાન આધાર બનાવવા માટે આ અતિ-સોફ્ટ સામગ્રીના સપાટી ગુણધર્મોનું વર્ણન કરવું અને આંખ સાથે તેની યાંત્રિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને સમજવી મહત્વપૂર્ણ છે. મોટાભાગના વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ SiHy કોન્ટેક્ટ લેન્સ હાઇડ્રોફિલિક અને હાઇડ્રોફોબિક પોલિમરના એકરૂપ મિશ્રણથી બનેલા હોય છે જે એક સમાન સામગ્રી માળખું બનાવે છે17. પરંપરાગત કમ્પ્રેશન, ટેન્સાઇલ અને માઇક્રોઇન્ડેન્ટેશન પરીક્ષણ પદ્ધતિઓ18,19,20,21 નો ઉપયોગ કરીને તેમના યાંત્રિક ગુણધર્મોની તપાસ કરવા માટે ઘણા અભ્યાસો હાથ ધરવામાં આવ્યા છે. જો કે, લેહફિલ્કોન A CL ની નવી બાયોમિમેટિક ડિઝાઇન તેને એક અનન્ય વિજાતીય સામગ્રી બનાવે છે જેમાં બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચર્સના યાંત્રિક ગુણધર્મો SiHy બેઝ સબસ્ટ્રેટ કરતા નોંધપાત્ર રીતે અલગ છે. તેથી, પરંપરાગત અને ઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને આ ગુણધર્મોને ચોક્કસ રીતે માપવા ખૂબ મુશ્કેલ છે. એક આશાસ્પદ પદ્ધતિ એટોમિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી (AFM) માં અમલમાં મુકાયેલી નેનોઇન્ડેન્ટેશન પરીક્ષણ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે, એક પદ્ધતિ જેનો ઉપયોગ જૈવિક કોષો અને પેશીઓ જેવા નરમ વિસ્કોઇલાસ્ટિક પદાર્થોના યાંત્રિક ગુણધર્મો નક્કી કરવા માટે કરવામાં આવ્યો છે, તેમજ નરમ પોલિમર22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશનમાં, નેનોઇન્ડેન્ટેશન પરીક્ષણના મૂળભૂત સિદ્ધાંતોને AFM ટેકનોલોજીમાં નવીનતમ પ્રગતિ સાથે જોડવામાં આવે છે જેથી માપન સંવેદનશીલતામાં વધારો થાય અને સ્વાભાવિક રીતે સુપરસોફ્ટ સામગ્રીની વિશાળ શ્રેણીનું પરીક્ષણ થાય 31,32,33,34,35,36. વધુમાં, આ ટેકનોલોજી વિવિધ ભૂમિતિઓના ઉપયોગ દ્વારા અન્ય મહત્વપૂર્ણ ફાયદાઓ પ્રદાન કરે છે. ઇન્ડેન્ટર અને પ્રોબ અને વિવિધ પ્રવાહી માધ્યમોમાં પરીક્ષણની શક્યતા.
AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશનને શરતી રીતે ત્રણ મુખ્ય ઘટકોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: (1) સાધનો (સેન્સર, ડિટેક્ટર, પ્રોબ્સ, વગેરે); (2) માપન પરિમાણો (જેમ કે બળ, વિસ્થાપન, ગતિ, રેમ્પ કદ, વગેરે); (3) ડેટા પ્રોસેસિંગ (બેઝલાઇન કરેક્શન, ટચ પોઈન્ટ અંદાજ, ડેટા ફિટિંગ, મોડેલિંગ, વગેરે). આ પદ્ધતિ સાથે એક મહત્વપૂર્ણ સમસ્યા એ છે કે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરતા સાહિત્યમાં ઘણા અભ્યાસો સમાન નમૂના/કોષ/સામગ્રી પ્રકાર37,38,39,40,41 માટે ખૂબ જ અલગ જથ્થાત્મક પરિણામોની જાણ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, લેક્કા એટ અલ. યાંત્રિક રીતે સજાતીય હાઇડ્રોજેલ અને વિજાતીય કોષોના નમૂનાઓના માપેલા યંગના મોડ્યુલસ પર AFM પ્રોબ ભૂમિતિના પ્રભાવનો અભ્યાસ અને સરખામણી કરવામાં આવી હતી. તેઓ અહેવાલ આપે છે કે મોડ્યુલસ મૂલ્યો કેન્ટીલીવર પસંદગી અને ટીપ આકાર પર ખૂબ જ આધારિત છે, પિરામિડ-આકારના પ્રોબ માટે સૌથી વધુ મૂલ્ય અને ગોળાકાર પ્રોબ માટે સૌથી ઓછું મૂલ્ય 42 છે. તેવી જ રીતે, સેલ્હુબર-અંકેલ એટ અલ. ACM43 નેનોઇન્ડેન્ટેશન દ્વારા માપવામાં આવતા યંગના મોડ્યુલસને ઇન્ડેન્ટરની ગતિ, ઇન્ડેન્ટરનું કદ અને પોલિએક્રીલામાઇડ (PAAM) નમૂનાઓની જાડાઈ કેવી રીતે અસર કરે છે તે દર્શાવવામાં આવ્યું છે. બીજું એક જટિલ પરિબળ પ્રમાણભૂત અત્યંત નીચા મોડ્યુલસ પરીક્ષણ સામગ્રી અને મફત પરીક્ષણ પ્રક્રિયાઓનો અભાવ છે. આનાથી વિશ્વાસ સાથે સચોટ પરિણામો મેળવવાનું ખૂબ મુશ્કેલ બને છે. જો કે, સમાન નમૂના પ્રકારો વચ્ચે સંબંધિત માપન અને તુલનાત્મક મૂલ્યાંકન માટે પદ્ધતિ ખૂબ જ ઉપયોગી છે, ઉદાહરણ તરીકે કેન્સર કોષો 44, 45 થી સામાન્ય કોષોને અલગ પાડવા માટે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરવો.
AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન સાથે નરમ પદાર્થોનું પરીક્ષણ કરતી વખતે, એક સામાન્ય નિયમ એ છે કે નીચા સ્પ્રિંગ કોન્સ્ટન્ટ (k) સાથે પ્રોબનો ઉપયોગ કરવો જે નમૂના મોડ્યુલસ અને ગોળાર્ધ/ગોળાકાર ટીપ સાથે નજીકથી મેળ ખાય છે જેથી પ્રથમ પ્રોબ નરમ પદાર્થો સાથેના પ્રથમ સંપર્કમાં નમૂનાની સપાટીને વીંધી ન શકે. એ પણ મહત્વપૂર્ણ છે કે પ્રોબ દ્વારા ઉત્પન્ન થતો ડિફ્લેક્શન સિગ્નલ લેસર ડિટેક્ટર સિસ્ટમ દ્વારા શોધી શકાય તેટલો મજબૂત હોય 24,34,46,47. અતિ-સોફ્ટ વિજાતીય કોષો, પેશીઓ અને જેલના કિસ્સામાં, બીજો પડકાર એ છે કે પ્રોબ અને નમૂના સપાટી વચ્ચેના એડહેસિવ બળને દૂર કરીને પુનઃઉત્પાદનક્ષમ અને વિશ્વસનીય માપન સુનિશ્ચિત કરવું 48,49,50. તાજેતરમાં સુધી, AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પર મોટાભાગના કાર્ય પ્રમાણમાં મોટા ગોળાકાર પ્રોબ્સનો ઉપયોગ કરીને જૈવિક કોષો, પેશીઓ, જેલ, હાઇડ્રોજેલ્સ અને બાયોમોલેક્યુલ્સના યાંત્રિક વર્તનના અભ્યાસ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું છે, જેને સામાન્ય રીતે કોલોઇડલ પ્રોબ્સ (CPs) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. આ ટીપ્સનો ત્રિજ્યા 1 થી 50 µm છે અને તે સામાન્ય રીતે બોરોસિલિકેટ ગ્લાસ, પોલિમિથાઇલ મેથાક્રાયલેટ (PMMA), પોલિસ્ટરીન (PS), સિલિકોન ડાયોક્સાઇડ (SiO2) અને હીરા જેવા કાર્બન (DLC) માંથી બનાવવામાં આવે છે. જોકે CP-AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન ઘણીવાર સોફ્ટ સેમ્પલ લાક્ષણિકતા માટે પ્રથમ પસંદગી હોય છે, તેની પોતાની સમસ્યાઓ અને મર્યાદાઓ છે. મોટા, માઇક્રોન-કદના ગોળાકાર ટીપ્સનો ઉપયોગ નમૂના સાથે ટીપના કુલ સંપર્ક ક્ષેત્રને વધારે છે અને અવકાશી રીઝોલ્યુશનમાં નોંધપાત્ર નુકસાન તરફ દોરી જાય છે. નરમ, અસંગત નમૂનાઓ માટે, જ્યાં સ્થાનિક તત્વોના યાંત્રિક ગુણધર્મો વિશાળ વિસ્તાર પર સરેરાશ કરતા નોંધપાત્ર રીતે અલગ હોઈ શકે છે, CP ઇન્ડેન્ટેશન સ્થાનિક સ્કેલ પર ગુણધર્મોમાં કોઈપણ અસંગતતાને છુપાવી શકે છે52. કોલોઇડલ પ્રોબ્સ સામાન્ય રીતે ઇપોક્સી એડહેસિવ્સનો ઉપયોગ કરીને માઇક્રોન-કદના કોલોઇડલ ગોળાઓને ટીપલેસ કેન્ટીલીવર્સ સાથે જોડીને બનાવવામાં આવે છે. ઉત્પાદન પ્રક્રિયા પોતે ઘણી સમસ્યાઓથી ભરેલી છે અને પ્રોબ કેલિબ્રેશન પ્રક્રિયામાં અસંગતતાઓ તરફ દોરી શકે છે. વધુમાં, કોલોઇડલ કણોનું કદ અને સમૂહ કેન્ટીલીવરના મુખ્ય કેલિબ્રેશન પરિમાણોને સીધી અસર કરે છે, જેમ કે રેઝોનન્ટ ફ્રીક્વન્સી, સ્પ્રિંગ જડતા અને ડિફ્લેક્શન સંવેદનશીલતા56,57,58. આમ, પરંપરાગત AFM પ્રોબ્સ માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિઓ, જેમ કે તાપમાન કેલિબ્રેશન, CP માટે ચોક્કસ કેલિબ્રેશન પ્રદાન કરી શકતી નથી, અને આ સુધારાઓ કરવા માટે અન્ય પદ્ધતિઓની જરૂર પડી શકે છે57, 59, 60, 61. લાક્ષણિક CP ઇન્ડેન્ટેશન પ્રયોગો સોફ્ટ નમૂનાઓના ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવા માટે મોટા વિચલનો કેન્ટીલીવરનો ઉપયોગ કરે છે, જે પ્રમાણમાં મોટા વિચલનો પર કેન્ટીલીવરના બિન-રેખીય વર્તનને કેલિબ્રેટ કરતી વખતે બીજી સમસ્યા ઊભી કરે છે62,63,64. આધુનિક કોલોઇડલ પ્રોબ ઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિઓ સામાન્ય રીતે પ્રોબને કેલિબ્રેટ કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા કેન્ટીલીવરની ભૂમિતિને ધ્યાનમાં લે છે, પરંતુ કોલોઇડલ કણોના પ્રભાવને અવગણે છે, જે પદ્ધતિની ચોકસાઈમાં વધારાની અનિશ્ચિતતા બનાવે છે38,61. તેવી જ રીતે, કોન્ટેક્ટ મોડેલ ફિટિંગ દ્વારા ગણતરી કરાયેલ સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલી ઇન્ડેન્ટેશન પ્રોબની ભૂમિતિ પર સીધી રીતે આધારિત હોય છે, અને ટીપ અને નમૂના સપાટીની લાક્ષણિકતાઓ વચ્ચે મેળ ખાતો નથી તે અચોક્કસતા 27, 65, 66, 67, 68 તરફ દોરી શકે છે. સ્પેન્સર એટ અલ દ્વારા તાજેતરના કેટલાક કાર્ય. CP-AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને સોફ્ટ પોલિમર બ્રશનું વર્ણન કરતી વખતે ધ્યાનમાં લેવા જોઈએ તેવા પરિબળો પ્રકાશિત કરવામાં આવ્યા છે. તેઓએ અહેવાલ આપ્યો છે કે ગતિના કાર્ય તરીકે પોલિમર બ્રશમાં ચીકણું પ્રવાહી જાળવી રાખવાથી હેડ લોડિંગમાં વધારો થાય છે અને તેથી ગતિ આધારિત ગુણધર્મોના વિવિધ માપન 30,69,70,71 થાય છે.
આ અભ્યાસમાં, અમે સંશોધિત AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને અલ્ટ્રા-સોફ્ટ અત્યંત સ્થિતિસ્થાપક સામગ્રી લેહફિલ્કોન A CL ના સપાટી મોડ્યુલસનું વર્ણન કર્યું છે. આ સામગ્રીના ગુણધર્મો અને નવી રચનાને જોતાં, પરંપરાગત ઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિની સંવેદનશીલતા શ્રેણી આ અત્યંત નરમ સામગ્રીના મોડ્યુલસને દર્શાવવા માટે સ્પષ્ટપણે અપૂરતી છે, તેથી ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા અને ઓછી સંવેદનશીલતા સ્તર સાથે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવો જરૂરી છે. હાલની કોલોઇડલ AFM પ્રોબ નેનોઇન્ડેન્ટેશન તકનીકોની ખામીઓ અને સમસ્યાઓની સમીક્ષા કર્યા પછી, અમે બતાવીએ છીએ કે અમે સંવેદનશીલતા, પૃષ્ઠભૂમિ અવાજ, સંપર્કના બિંદુ બિંદુ, પ્રવાહી રીટેન્શન નિર્ભરતા જેવા નરમ વિજાતીય પદાર્થોના વેગ મોડ્યુલસને માપવા માટે શા માટે એક નાનું, કસ્ટમ-ડિઝાઇન કરેલ AFM પ્રોબ પસંદ કર્યું. અને સચોટ પરિમાણીકરણ. વધુમાં, અમે ઇન્ડેન્ટેશન ટીપના આકાર અને પરિમાણોને સચોટ રીતે માપવામાં સક્ષમ હતા, જેનાથી અમને સામગ્રી સાથે ટીપના સંપર્ક ક્ષેત્રનું મૂલ્યાંકન કર્યા વિના સ્થિતિસ્થાપકતાના મોડ્યુલસ નક્કી કરવા માટે શંકુ-ગોળા ફિટ મોડેલનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી મળી. આ કાર્યમાં જે બે ગર્ભિત ધારણાઓનું પ્રમાણ નક્કી કરવામાં આવ્યું છે તે સંપૂર્ણપણે સ્થિતિસ્થાપક સામગ્રી ગુણધર્મો અને ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ-સ્વતંત્ર મોડ્યુલસ છે. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને, અમે પદ્ધતિનું પ્રમાણ નક્કી કરવા માટે પહેલા જાણીતા મોડ્યુલસ સાથે અલ્ટ્રા-સોફ્ટ ધોરણોનું પરીક્ષણ કર્યું, અને પછી બે અલગ અલગ કોન્ટેક્ટ લેન્સ સામગ્રીની સપાટીઓનું વર્ણન કરવા માટે આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો. વધેલી સંવેદનશીલતા સાથે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન સપાટીઓને લાક્ષણિકતા આપવાની આ પદ્ધતિ તબીબી ઉપકરણો અને બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સમાં સંભવિત ઉપયોગ સાથે બાયોમિમેટિક હેટરોજેનેસ અલ્ટ્રાસોફ્ટ સામગ્રીની વિશાળ શ્રેણી પર લાગુ થવાની અપેક્ષા છે.
લેહફિલ્કોન એ કોન્ટેક્ટ લેન્સ (એલ્કોન, ફોર્ટ વર્થ, ટેક્સાસ, યુએસએ) અને તેમના સિલિકોન હાઇડ્રોજેલ સબસ્ટ્રેટ્સને નેનોઇન્ડેન્ટેશન પ્રયોગો માટે પસંદ કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રયોગમાં ખાસ ડિઝાઇન કરેલા લેન્સ માઉન્ટનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. પરીક્ષણ માટે લેન્સ ઇન્સ્ટોલ કરવા માટે, તેને ગુંબજ આકારના સ્ટેન્ડ પર કાળજીપૂર્વક મૂકવામાં આવ્યો હતો, ખાતરી કરવામાં આવી હતી કે કોઈ હવાના પરપોટા અંદર ન જાય, અને પછી કિનારીઓ સાથે ઠીક કરવામાં આવ્યા હતા. લેન્સ હોલ્ડરની ટોચ પર ફિક્સ્ચરમાં એક છિદ્ર પ્રવાહીને સ્થાને રાખીને નેનોઇન્ડેન્ટેશન પ્રયોગો માટે લેન્સના ઓપ્ટિકલ સેન્ટરમાં પ્રવેશ પૂરો પાડે છે. આ લેન્સને સંપૂર્ણપણે હાઇડ્રેટેડ રાખે છે. 500 μl કોન્ટેક્ટ લેન્સ પેકેજિંગ સોલ્યુશનનો ઉપયોગ પરીક્ષણ ઉકેલ તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો. માત્રાત્મક પરિણામો ચકાસવા માટે, વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ નોન-એક્ટિવેટેડ પોલિએક્રીલામાઇડ (PAAM) હાઇડ્રોજેલ્સ પોલિએક્રીલામાઇડ-કો-મેથિલિન-બિસાક્રિલામાઇડ રચના (100 મીમી પેટ્રિસોફ્ટ પેટ્રી ડીશ, મેટ્રિજેન, ઇર્વિન, CA, યુએસએ) માંથી તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા, જે 1 kPa નું જાણીતું સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ છે. AFM હાઇડ્રોજેલ-પ્રોબ ઇન્ટરફેસ પર ફોસ્ફેટ બફર સલાઈનના 4-5 ટીપાં (આશરે 125 µl) (કોર્નિંગ લાઈફ સાયન્સ, ટેવક્સબરી, MA, USA માંથી PBS) અને OPTI-ફ્રી પ્યોરમોઇસ્ટ કોન્ટેક્ટ લેન્સ સોલ્યુશન (Alcon, Vaud, TX, USA) નું 1 ટીપું વાપરો.
લેહફિલ્કોન A CL અને SiHy સબસ્ટ્રેટના નમૂનાઓ સ્કેનિંગ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (STEM) ડિટેક્ટરથી સજ્જ FEI ક્વોન્ટા 250 ફીલ્ડ એમિશન સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ (FEG SEM) સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવામાં આવ્યા હતા. નમૂનાઓ તૈયાર કરવા માટે, લેન્સને પહેલા પાણીથી ધોવામાં આવ્યા હતા અને પાઇ-આકારના વેજમાં કાપવામાં આવ્યા હતા. નમૂનાઓના હાઇડ્રોફિલિક અને હાઇડ્રોફોબિક ઘટકો વચ્ચે વિભેદક વિરોધાભાસ પ્રાપ્ત કરવા માટે, RuO4 ના 0.10% સ્થિર દ્રાવણનો ઉપયોગ રંગ તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો, જેમાં નમૂનાઓને 30 મિનિટ માટે ડૂબાડવામાં આવ્યા હતા. લેહફિલ્કોન A CL RuO4 સ્ટેનિંગ માત્ર સુધારેલ વિભેદક વિરોધાભાસ પ્રાપ્ત કરવા માટે જ મહત્વપૂર્ણ નથી, પરંતુ બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશની રચનાને તેમના મૂળ સ્વરૂપમાં સાચવવામાં પણ મદદ કરે છે, જે પછી STEM છબીઓ પર દેખાય છે. ત્યારબાદ તેમને ઇથેનોલ/પાણીના મિશ્રણની શ્રેણીમાં ધોવામાં આવ્યા હતા અને ઇથેનોલ સાંદ્રતામાં વધારો કરીને ડિહાઇડ્રેટ કરવામાં આવ્યા હતા. ત્યારબાદ નમૂનાઓને EMBed 812/Araldite epoxy સાથે કાસ્ટ કરવામાં આવ્યા હતા, જે 70°C પર રાતોરાત સાજા થયા હતા. રેઝિન પોલિમરાઇઝેશન દ્વારા મેળવેલા નમૂના બ્લોક્સને અલ્ટ્રામાઇક્રોટોમથી કાપવામાં આવ્યા હતા, અને પરિણામી પાતળા ભાગોને 30 kV ના પ્રવેગક વોલ્ટેજ પર ઓછા વેક્યૂમ મોડમાં STEM ડિટેક્ટર સાથે વિઝ્યુઅલાઈઝ કરવામાં આવ્યા હતા. PFQNM-LC-A-CAL AFM પ્રોબ (બ્રુકર નેનો, સાન્ટા બાર્બરા, CA, USA) ના વિગતવાર પાત્રાલેખન માટે સમાન SEM સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. AFM પ્રોબની SEM છબીઓ 30 kV ના પ્રવેગક વોલ્ટેજ સાથે લાક્ષણિક ઉચ્ચ વેક્યૂમ મોડમાં મેળવવામાં આવી હતી. AFM પ્રોબ ટીપના આકાર અને કદની બધી વિગતો રેકોર્ડ કરવા માટે વિવિધ ખૂણાઓ અને મેગ્નિફિકેશન પર છબીઓ મેળવો. છબીઓમાં રસ ધરાવતા તમામ ટીપ પરિમાણો ડિજિટલ રીતે માપવામાં આવ્યા હતા.
લેહફિલ્કોન A CL, SiHy સબસ્ટ્રેટ અને PAAm હાઇડ્રોજેલ નમૂનાઓનું વિઝ્યુઅલાઈઝેશન અને નેનોઇન્ડેન્ટેટ કરવા માટે "પીકફોર્સ QNM ઇન ફ્લુઇડ" મોડ સાથે ડાયમેન્શન ફાસ્ટસ્કેન બાયો આઇકોન એટોમિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપ (બ્રુકર નેનો, સાન્ટા બાર્બરા, CA, USA) નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. ઇમેજિંગ પ્રયોગો માટે, 0.50 Hz ના સ્કેન દરે નમૂનાની ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન છબીઓ મેળવવા માટે 1 nm ની નજીવી ટિપ ત્રિજ્યા સાથે PEAKFORCE-HIRS-FA પ્રોબ (બ્રુકર) નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. બધી છબીઓ જલીય દ્રાવણમાં લેવામાં આવી હતી.
AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પ્રયોગો PFQNM-LC-A-CAL પ્રોબ (બ્રુકર) નો ઉપયોગ કરીને હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા. AFM પ્રોબમાં 345 nm જાડા, 54 µm લાંબા અને 4.5 µm પહોળા નાઇટ્રાઇડ કેન્ટીલીવર પર સિલિકોન ટીપ છે જેની રેઝોનન્ટ ફ્રીક્વન્સી 45 kHz છે. તે ખાસ કરીને સોફ્ટ જૈવિક નમૂનાઓ પર માત્રાત્મક નેનોમિકેનિકલ માપન કરવા અને લાક્ષણિકતા આપવા માટે રચાયેલ છે. સેન્સર્સ ફેક્ટરીમાં પ્રી-કેલિબ્રેટેડ સ્પ્રિંગ સેટિંગ્સ સાથે વ્યક્તિગત રીતે માપાંકિત કરવામાં આવે છે. આ અભ્યાસમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રોબ્સના સ્પ્રિંગ સ્થિરાંકો 0.05–0.1 N/m ની રેન્જમાં હતા. ટીપના આકાર અને કદને સચોટ રીતે નક્કી કરવા માટે, SEM નો ઉપયોગ કરીને ચકાસણીને વિગતવાર દર્શાવવામાં આવી હતી. આકૃતિ 1a PFQNM-LC-A-CAL પ્રોબનો ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન, નીચા મેગ્નિફિકેશન સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોગ્રાફ દર્શાવે છે, જે ચકાસણી ડિઝાઇનનો સંપૂર્ણ દૃશ્ય પ્રદાન કરે છે. આકૃતિ 1a માં PFQNM-LC-A-CAL પ્રોબનો ઉચ્ચ રીઝોલ્યુશન, ઓછો મેગ્નિફિકેશન સ્કેનિંગ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોગ્રાફ દર્શાવે છે, જે ચકાસણી ડિઝાઇનનો સંપૂર્ણ દૃશ્ય પ્રદાન કરે છે. આકૃતિ 1a માં. આકૃતિ 1b પ્રોબ ટીપના ઉપરના ભાગનું વિસ્તૃત દૃશ્ય દર્શાવે છે, જે ટીપના આકાર અને કદ વિશે માહિતી પૂરી પાડે છે. છેડાના છેડે, સોય લગભગ 140 nm વ્યાસનો ગોળાર્ધ છે (આકૃતિ 1c). આની નીચે, ટીપ શંકુ આકારમાં ટેપર થાય છે, જે લગભગ 500 nm ની માપેલી લંબાઈ સુધી પહોંચે છે. ટેપરિંગ પ્રદેશની બહાર, ટીપ નળાકાર છે અને કુલ ટીપ લંબાઈ 1.18 µm માં સમાપ્ત થાય છે. આ પ્રોબ ટીપનો મુખ્ય કાર્યાત્મક ભાગ છે. વધુમાં, 45 µm ના ટીપ વ્યાસ અને 2 N/m ના સ્પ્રિંગ કોન્સ્ટન્ટ સાથે એક વિશાળ ગોળાકાર પોલિસ્ટરીન (PS) પ્રોબ (નોવાસ્કેન ટેક્નોલોજીસ, ઇન્ક., બૂન, આયોવા, યુએસએ) નો ઉપયોગ કોલોઇડલ પ્રોબ તરીકે પરીક્ષણ માટે પણ કરવામાં આવ્યો હતો. સરખામણી માટે PFQNM-LC-A-CAL 140 nm પ્રોબ સાથે.
એવું નોંધાયું છે કે નેનોઇન્ડેન્ટેશન દરમિયાન પ્રવાહી AFM પ્રોબ અને પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચર વચ્ચે ફસાઈ શકે છે, જે AFM પ્રોબ પર સપાટીને સ્પર્શે તે પહેલાં ઉપર તરફ બળ લગાવશે69. પ્રવાહી રીટેન્શનને કારણે આ ચીકણું એક્સટ્રુઝન અસર સંપર્કના સ્પષ્ટ બિંદુને બદલી શકે છે, જેના કારણે સપાટીના મોડ્યુલસ માપન પર અસર થાય છે. પ્રવાહી રીટેન્શન પર પ્રોબ ભૂમિતિ અને ઇન્ડેન્ટેશન ગતિની અસરનો અભ્યાસ કરવા માટે, લેહફિલ્કોન A CL નમૂનાઓ માટે 1 µm/s અને 2 µm/s ના સતત વિસ્થાપન દરે 140 nm વ્યાસ પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને ઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ કર્વ્સ બનાવવામાં આવ્યા હતા. પ્રોબ વ્યાસ 45 µm, 1 µm/s પર નિશ્ચિત ફોર્સ સેટિંગ 6 nN પ્રાપ્ત થયું. 140 nm વ્યાસવાળા પ્રોબ સાથેના પ્રયોગો 1 µm/s ની ઇન્ડેન્ટેશન ગતિ અને 300 pN ના સેટ ફોર્સ પર હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા, જે ઉપલા પોપચાની શારીરિક શ્રેણી (1–8 kPa) ની અંદર સંપર્ક દબાણ બનાવવા માટે પસંદ કરવામાં આવ્યા હતા. દબાણ 72. 1 kPa ના દબાણવાળા PAA હાઇડ્રોજેલના નરમ તૈયાર નમૂનાઓનું પરીક્ષણ 140 nm વ્યાસવાળા પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને 1 μm/s ની ઝડપે 50 pN ના ઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ માટે કરવામાં આવ્યું હતું.
PFQNM-LC-A-CAL પ્રોબના ટીપના શંકુ આકારના ભાગની લંબાઈ આશરે 500 nm હોવાથી, 500 nm કરતાં ઓછી ઊંડાઈ માટે, સુરક્ષિત રીતે માની શકાય છે કે ઇન્ડેન્ટેશન દરમિયાન પ્રોબની ભૂમિતિ તેના શંકુ આકારને અનુરૂપ રહેશે. વધુમાં, એવું માનવામાં આવે છે કે પરીક્ષણ હેઠળની સામગ્રીની સપાટી ઉલટાવી શકાય તેવી સ્થિતિસ્થાપક પ્રતિભાવ પ્રદર્શિત કરશે, જે નીચેના વિભાગોમાં પણ પુષ્ટિ કરવામાં આવશે. તેથી, ટીપના આકાર અને કદના આધારે, અમે અમારા AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પ્રયોગો (નેનોસ્કોપ) પર પ્રક્રિયા કરવા માટે બ્રિસ્કો, સેબેસ્ટિયન અને એડમ્સ દ્વારા વિકસિત શંકુ-ગોળાકાર ફિટિંગ મોડેલ પસંદ કર્યું. વિભાજન ડેટા વિશ્લેષણ સોફ્ટવેર, બ્રુકર) 73. આ મોડેલ ગોળાકાર શિખર ખામીવાળા શંકુ માટે બળ-વિસ્થાપન સંબંધ F(δ) નું વર્ણન કરે છે. ફિગ પર. આકૃતિ 2 ગોળાકાર ટોચ સાથે કઠોર શંકુની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દરમિયાન સંપર્ક ભૂમિતિ દર્શાવે છે, જ્યાં R એ ગોળાકાર ટોચની ત્રિજ્યા છે, a એ સંપર્ક ત્રિજ્યા છે, b એ ગોળાકાર ટોચના અંતે સંપર્ક ત્રિજ્યા છે, δ એ સંપર્ક ત્રિજ્યા છે. ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ, θ એ શંકુનો અર્ધ-કોણ છે. આ ચકાસણીની SEM છબી સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે કે 140 nm વ્યાસનો ગોળાકાર ટોચ શંકુમાં સ્પર્શક રીતે ભળી જાય છે, તેથી અહીં b ફક્ત R દ્વારા વ્યાખ્યાયિત થયેલ છે, એટલે કે b = R cos θ. વિક્રેતા દ્વારા પૂરા પાડવામાં આવેલ સોફ્ટવેર a > b ધારીને બળ વિભાજન ડેટામાંથી યંગના મોડ્યુલસ (E) મૂલ્યોની ગણતરી કરવા માટે શંકુ-ગોળા સંબંધ પૂરો પાડે છે. સંબંધ:
જ્યાં F એ ઇન્ડેન્ટેશન બળ છે, E એ યંગનું મોડ્યુલસ છે, ν એ પોઈસનનો ગુણોત્તર છે. સંપર્ક ત્રિજ્યા a નો અંદાજ આનો ઉપયોગ કરીને લગાવી શકાય છે:
લેફિલ્કોન કોન્ટેક્ટ લેન્સની સામગ્રીમાં દબાવવામાં આવેલા ગોળાકાર ટીપવાળા કઠોર શંકુની સંપર્ક ભૂમિતિની યોજના, જેમાં શાખાવાળા પોલિમર બ્રશના સપાટી સ્તરનો ઉપયોગ થાય છે.
જો a ≤ b હોય, તો સંબંધ પરંપરાગત ગોળાકાર ઇન્ડેન્ટર માટેના સમીકરણ જેટલો ઘટે છે;
અમારું માનવું છે કે PMPC પોલિમર બ્રશની શાખાવાળી રચના સાથે ઇન્ડેન્ટિંગ પ્રોબની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે સંપર્ક ત્રિજ્યા a ગોળાકાર સંપર્ક ત્રિજ્યા b કરતા વધારે થશે. તેથી, આ અભ્યાસમાં કરવામાં આવેલા સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસના તમામ જથ્થાત્મક માપન માટે, અમે કેસ a > b માટે મેળવેલ અવલંબનનો ઉપયોગ કર્યો.
આ અભ્યાસમાં અભ્યાસ કરાયેલ અલ્ટ્રાસોફ્ટ બાયોમિમેટિક સામગ્રીનું નમૂના ક્રોસ સેક્શન અને સપાટીના એટોમિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી (AFM) ના સ્કેનિંગ ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (STEM) નો ઉપયોગ કરીને વ્યાપક રીતે છબી બનાવવામાં આવી હતી. આ વિગતવાર સપાટી લાક્ષણિકતા અમારા અગાઉ પ્રકાશિત કાર્યના વિસ્તરણ તરીકે કરવામાં આવી હતી, જેમાં અમે નક્કી કર્યું હતું કે PMPC-સંશોધિત લેહફિલ્કોન A CL સપાટીની ગતિશીલ રીતે શાખાવાળી પોલિમરિક બ્રશ રચના મૂળ કોર્નિયલ પેશીઓ 14 જેવી જ યાંત્રિક ગુણધર્મો દર્શાવે છે. આ કારણોસર, અમે કોન્ટેક્ટ લેન્સ સપાટીઓને બાયોમિમેટિક સામગ્રી 14 તરીકે ઓળખીએ છીએ. આકૃતિ 3a,b માં અનુક્રમે લેહફિલ્કોન A CL સબસ્ટ્રેટ અને સારવાર ન કરાયેલ SiHy સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર શાખાવાળી PMPC પોલિમર બ્રશ રચનાઓના ક્રોસ સેક્શન બતાવવામાં આવ્યા છે. બંને નમૂનાઓની સપાટીઓનું ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન AFM છબીઓનો ઉપયોગ કરીને વધુ વિશ્લેષણ કરવામાં આવ્યું હતું, જેણે STEM વિશ્લેષણના પરિણામોની વધુ પુષ્ટિ કરી હતી (આકૃતિ 3c, d). એકસાથે લેવામાં આવે તો, આ છબીઓ 300-400 nm પર PMPC શાખાવાળી પોલિમર બ્રશ રચનાની અંદાજિત લંબાઈ આપે છે, જે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન માપનનું અર્થઘટન કરવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે. છબીઓમાંથી મેળવેલ બીજું મુખ્ય અવલોકન એ છે કે CL બાયોમિમેટિક સામગ્રીની એકંદર સપાટીની રચના SiHy સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી કરતા મોર્ફોલોજિકલ રીતે અલગ છે. તેમની સપાટીના મોર્ફોલોજીમાં આ તફાવત ઇન્ડેન્ટિંગ AFM પ્રોબ સાથેની તેમની યાંત્રિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દરમિયાન અને ત્યારબાદ માપેલા મોડ્યુલસ મૂલ્યોમાં સ્પષ્ટ થઈ શકે છે.
(a) લેહફિલ્કોન A CL અને (b) SiHy સબસ્ટ્રેટની ક્રોસ-સેક્શનલ STEM છબીઓ. સ્કેલ બાર, 500 nm. લેહફિલ્કોન A CL સબસ્ટ્રેટ (c) અને બેઝ SiHy સબસ્ટ્રેટ (d) (3 µm × 3 µm) ની સપાટીની AFM છબીઓ.
બાયોઇન્સ્પાયર્ડ પોલિમર અને પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચર્સ સ્વાભાવિક રીતે નરમ હોય છે અને વિવિધ બાયોમેડિકલ એપ્લિકેશન્સમાં વ્યાપકપણે અભ્યાસ અને ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે74,75,76,77. તેથી, AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવો મહત્વપૂર્ણ છે, જે તેમના યાંત્રિક ગુણધર્મોને સચોટ અને વિશ્વસનીય રીતે માપી શકે છે. પરંતુ તે જ સમયે, આ અતિ-સોફ્ટ સામગ્રીના અનન્ય ગુણધર્મો, જેમ કે અત્યંત ઓછી સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ, ઉચ્ચ પ્રવાહી સામગ્રી અને ઉચ્ચ સ્થિતિસ્થાપકતા, ઘણીવાર યોગ્ય સામગ્રી, આકાર અને ઇન્ડેન્ટિંગ પ્રોબનું કદ પસંદ કરવાનું મુશ્કેલ બનાવે છે. આ મહત્વપૂર્ણ છે જેથી ઇન્ડેન્ટર નમૂનાની નરમ સપાટીને વીંધે નહીં, જે સપાટી સાથે સંપર્ક બિંદુ અને સંપર્કના ક્ષેત્રને નક્કી કરવામાં ભૂલો તરફ દોરી જશે.
આ માટે, અલ્ટ્રા-સોફ્ટ બાયોમિમેટિક મટિરિયલ્સ (લેહફિલ્કોન એ સીએલ) ના મોર્ફોલોજીની વ્યાપક સમજ જરૂરી છે. ઇમેજિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને મેળવેલા બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશના કદ અને બંધારણ વિશેની માહિતી AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને સપાટીના યાંત્રિક લાક્ષણિકતા માટે આધાર પૂરો પાડે છે. માઇક્રોન-કદના ગોળાકાર કોલોઇડલ પ્રોબ્સને બદલે, અમે 140 nm ના ટિપ વ્યાસ સાથે PFQNM-LC-A-CAL સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ પ્રોબ (બ્રુકર) પસંદ કર્યું, જે ખાસ કરીને જૈવિક નમૂનાઓના યાંત્રિક ગુણધર્મોના જથ્થાત્મક મેપિંગ માટે રચાયેલ છે. 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 પરંપરાગત કોલોઇડલ પ્રોબ્સની તુલનામાં પ્રમાણમાં તીક્ષ્ણ પ્રોબ્સનો ઉપયોગ કરવાનો તર્ક સામગ્રીની માળખાકીય સુવિધાઓ દ્વારા સમજાવી શકાય છે. આકૃતિ 3a માં બતાવેલ CL લેહફિલ્કોન A ની સપાટી પરના બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશ સાથે પ્રોબ ટીપ કદ (~140 nm) ની સરખામણી કરતા, એવું તારણ કાઢી શકાય છે કે ટીપ આ બ્રશ સ્ટ્રક્ચર્સ સાથે સીધા સંપર્કમાં આવવા માટે પૂરતી મોટી છે, જે તેમના દ્વારા ટીપ વીંધવાની શક્યતા ઘટાડે છે. આ મુદ્દાને સમજાવવા માટે, આકૃતિ 4 માં લેહફિલ્કોન A CL અને AFM પ્રોબની ઇન્ડેન્ટિંગ ટીપ (સ્કેલ પર દોરેલી) ની STEM છબી છે.
લેહફિલ્કોન A CL અને ACM ઇન્ડેન્ટેશન પ્રોબ (સ્કેલ પર દોરેલા) ની STEM છબી દર્શાવતી યોજનાકીય.
વધુમાં, 140 nm ની ટીપનું કદ એટલું નાનું છે કે CP-AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત પોલિમર બ્રશ માટે અગાઉ નોંધાયેલા કોઈપણ સ્ટીકી એક્સટ્રુઝન અસરોના જોખમને ટાળી શકાય છે69,71. અમે ધારીએ છીએ કે આ AFM ટીપ (આકૃતિ 1) ના ખાસ શંકુ-ગોળાકાર આકાર અને પ્રમાણમાં નાના કદને કારણે, લેહફિલ્કોન A CL નેનોઇન્ડેન્ટેશન દ્વારા ઉત્પન્ન થતા બળ વળાંકની પ્રકૃતિ ઇન્ડેન્ટેશન ગતિ અથવા લોડિંગ/અનલોડિંગ ગતિ પર આધારિત રહેશે નહીં. તેથી, તે પોરોઇલાસ્ટિક અસરોથી પ્રભાવિત નથી. આ પૂર્વધારણાને ચકાસવા માટે, લેહફિલ્કોન A CL નમૂનાઓને PFQNM-LC-A-CAL પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને નિશ્ચિત મહત્તમ બળ પર ઇન્ડેન્ટ કરવામાં આવ્યા હતા, પરંતુ બે અલગ અલગ વેગ પર, અને પરિણામી ટેન્સાઇલ અને રીટ્રેક્ટ ફોર્સ કર્વનો ઉપયોગ ફોર્સ (nN) ને અલગ કરવા (µm) પ્લોટ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો જે આકૃતિ 5a માં બતાવવામાં આવ્યું છે. તે સ્પષ્ટ છે કે લોડિંગ અને અનલોડિંગ દરમિયાન બળ વળાંકો સંપૂર્ણપણે ઓવરલેપ થાય છે, અને કોઈ સ્પષ્ટ પુરાવા નથી કે શૂન્ય ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ પર બળ શીયર આકૃતિમાં ઇન્ડેન્ટેશન ગતિ સાથે વધે છે, જે સૂચવે છે કે વ્યક્તિગત બ્રશ તત્વો પોરોઇલાસ્ટિક અસર વિના લાક્ષણિકતા ધરાવતા હતા. તેનાથી વિપરીત, પ્રવાહી રીટેન્શન અસરો (સ્નિગ્ધ એક્સટ્રુઝન અને પોરોઇલાસ્ટિકિટી અસરો) સમાન ઇન્ડેન્ટેશન ગતિ પર 45 µm વ્યાસ AFM પ્રોબ માટે સ્પષ્ટ છે અને આકૃતિ 5b માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્ટ્રેચ અને રીટ્રેક્ટ વણાંકો વચ્ચેના હિસ્ટેરેસિસ દ્વારા પ્રકાશિત થાય છે. આ પરિણામો પૂર્વધારણાને સમર્થન આપે છે અને સૂચવે છે કે 140 nm વ્યાસ પ્રોબ્સ આવી નરમ સપાટીઓને લાક્ષણિકતા આપવા માટે સારી પસંદગી છે.
lehfilcon A CL ઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ ACM નો ઉપયોગ કરીને વક્ર કરે છે; (a) બે લોડિંગ દરે 140 nm વ્યાસવાળા પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને, સપાટીના ઇન્ડેન્ટેશન દરમિયાન પોરોઇલાસ્ટિક અસરની ગેરહાજરી દર્શાવે છે; (b) 45 µm અને 140 nm વ્યાસવાળા પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને નાના પ્રોબ્સની તુલનામાં મોટા પ્રોબ્સ માટે ચીકણું એક્સટ્રુઝન અને પોરોઇલાસ્ટિકિટીની અસરો દર્શાવે છે.
અલ્ટ્રાસોફ્ટ સપાટીઓનું લક્ષણ દર્શાવવા માટે, AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિઓમાં અભ્યાસ હેઠળની સામગ્રીના ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કરવા માટે શ્રેષ્ઠ પ્રોબ હોવો આવશ્યક છે. ટીપ આકાર અને કદ ઉપરાંત, AFM ડિટેક્ટર સિસ્ટમની સંવેદનશીલતા, પરીક્ષણ વાતાવરણમાં ટીપ ડિફ્લેક્શન પ્રત્યે સંવેદનશીલતા અને કેન્ટીલીવર જડતા નેનોઇન્ડેન્ટેશનની ચોકસાઈ અને વિશ્વસનીયતા નક્કી કરવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. માપન. અમારી AFM સિસ્ટમ માટે, પોઝિશન સેન્સિટિવ ડિટેક્ટર (PSD) શોધ મર્યાદા આશરે 0.5 mV છે અને તે પૂર્વ-કેલિબ્રેટેડ સ્પ્રિંગ રેટ અને PFQNM-LC-A-CAL પ્રોબની ગણતરી કરેલ પ્રવાહી ડિફ્લેક્શન સંવેદનશીલતા પર આધારિત છે, જે સૈદ્ધાંતિક લોડ સંવેદનશીલતાને અનુરૂપ છે. 0.1 pN કરતા ઓછી છે. તેથી, આ પદ્ધતિ કોઈપણ પેરિફેરલ અવાજ ઘટક વિના ન્યૂનતમ ઇન્ડેન્ટેશન બળ ≤ 0.1 pN માપવાની મંજૂરી આપે છે. જો કે, યાંત્રિક કંપન અને પ્રવાહી ગતિશીલતા જેવા પરિબળોને કારણે AFM સિસ્ટમ માટે પેરિફેરલ અવાજને આ સ્તર સુધી ઘટાડવો લગભગ અશક્ય છે. આ પરિબળો AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિની એકંદર સંવેદનશીલતાને મર્યાદિત કરે છે અને લગભગ ≤ 10 pN ના પૃષ્ઠભૂમિ અવાજ સંકેતમાં પરિણમે છે. સપાટી લાક્ષણિકતા માટે, SEM લાક્ષણિકતા માટે 140 nm પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને સંપૂર્ણપણે હાઇડ્રેટેડ પરિસ્થિતિઓમાં lehfilcon A CL અને SiHy સબસ્ટ્રેટ નમૂનાઓને ઇન્ડેન્ટ કરવામાં આવ્યા હતા, અને પરિણામી બળ વળાંકોને બળ (pN) અને દબાણ વચ્ચે સુપરઇમ્પોઝ કરવામાં આવ્યા હતા. વિભાજન પ્લોટ (µm) આકૃતિ 6a માં બતાવવામાં આવ્યો છે. SiHy બેઝ સબસ્ટ્રેટની તુલનામાં, lehfilcon A CL બળ વળાંક સ્પષ્ટપણે ફોર્ક્ડ પોલિમર બ્રશ સાથે સંપર્કના બિંદુથી શરૂ થતો અને અંતર્ગત સામગ્રી સાથે ટોચના ઢાળ ચિહ્નિત સંપર્કમાં તીવ્ર ફેરફાર સાથે સમાપ્ત થતો સંક્રમણ તબક્કો દર્શાવે છે. બળ વળાંકનો આ સંક્રમણ ભાગ સપાટી પર શાખાવાળા પોલિમર બ્રશના ખરેખર સ્થિતિસ્થાપક વર્તનને પ્રકાશિત કરે છે, જેમ કે તાણ વળાંકને નજીકથી અનુસરતા કમ્પ્રેશન વળાંક અને બ્રશ સ્ટ્રક્ચર અને વિશાળ SiHy સામગ્રી વચ્ચેના યાંત્રિક ગુણધર્મોમાં વિરોધાભાસ દ્વારા પુરાવા મળે છે. લેફિલ્કોનની સરખામણી કરતી વખતે. PCS (આકૃતિ 3a) ની STEM છબીમાં બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશની સરેરાશ લંબાઈ અને આકૃતિ 3a. 6a માં એબ્સિસા સાથે તેના બળ વળાંકનું વિભાજન દર્શાવે છે કે પદ્ધતિ સપાટીની ટોચ પર પહોંચતા ટોચ અને બ્રાન્ચ્ડ પોલિમરને શોધવામાં સક્ષમ છે. બ્રશ સ્ટ્રક્ચર્સ વચ્ચે સંપર્ક. વધુમાં, બળ વળાંકોનો નજીકનો ઓવરલેપ કોઈ પ્રવાહી રીટેન્શન અસર સૂચવે છે. આ કિસ્સામાં, સોય અને નમૂનાની સપાટી વચ્ચે બિલકુલ કોઈ સંલગ્નતા નથી. બે નમૂનાઓ માટે બળ વળાંકોના સૌથી ઉપરના ભાગો ઓવરલેપ થાય છે, જે સબસ્ટ્રેટ સામગ્રીના યાંત્રિક ગુણધર્મોની સમાનતાને પ્રતિબિંબિત કરે છે.
(a) લેહફિલ્કોન A CL સબસ્ટ્રેટ્સ અને SiHy સબસ્ટ્રેટ્સ માટે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ કર્વ્સ, (b) બેકગ્રાઉન્ડ નોઇઝ થ્રેશોલ્ડ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને સંપર્ક બિંદુ અંદાજ દર્શાવતા ફોર્સ કર્વ્સ.
બળ વળાંકની બારીક વિગતોનો અભ્યાસ કરવા માટે, લેહફિલ્કોન A CL નમૂનાના તાણ વળાંકને આકૃતિ 6b માં y-અક્ષ સાથે 50 pN ના મહત્તમ બળ સાથે ફરીથી પ્લોટ કરવામાં આવ્યો છે. આ ગ્રાફ મૂળ પૃષ્ઠભૂમિ અવાજ વિશે મહત્વપૂર્ણ માહિતી પ્રદાન કરે છે. અવાજ ±10 pN ની રેન્જમાં છે, જેનો ઉપયોગ સંપર્ક બિંદુને સચોટ રીતે નક્કી કરવા અને ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈની ગણતરી કરવા માટે થાય છે. સાહિત્યમાં અહેવાલ મુજબ, મોડ્યુલસ85 જેવા સામગ્રી ગુણધર્મોનું સચોટ મૂલ્યાંકન કરવા માટે સંપર્ક બિંદુઓની ઓળખ મહત્વપૂર્ણ છે. ફોર્સ કર્વ ડેટાની સ્વચાલિત પ્રક્રિયાને સંડોવતા અભિગમે ડેટા ફિટિંગ અને નરમ સામગ્રી86 માટે જથ્થાત્મક માપન વચ્ચે સુધારેલ ફિટ દર્શાવ્યું છે. આ કાર્યમાં, સંપર્ક બિંદુઓની અમારી પસંદગી પ્રમાણમાં સરળ અને ઉદ્દેશ્ય છે, પરંતુ તેની મર્યાદાઓ છે. સંપર્ક બિંદુ નક્કી કરવા માટેનો અમારો રૂઢિચુસ્ત અભિગમ નાના ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ (< 100 nm) માટે સહેજ વધુ પડતા અંદાજિત મોડ્યુલસ મૂલ્યોમાં પરિણમી શકે છે. અલ્ગોરિધમ-આધારિત ટચપોઇન્ટ શોધ અને સ્વચાલિત ડેટા પ્રોસેસિંગનો ઉપયોગ ભવિષ્યમાં અમારી પદ્ધતિને વધુ સુધારવા માટે આ કાર્યનું ચાલુ રાખી શકે છે. આમ, ±10 pN ના ક્રમમાં આંતરિક પૃષ્ઠભૂમિ અવાજ માટે, અમે આકૃતિ 6b માં ≥10 pN ના મૂલ્ય સાથે x-અક્ષ પર પ્રથમ ડેટા બિંદુ તરીકે સંપર્ક બિંદુને વ્યાખ્યાયિત કરીએ છીએ. પછી, 10 pN ના અવાજ થ્રેશોલ્ડ અનુસાર, ~0.27 µm ના સ્તરે એક ઊભી રેખા સપાટી સાથેના સંપર્ક બિંદુને ચિહ્નિત કરે છે, ત્યારબાદ સ્ટ્રેચિંગ વળાંક ચાલુ રહે છે જ્યાં સુધી સબસ્ટ્રેટ ~270 nm ની ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈને પૂર્ણ ન કરે. રસપ્રદ વાત એ છે કે, ઇમેજિંગ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને માપવામાં આવેલા બ્રાન્ચેડ પોલિમર બ્રશ સુવિધાઓ (300–400 nm) ના કદના આધારે, CL લેહફિલ્કોનની ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ પૃષ્ઠભૂમિ અવાજ થ્રેશોલ્ડ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને અવલોકન કરાયેલ નમૂના લગભગ 270 nm છે, જે STEM સાથે માપન કદની ખૂબ નજીક છે. આ પરિણામો આ ખૂબ જ નરમ અને અત્યંત સ્થિતિસ્થાપક બ્રાન્ચેડ પોલિમર બ્રશ માળખાના ઇન્ડેન્ટેશન માટે AFM પ્રોબ ટીપના આકાર અને કદની સુસંગતતા અને લાગુ પડવાની પુષ્ટિ કરે છે. આ ડેટા સંપર્ક બિંદુઓને નિર્ધારિત કરવા માટે થ્રેશોલ્ડ તરીકે પૃષ્ઠભૂમિ અવાજનો ઉપયોગ કરવાની અમારી પદ્ધતિને સમર્થન આપવા માટે મજબૂત પુરાવા પણ પૂરા પાડે છે. આમ, ગાણિતિક મોડેલિંગ અને ફોર્સ કર્વ ફિટિંગમાંથી મેળવેલા કોઈપણ જથ્થાત્મક પરિણામો પ્રમાણમાં સચોટ હોવા જોઈએ.
AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિઓ દ્વારા માત્રાત્મક માપન ડેટા પસંદગી અને અનુગામી વિશ્લેષણ માટે ઉપયોગમાં લેવાતા ગાણિતિક મોડેલો પર સંપૂર્ણપણે આધારિત છે. તેથી, ચોક્કસ મોડેલ પસંદ કરતા પહેલા ઇન્ડેન્ટરની પસંદગી, સામગ્રી ગુણધર્મો અને તેમની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાના મિકેનિક્સ સાથે સંબંધિત તમામ પરિબળોને ધ્યાનમાં લેવું મહત્વપૂર્ણ છે. આ કિસ્સામાં, SEM માઇક્રોગ્રાફ્સ (આકૃતિ 1) નો ઉપયોગ કરીને ટીપ ભૂમિતિને કાળજીપૂર્વક દર્શાવવામાં આવી હતી, અને પરિણામોના આધારે, સખત શંકુ અને ગોળાકાર ટીપ ભૂમિતિ સાથે 140 nm વ્યાસ AFM નેનોઇન્ડેન્ટિંગ પ્રોબ લેહફિલ્કોન A CL79 નમૂનાઓને દર્શાવવા માટે એક સારી પસંદગી છે. બીજું એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ જેનું કાળજીપૂર્વક મૂલ્યાંકન કરવાની જરૂર છે તે છે પરીક્ષણ કરવામાં આવતી પોલિમર સામગ્રીની સ્થિતિસ્થાપકતા. જોકે નેનોઇન્ડેન્ટેશનનો પ્રારંભિક ડેટા (આકૃતિ 5a અને 6a) તણાવ અને સંકોચન વળાંકોના ઓવરલેપિંગની સુવિધાઓ, એટલે કે, સામગ્રીની સંપૂર્ણ સ્થિતિસ્થાપક પુનઃપ્રાપ્તિની સ્પષ્ટ રૂપરેખા આપે છે, સંપર્કોની શુદ્ધ સ્થિતિસ્થાપક પ્રકૃતિની પુષ્ટિ કરવી અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે. આ હેતુ માટે, લેહફિલ્કોન A CL નમૂનાની સપાટી પર એક જ સ્થાન પર સંપૂર્ણ હાઇડ્રેશન સ્થિતિમાં 1 µm/s ના ઇન્ડેન્ટેશન દરે બે ક્રમિક ઇન્ડેન્ટેશન કરવામાં આવ્યા હતા. પરિણામી બળ વળાંક ડેટા આકૃતિ 7 માં બતાવવામાં આવ્યો છે અને, અપેક્ષા મુજબ, બે પ્રિન્ટના વિસ્તરણ અને સંકોચન વળાંક લગભગ સમાન છે, જે બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચરની ઉચ્ચ સ્થિતિસ્થાપકતા દર્શાવે છે.
લેહફિલ્કોન A CL ની સપાટી પર એક જ સ્થાન પર બે ઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ વક્ર લેન્સ સપાટીની આદર્શ સ્થિતિસ્થાપકતા દર્શાવે છે.
પ્રોબ ટીપ અને લેહફિલ્કોન A CL સપાટીની SEM અને STEM છબીઓમાંથી મેળવેલી માહિતીના આધારે, શંકુ-ગોળા મોડેલ એ AFM પ્રોબ ટીપ અને પરીક્ષણ કરવામાં આવી રહેલા સોફ્ટ પોલિમર સામગ્રી વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાનું વાજબી ગાણિતિક પ્રતિનિધિત્વ છે. વધુમાં, આ શંકુ-ગોળા મોડેલ માટે, છાપેલા સામગ્રીના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મો વિશેની મૂળભૂત ધારણાઓ આ નવા બાયોમિમેટિક સામગ્રી માટે સાચી રહે છે અને તેનો ઉપયોગ સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસનું પ્રમાણ નક્કી કરવા માટે થાય છે.
AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિ અને તેના ઘટકોના વ્યાપક મૂલ્યાંકન પછી, જેમાં ઇન્ડેન્ટેશન પ્રોબ ગુણધર્મો (આકાર, કદ અને સ્પ્રિંગ જડતા), સંવેદનશીલતા (પૃષ્ઠભૂમિ અવાજ અને સંપર્ક બિંદુ અંદાજ), અને ડેટા ફિટિંગ મોડેલ્સ (જથ્થાત્મક મોડ્યુલસ માપન)નો સમાવેશ થાય છે, પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. માત્રાત્મક પરિણામો ચકાસવા માટે વ્યાપારી રીતે ઉપલબ્ધ અલ્ટ્રા-સોફ્ટ નમૂનાઓનું લક્ષણ બનાવો. 140 nm પ્રોબનો ઉપયોગ કરીને હાઇડ્રેટેડ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ 1 kPa ના સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ સાથે વાણિજ્યિક પોલિએક્રીલામાઇડ (PAAM) હાઇડ્રોજેલનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. મોડ્યુલ પરીક્ષણ અને ગણતરીઓની વિગતો પૂરક માહિતીમાં આપવામાં આવી છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે માપવામાં આવેલ સરેરાશ મોડ્યુલસ 0.92 kPa હતું, અને જાણીતા મોડ્યુલસમાંથી %RSD અને ટકાવારી (%) વિચલન 10% કરતા ઓછા હતા. આ પરિણામો અલ્ટ્રાસોફ્ટ સામગ્રીના મોડ્યુલીને માપવા માટે આ કાર્યમાં ઉપયોગમાં લેવાતી AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિની ચોકસાઈ અને પ્રજનનક્ષમતાની પુષ્ટિ કરે છે. લેહફિલ્કોન A CL નમૂનાઓ અને SiHy બેઝ સબસ્ટ્રેટની સપાટીઓને ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈના કાર્ય તરીકે અલ્ટ્રાસોફ્ટ સપાટીના સ્પષ્ટ સંપર્ક મોડ્યુલસનો અભ્યાસ કરવા માટે સમાન AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને વધુ લાક્ષણિકતા આપવામાં આવી હતી. 300 pN ના બળ, 1 µm/s ની ગતિ અને સંપૂર્ણ હાઇડ્રેશન પર દરેક પ્રકારના ત્રણ નમૂનાઓ (n = 3; નમૂના દીઠ એક ઇન્ડેન્ટેશન) માટે ઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ સેપરેશન કર્વ્સ જનરેટ કરવામાં આવ્યા હતા. કોન-સ્ફિયર મોડેલનો ઉપયોગ કરીને ઇન્ડેન્ટેશન ફોર્સ શેરિંગ કર્વ અંદાજિત કરવામાં આવ્યો હતો. ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ પર આધારિત મોડ્યુલસ મેળવવા માટે, સંપર્ક બિંદુથી શરૂ થતા 20 nm ના દરેક વધારા પર ફોર્સ કર્વનો 40 nm પહોળો ભાગ સેટ કરવામાં આવ્યો હતો, અને ફોર્સ કર્વના દરેક પગલા પર મોડ્યુલસના મૂલ્યો માપવામાં આવ્યા હતા. સ્પિન સાય એટ અલ. કોલોઇડલ AFM પ્રોબ નેનોઇન્ડેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરીને પોલી(લૌરીલ મેથાક્રાયલેટ) (P12MA) પોલિમર બ્રશના મોડ્યુલસ ગ્રેડિયન્ટને લાક્ષણિકતા આપવા માટે સમાન અભિગમનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે, અને તે હર્ટ્ઝ સંપર્ક મોડેલનો ઉપયોગ કરીને ડેટા સાથે સુસંગત છે. આ અભિગમ આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, દેખીતા સંપર્ક મોડ્યુલસ (kPa) વિરુદ્ધ ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ (nm) નો પ્લોટ પૂરો પાડે છે, જે દેખીતા સંપર્ક મોડ્યુલસ/ઊંડાઈ ઢાળ દર્શાવે છે. CL લેહફિલ્કોન A નમૂનાનું ગણતરી કરેલ સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ નમૂનાના ઉપલા 100 nm ની અંદર 2-3 kPa ની રેન્જમાં છે, જેનાથી આગળ તે ઊંડાઈ સાથે વધવાનું શરૂ કરે છે. બીજી બાજુ, સપાટી પર બ્રશ જેવી ફિલ્મ વિના SiHy બેઝ સબસ્ટ્રેટનું પરીક્ષણ કરતી વખતે, 300 pN ના બળ પર પ્રાપ્ત મહત્તમ ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ 50 nm કરતા ઓછી હોય છે, અને ડેટામાંથી મેળવેલ મોડ્યુલસ મૂલ્ય લગભગ 400 kPa છે, જે બલ્ક સામગ્રી માટે યંગના મોડ્યુલસના મૂલ્યો સાથે તુલનાત્મક છે.
મોડ્યુલસ માપવા માટે શંકુ-ગોળા ભૂમિતિ સાથે AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને લેહફિલ્કોન A CL અને SiHy સબસ્ટ્રેટ્સ માટે સ્પષ્ટ સંપર્ક મોડ્યુલસ (kPa) વિરુદ્ધ ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ (nm).
નવલકથા બાયોમિમેટિક બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચરની સૌથી ઉપરની સપાટી અત્યંત ઓછી સ્થિતિસ્થાપકતા મોડ્યુલસ (2–3 kPa) દર્શાવે છે. આ STEM છબીમાં બતાવ્યા પ્રમાણે ફોર્ક્ડ પોલિમર બ્રશના મુક્ત લટકતા છેડા સાથે મેળ ખાશે. જ્યારે CL ની બાહ્ય ધાર પર મોડ્યુલસ ગ્રેડિયન્ટના કેટલાક પુરાવા છે, ત્યારે મુખ્ય ઉચ્ચ મોડ્યુલસ સબસ્ટ્રેટ વધુ પ્રભાવશાળી છે. જો કે, સપાટીનો ટોચનો 100 nm બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશની કુલ લંબાઈના 20% ની અંદર છે, તેથી એવું માનવું વાજબી છે કે આ ઇન્ડેન્ટેશન ઊંડાઈ શ્રેણીમાં મોડ્યુલસના માપેલા મૂલ્યો પ્રમાણમાં સચોટ છે અને તળિયેના પદાર્થની અસર પર ભારપૂર્વક આધાર રાખતા નથી.
લેહફિલ્કોન A કોન્ટેક્ટ લેન્સની અનન્ય બાયોમિમેટિક ડિઝાઇનને કારણે, જેમાં SiHy સબસ્ટ્રેટ્સની સપાટી પર કલમી કરાયેલા શાખાવાળા PMPC પોલિમર બ્રશ સ્ટ્રક્ચર્સનો સમાવેશ થાય છે, પરંપરાગત માપન પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને તેમની સપાટીની રચનાઓના યાંત્રિક ગુણધર્મોને વિશ્વસનીય રીતે દર્શાવવું ખૂબ જ મુશ્કેલ છે. અહીં અમે ઉચ્ચ પાણીની સામગ્રી અને અત્યંત ઉચ્ચ સ્થિતિસ્થાપકતા સાથે લેફિલ્કોન A જેવા અલ્ટ્રા-સોફ્ટ સામગ્રીને સચોટ રીતે દર્શાવવા માટે એક અદ્યતન AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિ રજૂ કરીએ છીએ. આ પદ્ધતિ AFM પ્રોબના ઉપયોગ પર આધારિત છે જેની ટોચનું કદ અને ભૂમિતિ કાળજીપૂર્વક પસંદ કરવામાં આવે છે જેથી છાપવામાં આવનાર અલ્ટ્રા-સોફ્ટ સપાટી સુવિધાઓના માળખાકીય પરિમાણો સાથે મેળ ખાય. પ્રોબ અને સ્ટ્રક્ચર વચ્ચેના પરિમાણોનું આ સંયોજન વધેલી સંવેદનશીલતા પ્રદાન કરે છે, જે અમને પોરોઇલાસ્ટિક અસરોને ધ્યાનમાં લીધા વિના, શાખાવાળા પોલિમર બ્રશ તત્વોના નીચા મોડ્યુલસ અને અંતર્ગત સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મોને માપવાની મંજૂરી આપે છે. પરિણામો દર્શાવે છે કે લેન્સ સપાટીની લાક્ષણિકતા ધરાવતા અનન્ય શાખાવાળા PMPC પોલિમર બ્રશમાં જલીય વાતાવરણમાં પરીક્ષણ કરવામાં આવે ત્યારે અત્યંત નીચું સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ (2 kPa સુધી) અને ખૂબ જ ઊંચી સ્થિતિસ્થાપકતા (લગભગ 100%) હતી. AFM નેનોઇન્ડેન્ટેશનના પરિણામોએ અમને બાયોમિમેટિક લેન્સ સપાટીના સ્પષ્ટ સંપર્ક મોડ્યુલસ/ડેપ્થ ગ્રેડિયન્ટ (30 kPa/200 nm) ને લાક્ષણિકતા આપવાની પણ મંજૂરી આપી. આ ગ્રેડિયન્ટ બ્રાન્ચ્ડ પોલિમર બ્રશ અને SiHy સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેના મોડ્યુલસ તફાવત, અથવા પોલિમર બ્રશની બ્રાન્ચ્ડ સ્ટ્રક્ચર/ડેન્સિટી, અથવા તેના સંયોજનને કારણે હોઈ શકે છે. જો કે, માળખું અને ગુણધર્મો વચ્ચેના સંબંધને સંપૂર્ણપણે સમજવા માટે વધુ ઊંડાણપૂર્વક અભ્યાસની જરૂર છે, ખાસ કરીને યાંત્રિક ગુણધર્મો પર બ્રશ બ્રાન્ચિંગની અસર. સમાન માપન અન્ય અલ્ટ્રા-સોફ્ટ સામગ્રી અને તબીબી ઉપકરણોની સપાટીના યાંત્રિક ગુણધર્મોને લાક્ષણિકતા આપવામાં મદદ કરી શકે છે.
વર્તમાન અભ્યાસ દરમિયાન જનરેટ અને/અથવા વિશ્લેષણ કરાયેલ ડેટાસેટ્સ વાજબી વિનંતી પર સંબંધિત લેખકો પાસેથી ઉપલબ્ધ છે.
રહમતી, એમ., સિલ્વા, ઈએ, રિસેલેન્ડ, જેઈ, હેવર્ડ, કે. અને હોજેન, એચજે બાયોમટીરિયલ્સની સપાટીઓના ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો પર જૈવિક પ્રતિક્રિયાઓ. કેમિકલ. સોસાયટી. એડ. 49, 5178–5224 (2020).
ચેન, એફએમ અને લિયુ, એક્સ. ટીશ્યુ એન્જિનિયરિંગ માટે માનવ-ઉત્પન્ન બાયોમટીરિયલ્સમાં સુધારો. પ્રોગ્રામિંગ. પોલિમર. વિજ્ઞાન. 53, 86 (2016).
સેડલર, કે. એટ અલ. પુનર્જીવિત દવામાં બાયોમટીરિયલ્સની ડિઝાઇન, ક્લિનિકલ અમલીકરણ અને રોગપ્રતિકારક પ્રતિભાવ. નેશનલ મેટ રેવ. 1, 16040 (2016).
ઓલિવર ડબલ્યુકે અને ફાર જીએમ. લોડ અને ડિસ્પ્લેસમેન્ટ માપન સાથે ઇન્ડેન્ટેશન પ્રયોગોનો ઉપયોગ કરીને કઠિનતા અને સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ નક્કી કરવા માટેની એક સુધારેલી પદ્ધતિ. જે. અલ્મા મેટર. સ્ટોરેજ ટાંકી. 7, 1564–1583 (2011).
વોલી, એસએમ. ઇન્ડેન્ટેશન કઠિનતા પરીક્ષણના ઐતિહાસિક મૂળ. અલ્મા મેટર. વિજ્ઞાન. ટેકનોલોજી. 28, 1028–1044 (2012).
બ્રોઇટમેન, ઇ. મેક્રો-, માઇક્રો- અને નેનોસ્કેલ પર ઇન્ડેન્ટેશન હાર્ડનેસ માપન: એક જટિલ સમીક્ષા. ટ્રાઇબ. રાઈટ. 65, 1–18 (2017).
કૌફમેન, જેડી અને ક્લેપેરિચ, એસએમ સપાટી શોધ ભૂલો નરમ પદાર્થોના નેનોઇન્ડેન્ટેશનમાં મોડ્યુલસ ઓવરએસ્ટીમેશન તરફ દોરી જાય છે. જે. મેચા. બિહેવિયર. બાયોમેડિકલ સાયન્સ. અલ્મા મેટર. 2, 312–317 (2009).
કરીમઝાદે એ., કોલૂર એસએસઆર, આયાતોલ્લાખી એમઆર, બુશરોઆ એઆર અને યાહ્યા એમ.યુ. પ્રાયોગિક અને ગણતરી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને વિજાતીય નેનોકોમ્પોઝિટની યાંત્રિક લાક્ષણિકતાઓ નક્કી કરવા માટે નેનોઇન્ડેન્ટેશન પદ્ધતિનું મૂલ્યાંકન. વિજ્ઞાન. ગૃહ 9, 15763 (2019).
લિયુ, કે., વેનલેન્ડહામ, એમઆર, અને ઓવાર્ટ, ટીએસ ઇન્ડેન્ટેશન અને ઑપ્ટિમાઇઝેશન-આધારિત વ્યસ્ત મર્યાદિત તત્વ વિશ્લેષણ દ્વારા સોફ્ટ વિસ્કોઇલાસ્ટિક જેલ્સનું યાંત્રિક લાક્ષણિકતા. જે. મેચા. વર્તણૂક. બાયોમેડિકલ સાયન્સ. અલ્મા મેટર. 2, 355–363 (2009).
એન્ડ્રુઝ જેડબ્લ્યુ, બોવેન જે અને ચેનલર ડી. સુસંગત માપન પ્રણાલીઓનો ઉપયોગ કરીને વિસ્કોઇલાસ્ટીસીટી નિર્ધારણનું ઑપ્ટિમાઇઝેશન. સોફ્ટ મેટર 9, 5581–5593 (2013).
બ્રિસ્કો, બીજે, ફિઓરી, એલ. અને પેલિલો, ઇ. પોલિમરીક સપાટીઓનું નેનોઇન્ડેન્ટેશન. જે. ફિઝિક્સ. ડી. ફિઝિક્સ માટે અરજી કરો. 31, 2395 (1998).
મિયાઇલોવિચ એએસ, સિન બી., ફોર્ચ્યુનાટો ડી. અને વાન વિલીટ કેજે શોક ઇન્ડેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરીને અત્યંત સ્થિતિસ્થાપક પોલિમર અને જૈવિક પેશીઓના વિસ્કોઇલાસ્ટિક યાંત્રિક ગુણધર્મોનું લાક્ષણિકતા. જર્નલ ઓફ બાયોમટીરિયલ્સ. 71, 388–397 (2018).
પેરેપેલ્કિન એનવી, કોવાલેવ એઈ, ગોર્બ એસએન, બોરોડિચ એફએમ વિસ્તૃત બોરોડિચ-ગાલાનોવ (બીજી) પદ્ધતિ અને ઊંડા ઇન્ડેન્ટેશનનો ઉપયોગ કરીને નરમ પદાર્થોના સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ અને સંલગ્નતા કાર્યનું મૂલ્યાંકન. ફર. અલ્મા મેટર. 129, 198–213 (2019).
શી, એક્સ. એટ અલ. સિલિકોન હાઇડ્રોજેલ કોન્ટેક્ટ લેન્સની બાયોમિમેટિક પોલિમરીક સપાટીઓના નેનોસ્કેલ મોર્ફોલોજી અને યાંત્રિક ગુણધર્મો. લેંગમુઇર 37, 13961–13967 (2021).