Nature.com पर आने के लिए धन्यवाद। आप सीमित CSS सपोर्ट वाले ब्राउज़र का उपयोग कर रहे हैं। बेहतर अनुभव के लिए, हम आपको अपडेटेड ब्राउज़र का उपयोग करने (या इंटरनेट एक्सप्लोरर में कंपैटिबिलिटी मोड को डिसेबल करने) की सलाह देते हैं। इसके अलावा, निरंतर सपोर्ट सुनिश्चित करने के लिए, हम साइट को बिना स्टाइल और जावास्क्रिप्ट के प्रदर्शित करते हैं।
यह एक साथ तीन स्लाइड का कैरोसेल प्रदर्शित करता है। तीन स्लाइड देखने के लिए पिछले और अगले बटन का उपयोग करें, या अंत में दिए गए स्लाइडर बटन का उपयोग करें।
चिकित्सा उपकरणों और जैवचिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए नई अति-नरम सामग्रियों के विकास के साथ, उनके भौतिक और यांत्रिक गुणों का व्यापक विश्लेषण महत्वपूर्ण और चुनौतीपूर्ण दोनों है। शाखित बहुलक ब्रश संरचनाओं की परत से लेपित नए लेहफिलकॉन ए बायोमिमेटिक सिलिकॉन हाइड्रोजेल कॉन्टैक्ट लेंस के अत्यंत निम्न सतह मापांक का विश्लेषण करने के लिए एक संशोधित परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) नैनोइंडेंटेशन तकनीक का प्रयोग किया गया। यह विधि शाखित बहुलकों के संपर्क में आने पर श्यानता के प्रभाव के बिना संपर्क बिंदुओं का सटीक निर्धारण करने की अनुमति देती है। इसके अतिरिक्त, यह छिद्रिक लोच के प्रभाव के बिना व्यक्तिगत ब्रश तत्वों के यांत्रिक गुणों का निर्धारण करना संभव बनाती है। यह एक ऐसे AFM प्रोब का चयन करके प्राप्त किया जाता है जिसका डिज़ाइन (टिप का आकार, ज्यामिति और स्प्रिंग दर) नरम सामग्रियों और जैविक नमूनों के गुणों को मापने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। यह विधि अत्यंत नरम सामग्री लेहफिलकॉन ए के सटीक मापन के लिए संवेदनशीलता और सटीकता में सुधार करती है, जिसका सतह क्षेत्र पर लोच का मापांक अत्यंत निम्न (2 kPa तक) और आंतरिक (लगभग 100%) जलीय वातावरण में अत्यंत उच्च लोच है। सतही अध्ययन के परिणामों से न केवल लेहफिलकॉन ए लेंस के अति-कोमल सतही गुणों का पता चला, बल्कि यह भी प्रदर्शित हुआ कि शाखित बहुलक ब्रशों का मापांक सिलिकॉन-हाइड्रोजन सब्सट्रेट के मापांक के तुलनीय था। इस सतही लक्षण वर्णन तकनीक को अन्य अति-कोमल सामग्रियों और चिकित्सा उपकरणों पर भी लागू किया जा सकता है।
जीवित ऊतकों के सीधे संपर्क में आने वाले पदार्थों के यांत्रिक गुण अक्सर जैविक वातावरण द्वारा निर्धारित होते हैं। इन पदार्थों के गुणों का सटीक मिलान, प्रतिकूल कोशिकीय प्रतिक्रियाओं को उत्पन्न किए बिना पदार्थ की वांछित नैदानिक ​​विशेषताओं को प्राप्त करने में सहायक होता है1,2,3। समरूप पदार्थों के लिए, मानक प्रक्रियाओं और परीक्षण विधियों (जैसे, माइक्रोइंडेंटेशन4,5,6) की उपलब्धता के कारण यांत्रिक गुणों का निर्धारण अपेक्षाकृत आसान होता है। हालांकि, जैल, हाइड्रोजेल, बायोपोलिमर, जीवित कोशिकाओं आदि जैसे अति-नरम पदार्थों के लिए, मापन रिज़ॉल्यूशन की सीमाओं और कुछ पदार्थों की विषमता के कारण ये परीक्षण विधियां आमतौर पर लागू नहीं होती हैं7। वर्षों से, पारंपरिक इंडेंटेशन विधियों को संशोधित और अनुकूलित किया गया है ताकि विभिन्न प्रकार के नरम पदार्थों के गुणों का निर्धारण किया जा सके, लेकिन कई विधियों में अभी भी गंभीर कमियां हैं जो उनके उपयोग को सीमित करती हैं8,9,10,11,12,13। अति-नरम पदार्थों और सतह परतों के यांत्रिक गुणों का सटीक और विश्वसनीय रूप से निर्धारण करने वाली विशेष परीक्षण विधियों की कमी विभिन्न अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को गंभीर रूप से सीमित करती है।
अपने पिछले शोध में, हमने लेहफिलकॉन ए (सीएल) कॉन्टैक्ट लेंस का परिचय दिया था, जो एक नरम विषम सामग्री है और इसमें आंख के कॉर्निया की सतह से प्रेरित संभावित जैव-अनुरूप डिजाइन से प्राप्त सभी अति-नरम सतह गुण मौजूद हैं। इस जैव-सामग्री को चिकित्सा उपकरणों के लिए डिज़ाइन किए गए सिलिकॉन हाइड्रोजेल (SiHy) 15 पर पॉली(2-मेथैक्रिलोइलॉक्सीएथिलफॉस्फोरिलकोलीन (एमपीसी)) (PMPC) की एक शाखित, क्रॉस-लिंक्ड बहुलक परत को ग्राफ्ट करके विकसित किया गया था। इस ग्राफ्टिंग प्रक्रिया से सतह पर एक परत बनती है जिसमें एक अत्यंत नरम और अत्यधिक लोचदार शाखित बहुलक ब्रश संरचना होती है। हमारे पिछले शोध ने पुष्टि की है कि लेहफिलकॉन ए सीएल की जैव-अनुरूप संरचना बेहतर सतह गुण प्रदान करती है, जैसे कि बेहतर गीलापन और संदूषण रोकथाम, बढ़ी हुई चिकनाई और कम कोशिका और जीवाणु आसंजन 15,16। इसके अलावा, इस जैव-अनुरूप सामग्री का उपयोग और विकास अन्य जैव-चिकित्सा उपकरणों तक इसके विस्तार का भी संकेत देता है। इसलिए, भविष्य के विकास और अनुप्रयोगों को समर्थन देने के लिए एक व्यापक ज्ञान आधार बनाने हेतु इस अति-नरम पदार्थ के सतही गुणों का विश्लेषण करना और आंख के साथ इसकी यांत्रिक अंतःक्रिया को समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अधिकांश SiHy कॉन्टैक्ट लेंस हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक पॉलिमर के एक समरूप मिश्रण से बने होते हैं जो एक समान पदार्थ संरचना बनाते हैं17। पारंपरिक संपीड़न, तन्यता और सूक्ष्म इंडेंटेशन परीक्षण विधियों का उपयोग करके इनके यांत्रिक गुणों की जांच के लिए कई अध्ययन किए गए हैं18,19,20,21। हालांकि, लेहफिलकॉन ए सीएल का नवीन बायोमिमेटिक डिज़ाइन इसे एक अद्वितीय विषम पदार्थ बनाता है जिसमें शाखित पॉलिमर ब्रश संरचनाओं के यांत्रिक गुण SiHy आधार सब्सट्रेट से काफी भिन्न होते हैं। इसलिए, पारंपरिक और इंडेंटेशन विधियों का उपयोग करके इन गुणों का सटीक मात्रात्मक निर्धारण करना बहुत कठिन है। एक आशाजनक विधि एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) में कार्यान्वित नैनोइंडेंटेशन परीक्षण विधि का उपयोग करती है, एक ऐसी विधि जिसका उपयोग जैविक कोशिकाओं और ऊतकों जैसे नरम विस्कोइलास्टिक पदार्थों के साथ-साथ नरम पॉलिमर22,23,24,25,26,27,28,29,30 के यांत्रिक गुणों को निर्धारित करने के लिए किया गया है। AFM नैनोइंडेंटेशन में, नैनोइंडेंटेशन परीक्षण के मूल सिद्धांतों को AFM प्रौद्योगिकी में नवीनतम प्रगति के साथ जोड़ा जाता है ताकि माप संवेदनशीलता में वृद्धि हो सके और स्वाभाविक रूप से अतिनरम पदार्थों की एक विस्तृत श्रृंखला का परीक्षण किया जा सके31,32,33,34,35,36। इसके अलावा, यह तकनीक विभिन्न ज्यामितियों के उपयोग के माध्यम से अन्य महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है। इंडेंटर और प्रोब और विभिन्न तरल मीडिया में परीक्षण की संभावना।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन को मोटे तौर पर तीन मुख्य घटकों में विभाजित किया जा सकता है: (1) उपकरण (सेंसर, डिटेक्टर, प्रोब, आदि); (2) मापन पैरामीटर (जैसे बल, विस्थापन, गति, रैंप का आकार, आदि); (3) डेटा प्रसंस्करण (बेसलाइन सुधार, स्पर्श बिंदु अनुमान, डेटा फिटिंग, मॉडलिंग, आदि)। इस विधि के साथ एक महत्वपूर्ण समस्या यह है कि एएफएम नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करने वाले साहित्य में कई अध्ययनों में एक ही नमूने/कोशिका/सामग्री प्रकार के लिए बहुत अलग मात्रात्मक परिणाम बताए गए हैं37,38,39,40,41। उदाहरण के लिए, लेक्का एट अल. ने यांत्रिक रूप से सजातीय हाइड्रोजेल और विषम कोशिकाओं के नमूनों के मापे गए यंग मापांक पर एएफएम प्रोब ज्यामिति के प्रभाव का अध्ययन और तुलना की। उन्होंने बताया कि मापांक मान कैंटिलीवर चयन और टिप के आकार पर अत्यधिक निर्भर करते हैं, पिरामिड के आकार के प्रोब के लिए उच्चतम मान और गोलाकार प्रोब के लिए निम्नतम मान 42 होता है। इसी तरह, सेल्हुबर-अनकेल एट अल. यह दिखाया गया है कि इंडेंटर की गति, इंडेंटर का आकार और पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) नमूनों की मोटाई, ACM43 नैनोइंडेंटेशन द्वारा मापे गए यंग मापांक को कैसे प्रभावित करती है। एक अन्य जटिल कारक अत्यंत निम्न मापांक परीक्षण सामग्रियों और निःशुल्क परीक्षण प्रक्रियाओं की कमी है। इससे सटीक और विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करना बहुत मुश्किल हो जाता है। हालांकि, यह विधि समान प्रकार के नमूनों के बीच सापेक्ष मापन और तुलनात्मक मूल्यांकन के लिए बहुत उपयोगी है, उदाहरण के लिए AFM नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करके सामान्य कोशिकाओं को कैंसर कोशिकाओं से अलग करना 44, 45।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन द्वारा नरम पदार्थों का परीक्षण करते समय, एक सामान्य नियम यह है कि कम स्प्रिंग स्थिरांक (k) वाले प्रोब का उपयोग किया जाए जो नमूने के मापांक से निकटता से मेल खाता हो और एक अर्धगोलाकार/गोल टिप का उपयोग किया जाए ताकि प्रोब नरम पदार्थों के साथ पहले संपर्क में नमूने की सतहों को भेद न सके। यह भी महत्वपूर्ण है कि प्रोब द्वारा उत्पन्न विक्षेपण संकेत लेजर डिटेक्टर प्रणाली24,34,46,47 द्वारा पता लगाने के लिए पर्याप्त मजबूत हो। अति-नरम विषम कोशिकाओं, ऊतकों और जैल के मामले में, प्रतिलिपि योग्य और विश्वसनीय माप सुनिश्चित करने के लिए प्रोब और नमूने की सतह के बीच आसंजक बल पर काबू पाना एक और चुनौती है48,49,50। हाल तक, एएफएम नैनोइंडेंटेशन पर अधिकांश कार्य अपेक्षाकृत बड़े गोलाकार प्रोब, जिन्हें आमतौर पर कोलाइडल प्रोब (सीपी) कहा जाता है, का उपयोग करके जैविक कोशिकाओं, ऊतकों, जैल, हाइड्रोजेल और बायोमोलेक्यूल्स के यांत्रिक व्यवहार के अध्ययन पर केंद्रित रहा है। 47, 51, 52, 53, 54, 55. इन युक्तियों की त्रिज्या 1 से 50 µm होती है और ये आमतौर पर बोरोसिलिकेट ग्लास, पॉलीमिथाइल मेथैक्रिलेट (PMMA), पॉलीस्टाइरीन (PS), सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) और डायमंड-लाइक कार्बन (DLC) से बनी होती हैं। हालाँकि CP-AFM नैनोइंडेंटेशन अक्सर नरम नमूनों के लक्षण वर्णन के लिए पहली पसंद होती है, लेकिन इसकी अपनी समस्याएं और सीमाएं हैं। बड़े, माइक्रोन-आकार के गोलाकार युक्तियों के उपयोग से नमूने के साथ युक्त युक्ति का कुल संपर्क क्षेत्र बढ़ जाता है और स्थानिक संकल्प में काफी कमी आती है। नरम, विषम नमूनों के लिए, जहाँ स्थानीय तत्वों के यांत्रिक गुण एक व्यापक क्षेत्र में औसत से काफी भिन्न हो सकते हैं, CP इंडेंटेशन स्थानीय स्तर पर गुणों में किसी भी विषमता को छिपा सकता है।52 कोलाइडल प्रोब आमतौर पर एपॉक्सी चिपकने वाले पदार्थों का उपयोग करके माइक्रोन-आकार के कोलाइडल गोले को बिना युक्ति वाले कैंटिलीवर से जोड़कर बनाए जाते हैं। विनिर्माण प्रक्रिया स्वयं कई समस्याओं से भरी है और प्रोब अंशांकन प्रक्रिया में असंगतता उत्पन्न कर सकती है। इसके अतिरिक्त, कोलाइडल कणों का आकार और द्रव्यमान कैंटिलीवर के मुख्य अंशांकन मापदंडों, जैसे कि अनुनाद आवृत्ति, स्प्रिंग कठोरता और विक्षेपण संवेदनशीलता को सीधे प्रभावित करते हैं56,57,58। इस प्रकार, पारंपरिक एएफएम प्रोब के लिए आमतौर पर उपयोग की जाने वाली विधियाँ, जैसे कि तापमान अंशांकन, सीपी के लिए सटीक अंशांकन प्रदान नहीं कर सकती हैं, और इन सुधारों को करने के लिए अन्य विधियों की आवश्यकता हो सकती है57, 59, 60, 61। विशिष्ट सीपी इंडेंटेशन प्रयोगों में नरम नमूनों के गुणों का अध्ययन करने के लिए बड़े विचलन वाले कैंटिलीवर का उपयोग किया जाता है, जो अपेक्षाकृत बड़े विचलन पर कैंटिलीवर के गैर-रैखिक व्यवहार को अंशांकित करते समय एक और समस्या उत्पन्न करता है62,63,64। आधुनिक कोलाइडल प्रोब इंडेंटेशन विधियाँ आमतौर पर प्रोब को अंशांकित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कैंटिलीवर की ज्यामिति को ध्यान में रखती हैं, लेकिन कोलाइडल कणों के प्रभाव को अनदेखा करती हैं, जिससे विधि की सटीकता में अतिरिक्त अनिश्चितता उत्पन्न होती है38,61। इसी प्रकार, संपर्क मॉडल फिटिंग द्वारा गणना किए गए लोचदार मापांक सीधे इंडेंटेशन प्रोब की ज्यामिति पर निर्भर करते हैं, और टिप और नमूना सतह विशेषताओं के बीच बेमेल होने से अशुद्धियाँ हो सकती हैं27, 65, 66, 67, 68। स्पेंसर एट अल द्वारा हाल ही में किए गए कुछ कार्यों में, सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके नरम पॉलिमर ब्रशों के लक्षण वर्णन करते समय ध्यान में रखे जाने वाले कारकों पर प्रकाश डाला गया है। उन्होंने बताया कि गति के फलन के रूप में पॉलिमर ब्रशों में एक चिपचिपे तरल पदार्थ का प्रतिधारण हेड लोडिंग में वृद्धि का परिणाम होता है और इसलिए गति पर निर्भर गुणों के विभिन्न माप होते हैं30,69,70,71।
इस अध्ययन में, हमने संशोधित एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके अति-नरम, अत्यधिक लोचदार पदार्थ लेहफिलकॉन ए सीएल के सतही मापांक का लक्षण वर्णन किया है। इस पदार्थ के गुणों और नई संरचना को देखते हुए, पारंपरिक इंडेंटेशन विधि की संवेदनशीलता सीमा इस अत्यंत नरम पदार्थ के मापांक का लक्षण वर्णन करने के लिए स्पष्ट रूप से अपर्याप्त है, इसलिए उच्च संवेदनशीलता और निम्न स्तर की संवेदनशीलता वाली एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करना आवश्यक है। मौजूदा कोलाइडल एएफएम प्रोब नैनोइंडेंटेशन तकनीकों की कमियों और समस्याओं की समीक्षा करने के बाद, हमने यह बताया है कि हमने संवेदनशीलता, पृष्ठभूमि शोर को दूर करने, संपर्क बिंदु को सटीक रूप से निर्धारित करने, द्रव प्रतिधारण निर्भरता जैसे नरम विषम पदार्थों के वेग मापांक को मापने और सटीक मात्रा निर्धारण के लिए एक छोटे, कस्टम-डिज़ाइन किए गए एएफएम प्रोब को क्यों चुना। इसके अलावा, हम इंडेंटेशन टिप के आकार और आयामों को सटीक रूप से मापने में सक्षम थे, जिससे हमें सामग्री के साथ टिप के संपर्क क्षेत्र का आकलन किए बिना प्रत्यास्थता मापांक निर्धारित करने के लिए शंकु-गोला फिट मॉडल का उपयोग करने की अनुमति मिली। इस कार्य में जिन दो अंतर्निहित मान्यताओं का मात्रात्मक विश्लेषण किया गया है, वे हैं पूर्णतः प्रत्यास्थ पदार्थ गुणधर्म और प्रतिदलन गहराई से अप्रभावित मापांक। इस विधि का उपयोग करते हुए, हमने पहले ज्ञात मापांक वाले अति-नरम मानकों का परीक्षण करके विधि का मात्रात्मक विश्लेषण किया, और फिर इस विधि का उपयोग करके दो अलग-अलग कॉन्टैक्ट लेंस सामग्रियों की सतहों का लक्षण वर्णन किया। बढ़ी हुई संवेदनशीलता के साथ एएफएम नैनोइंडेंटेशन सतहों के लक्षण वर्णन की यह विधि चिकित्सा उपकरणों और जैवचिकित्सा अनुप्रयोगों में संभावित उपयोग के साथ जैव-अनुरूप विषम अति-नरम सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू होने की उम्मीद है।
नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों के लिए लेहफिलकॉन ए कॉन्टैक्ट लेंस (एल्कॉन, फोर्ट वर्थ, टेक्सास, यूएसए) और उनके सिलिकॉन हाइड्रोजेल सब्सट्रेट का चयन किया गया। प्रयोग में एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए लेंस माउंट का उपयोग किया गया। परीक्षण के लिए लेंस को स्थापित करने हेतु, इसे गुंबद के आकार के स्टैंड पर सावधानीपूर्वक रखा गया, यह सुनिश्चित करते हुए कि कोई हवा के बुलबुले अंदर न जाएं, और फिर किनारों से स्थिर किया गया। लेंस होल्डर के शीर्ष पर स्थित फिक्स्चर में एक छेद नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों के लिए लेंस के ऑप्टिकल केंद्र तक पहुंच प्रदान करता है, साथ ही तरल को अपनी जगह पर बनाए रखता है। इससे लेंस पूरी तरह से हाइड्रेटेड रहते हैं। परीक्षण विलयन के रूप में 500 μl कॉन्टैक्ट लेंस पैकेजिंग विलयन का उपयोग किया गया। मात्रात्मक परिणामों को सत्यापित करने के लिए, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध गैर-सक्रिय पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) हाइड्रोजेल को पॉलीएक्रिलामाइड-को-मेथिलीन-बिसएक्रिलामाइड संरचना (100 मिमी पेट्रीसॉफ्ट पेट्री डिश, मैट्रिजेन, इरविन, कैलिफोर्निया, यूएसए) से तैयार किया गया, जिसका ज्ञात प्रत्यास्थता मापांक 1 kPa है। एएफएम हाइड्रोजेल-प्रोब इंटरफ़ेस पर फॉस्फेट बफर्ड सलाइन (कॉर्निंग लाइफ साइंसेज, टेवेस्बरी, एमए, यूएसए से पीबीएस) की 4-5 बूंदें (लगभग 125 µl) और ऑप्टी-फ्री प्योरमोइस्ट कॉन्टैक्ट लेंस सॉल्यूशन (एल्कॉन, वाउड, टीएक्स, यूएसए) की 1 बूंद का प्रयोग करें।
लेहफिलकॉन ए सीएल और SiHy सबस्ट्रेट्स के नमूनों का अवलोकन स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (STEM) डिटेक्टर से लैस FEI क्वांटा 250 फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (FEG SEM) प्रणाली का उपयोग करके किया गया। नमूनों को तैयार करने के लिए, लेंसों को पहले पानी से धोया गया और पाई के आकार के टुकड़ों में काटा गया। नमूनों के हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक घटकों के बीच अंतर करने के लिए, 0.10% स्थिर RuO4 घोल का उपयोग डाई के रूप में किया गया, जिसमें नमूनों को 30 मिनट के लिए डुबोया गया। लेहफिलकॉन ए सीएल RuO4 स्टेनिंग न केवल बेहतर अंतर प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है, बल्कि शाखित बहुलक ब्रशों की संरचना को उनके मूल रूप में संरक्षित करने में भी मदद करती है, जो STEM छवियों पर दिखाई देते हैं। इसके बाद, उन्हें इथेनॉल की बढ़ती सांद्रता वाले इथेनॉल/पानी के मिश्रण की एक श्रृंखला में धोया और निर्जलित किया गया। नमूनों को फिर EMBed 812/Araldite एपॉक्सी से ढाला गया, जिसे 70°C पर रात भर में सूखने दिया गया। रेज़िन पॉलीमराइज़ेशन द्वारा प्राप्त नमूना ब्लॉकों को अल्ट्रामाइक्रोटोम से काटा गया, और परिणामी पतले सेक्शनों को 30 kV के त्वरण वोल्टेज पर कम वैक्यूम मोड में STEM डिटेक्टर से देखा गया। PFQNM-LC-A-CAL AFM प्रोब (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) के विस्तृत लक्षण वर्णन के लिए भी इसी SEM प्रणाली का उपयोग किया गया। AFM प्रोब की SEM छवियां 30 kV के त्वरण वोल्टेज के साथ एक विशिष्ट उच्च वैक्यूम मोड में प्राप्त की गईं। AFM प्रोब टिप के आकार और माप के सभी विवरणों को रिकॉर्ड करने के लिए विभिन्न कोणों और आवर्धनों पर छवियां प्राप्त की गईं। छवियों में रुचि के सभी टिप आयामों को डिजिटल रूप से मापा गया।
लेहफिलकॉन ए सीएल, SiHy सबस्ट्रेट और PAAm हाइड्रोजेल नमूनों को देखने और नैनोइंडेंटेशन करने के लिए "पीकफोर्स क्यूएनएम इन फ्लूइड" मोड वाले डायमेंशन फास्टस्कैन बायो आइकॉन एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोप (ब्रुकर नैनो, सांता बारबरा, कैलिफोर्निया, यूएसए) का उपयोग किया गया। इमेजिंग प्रयोगों के लिए, 1 एनएम की नाममात्र टिप त्रिज्या वाले पीकफोर्स-एचआईआरएस-एफए प्रोब (ब्रुकर) का उपयोग 0.50 हर्ट्ज की स्कैन दर पर नमूने की उच्च रिज़ॉल्यूशन छवियां लेने के लिए किया गया था। सभी छवियां जलीय घोल में ली गईं।
पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल प्रोब (ब्रुकर) का उपयोग करके एएफएम नैनोइंडेंटेशन प्रयोग किए गए। एएफएम प्रोब में 345 एनएम मोटी, 54 µm लंबी और 4.5 µm चौड़ी नाइट्राइड कैंटिलीवर पर एक सिलिकॉन टिप होती है, जिसकी अनुनाद आवृत्ति 45 किलोहर्ट्ज़ है। इसे विशेष रूप से नरम जैविक नमूनों पर मात्रात्मक नैनोमैकेनिकल माप करने और उनका विश्लेषण करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सेंसर को कारखाने में पूर्व-कैलिब्रेटेड स्प्रिंग सेटिंग्स के साथ व्यक्तिगत रूप से कैलिब्रेट किया जाता है। इस अध्ययन में उपयोग किए गए प्रोब के स्प्रिंग स्थिरांक 0.05–0.1 एन/मीटर की सीमा में थे। टिप के आकार और माप को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए, एसईएम का उपयोग करके प्रोब का विस्तृत विश्लेषण किया गया। चित्र 1ए में पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल प्रोब का उच्च रिज़ॉल्यूशन, कम आवर्धन वाला स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ दिखाया गया है, जो प्रोब डिज़ाइन का समग्र दृश्य प्रदान करता है। चित्र 1b में प्रोब टिप के ऊपरी भाग का आवर्धित दृश्य दिखाया गया है, जिससे टिप के आकार और माप के बारे में जानकारी मिलती है। सबसे बाहरी सिरे पर, सुई लगभग 140 एनएम व्यास का एक अर्धगोला है (चित्र 1c)। इसके नीचे, टिप एक शंक्वाकार आकार में पतला होता जाता है, जिसकी मापी गई लंबाई लगभग 500 एनएम है। पतले होने वाले क्षेत्र के बाहर, टिप बेलनाकार है और इसकी कुल लंबाई 1.18 µm है। यह प्रोब टिप का मुख्य कार्यात्मक भाग है। इसके अतिरिक्त, 45 µm व्यास और 2 N/m स्प्रिंग स्थिरांक वाले एक बड़े गोलाकार पॉलीस्टायरीन (PS) प्रोब (नोवास्कैन टेक्नोलॉजीज, इंक., बूने, आयोवा, यूएसए) का उपयोग कोलाइडल प्रोब के रूप में परीक्षण के लिए किया गया था। तुलना के लिए PFQNM-LC-A-CAL 140 एनएम प्रोब का भी उपयोग किया गया।
रिपोर्ट में बताया गया है कि नैनोइंडेंटेशन के दौरान एएफएम प्रोब और पॉलीमर ब्रश संरचना के बीच तरल पदार्थ फंस सकता है, जो सतह को छूने से पहले ही एएफएम प्रोब पर ऊपर की ओर बल लगाता है।69 तरल पदार्थ के जमाव के कारण होने वाला यह चिपचिपा निष्कासन प्रभाव संपर्क के स्पष्ट बिंदु को बदल सकता है, जिससे सतह मापांक माप प्रभावित हो सकते हैं। तरल पदार्थ के जमाव पर प्रोब की ज्यामिति और इंडेंटेशन गति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, 140 एनएम व्यास वाले प्रोब का उपयोग करके 1 µm/s और 2 µm/s की स्थिर विस्थापन दरों पर लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों के लिए इंडेंटेशन बल वक्र बनाए गए। 45 µm व्यास वाले प्रोब और 6 nN के स्थिर बल पर 1 µm/s की गति प्राप्त की गई। 140 एनएम व्यास वाले प्रोब के साथ प्रयोग 1 µm/s की इंडेंटेशन गति और 300 pN के स्थिर बल पर किए गए, जिसे ऊपरी पलक के शारीरिक सीमा (1-8 kPa) के भीतर संपर्क दबाव बनाने के लिए चुना गया था। दबाव 72. 1 kPa के दबाव वाले PAA हाइड्रोजेल के नरम तैयार नमूनों का परीक्षण 1 μm/s की गति से 50 pN के इंडेंटेशन बल के लिए 140 nm व्यास वाले प्रोब का उपयोग करके किया गया।
PFQNM-LC-A-CAL प्रोब के सिरे के शंक्वाकार भाग की लंबाई लगभग 500 nm होने के कारण, 500 nm से कम किसी भी इंडेंटेशन गहराई के लिए यह सुरक्षित रूप से माना जा सकता है कि इंडेंटेशन के दौरान प्रोब की ज्यामिति अपने शंकु आकार के अनुरूप ही रहेगी। इसके अतिरिक्त, यह माना जाता है कि परीक्षण के तहत सामग्री की सतह एक प्रतिवर्ती लोचदार प्रतिक्रिया प्रदर्शित करेगी, जिसकी पुष्टि आगे के अनुभागों में भी की जाएगी। इसलिए, सिरे के आकार और माप के आधार पर, हमने ब्रिसको, सेबेस्टियन और एडम्स द्वारा विकसित शंकु-गोला फिटिंग मॉडल को चुना, जो विक्रेता के सॉफ़्टवेयर (नैनोस्कोप) में उपलब्ध है, ताकि हमारे AFM नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों को संसाधित किया जा सके। पृथक्करण डेटा विश्लेषण सॉफ़्टवेयर, ब्रुकर) 73. यह मॉडल एक गोलाकार शीर्ष दोष वाले शंकु के लिए बल-विस्थापन संबंध F(δ) का वर्णन करता है। चित्र पर। चित्र 2 एक कठोर शंकु और एक गोलाकार सिरे के बीच परस्पर क्रिया के दौरान संपर्क ज्यामिति को दर्शाता है, जहाँ R गोलाकार सिरे की त्रिज्या है, a संपर्क त्रिज्या है, b गोलाकार सिरे के अंत में संपर्क त्रिज्या है, δ संपर्क त्रिज्या है, धंसाव की गहराई है, और θ शंकु का अर्धकोण है। इस प्रोब की SEM छवि स्पष्ट रूप से दर्शाती है कि 140 nm व्यास का गोलाकार सिरा शंकु में स्पर्शरेखीय रूप से विलीन हो जाता है, इसलिए यहाँ b केवल R के माध्यम से परिभाषित होता है, अर्थात् b = R cos θ। विक्रेता द्वारा प्रदत्त सॉफ़्टवेयर a > b मानते हुए बल पृथक्करण डेटा से यंग मापांक (E) मानों की गणना करने के लिए शंकु-गोला संबंध प्रदान करता है। संबंध:
जहां F धंसाव बल है, E यंग मापांक है, और ν पॉइसन अनुपात है। संपर्क त्रिज्या a का अनुमान निम्न सूत्र से लगाया जा सकता है:
शाखाओं वाले बहुलक ब्रशों की सतह परत वाले लेफिलकॉन कॉन्टैक्ट लेंस की सामग्री में दबाए गए गोलाकार सिरे वाले कठोर शंकु की संपर्क ज्यामिति की योजना।
यदि a ≤ b हो, तो यह संबंध एक पारंपरिक गोलाकार इंडेंटर के समीकरण में परिवर्तित हो जाता है;
हमारा मानना ​​है कि इंडेंटिंग प्रोब और पीएमपीसी पॉलीमर ब्रश की शाखित संरचना के बीच परस्पर क्रिया के कारण संपर्क त्रिज्या a, गोलाकार संपर्क त्रिज्या b से अधिक होगी। इसलिए, इस अध्ययन में किए गए प्रत्यास्थता मापांक के सभी मात्रात्मक मापों के लिए, हमने a > b की स्थिति में प्राप्त निर्भरता का उपयोग किया।
इस अध्ययन में परिकल्पित अतिसूक्ष्म बायोमिमेटिक सामग्रियों का व्यापक रूप से स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (STEM) द्वारा नमूने के क्रॉस सेक्शन और एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) द्वारा सतह का इमेजिंग किया गया। यह विस्तृत सतह लक्षण वर्णन हमारे पहले प्रकाशित कार्य के विस्तार के रूप में किया गया था, जिसमें हमने निर्धारित किया था कि PMPC-संशोधित लेहफिलकॉन A CL सतह की गतिशील रूप से शाखित बहुलक ब्रश संरचना मूल कॉर्नियल ऊतक के समान यांत्रिक गुण प्रदर्शित करती है¹⁴। इसी कारण से, हम कॉन्टैक्ट लेंस सतहों को बायोमिमेटिक सामग्री¹⁴ कहते हैं। चित्र 3a और 3b में क्रमशः लेहफिलकॉन A CL सब्सट्रेट और अनुपचारित SiHy सब्सट्रेट की सतह पर शाखित PMPC बहुलक ब्रश संरचनाओं के क्रॉस सेक्शन दिखाए गए हैं। दोनों नमूनों की सतहों का उच्च-रिज़ॉल्यूशन AFM छवियों का उपयोग करके आगे विश्लेषण किया गया, जिसने STEM विश्लेषण के परिणामों की पुष्टि की (चित्र 3c, 3d)। इन छवियों को एक साथ देखने पर PMPC शाखित बहुलक ब्रश संरचना की अनुमानित लंबाई 300-400 nm प्राप्त होती है, जो AFM नैनोइंडेंटेशन मापों की व्याख्या के लिए महत्वपूर्ण है। छवियों से प्राप्त एक अन्य महत्वपूर्ण अवलोकन यह है कि CL बायोमिमेटिक सामग्री की समग्र सतह संरचना SiHy सब्सट्रेट सामग्री से आकारिकी रूप से भिन्न है। उनकी सतह आकारिकी में यह अंतर इंडेंटिंग AFM प्रोब के साथ उनकी यांत्रिक अंतःक्रिया के दौरान और बाद में मापे गए मापांक मानों में स्पष्ट हो सकता है।
(a) लेहफिलकॉन ए सीएल और (b) SiHy सब्सट्रेट की क्रॉस-सेक्शनल STEM छवियां। स्केल बार, 500 एनएम। लेहफिलकॉन ए सीएल सब्सट्रेट (c) और बेस SiHy सब्सट्रेट (d) की सतह की AFM छवियां (3 µm × 3 µm)।
जैव-प्रेरित पॉलिमर और पॉलिमर ब्रश संरचनाएं स्वभाव से ही कोमल होती हैं और विभिन्न जैवचिकित्सा अनुप्रयोगों में इनका व्यापक रूप से अध्ययन और उपयोग किया गया है।74,75,76,77 इसलिए, एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करना महत्वपूर्ण है, जो इनके यांत्रिक गुणों को सटीक और विश्वसनीय रूप से माप सकती है। लेकिन साथ ही, इन अति-कोमल पदार्थों के अद्वितीय गुण, जैसे कि अत्यंत कम प्रत्यास्थता मापांक, उच्च द्रव सामग्री और उच्च लोच, अक्सर इंडेंटिंग प्रोब के लिए सही सामग्री, आकार और आकृति का चयन करना कठिन बना देते हैं। यह महत्वपूर्ण है ताकि इंडेंटर नमूने की कोमल सतह को भेद न दे, जिससे सतह के साथ संपर्क बिंदु और संपर्क क्षेत्र के निर्धारण में त्रुटियां हो सकती हैं।
इसके लिए, अति-नरम बायोमिमेटिक सामग्रियों (लेहफिलकॉन ए सीएल) की आकृति विज्ञान की व्यापक समझ आवश्यक है। इमेजिंग विधि का उपयोग करके प्राप्त शाखित बहुलक ब्रशों के आकार और संरचना के बारे में जानकारी, एएफएम नैनोइंडेंटेशन तकनीकों का उपयोग करके सतह के यांत्रिक लक्षण वर्णन के लिए आधार प्रदान करती है। माइक्रोन आकार के गोलाकार कोलाइडल प्रोब के बजाय, हमने 140 एनएम टिप व्यास वाले पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल सिलिकॉन नाइट्राइड प्रोब (ब्रूकर) को चुना, जिसे विशेष रूप से जैविक नमूनों के यांत्रिक गुणों के मात्रात्मक मानचित्रण के लिए डिज़ाइन किया गया है। 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 पारंपरिक कोलाइडल प्रोब की तुलना में अपेक्षाकृत तीखे प्रोब का उपयोग करने का कारण सामग्री की संरचनात्मक विशेषताओं द्वारा समझाया जा सकता है। चित्र 3a में दर्शाए गए CL लेहफिलकॉन A की सतह पर मौजूद शाखित पॉलीमर ब्रशों के साथ प्रोब टिप के आकार (~140 nm) की तुलना करने पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि टिप इन ब्रश संरचनाओं के सीधे संपर्क में आने के लिए पर्याप्त बड़ी है, जिससे टिप के इनके आर-पार जाने की संभावना कम हो जाती है। इस बात को स्पष्ट करने के लिए, चित्र 4 में लेहफिलकॉन A CL और AFM प्रोब की इंडेंटिंग टिप की STEM छवि (स्केल के अनुसार बनाई गई) दिखाई गई है।
लेहफिलकॉन ए सीएल की एसटीईएम छवि और एसीएम इंडेंटेशन प्रोब को दर्शाने वाला आरेख (मानक के अनुसार बनाया गया)।
इसके अतिरिक्त, 140 एनएम का टिप आकार इतना छोटा है कि सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि69,71 द्वारा उत्पादित पॉलीमर ब्रशों के लिए पहले बताई गई किसी भी चिपचिपी एक्सट्रूज़न प्रभाव के जोखिम से बचा जा सके। हमारा मानना ​​है कि इस एएफएम टिप के विशेष शंकु-गोलाकार आकार और अपेक्षाकृत छोटे आकार (चित्र 1) के कारण, लेहफिलकॉन ए सीएल नैनोइंडेंटेशन द्वारा उत्पन्न बल वक्र की प्रकृति इंडेंटेशन गति या लोडिंग/अनलोडिंग गति पर निर्भर नहीं करेगी। इसलिए, यह पोरलोचदार प्रभावों से प्रभावित नहीं होती है। इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों को पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल प्रोब का उपयोग करके एक निश्चित अधिकतम बल पर, लेकिन दो अलग-अलग वेगों पर इंडेंट किया गया, और परिणामी तन्यता और प्रतिकर्षण बल वक्रों का उपयोग पृथक्करण (µm) में बल (nN) को प्लॉट करने के लिए किया गया, जैसा कि चित्र 5a में दिखाया गया है। यह स्पष्ट है कि लोडिंग और अनलोडिंग के दौरान बल वक्र पूरी तरह से ओवरलैप होते हैं, और चित्र में शून्य इंडेंटेशन गहराई पर बल अपरूपण के इंडेंटेशन गति के साथ बढ़ने का कोई स्पष्ट प्रमाण नहीं है, जिससे पता चलता है कि व्यक्तिगत ब्रश तत्वों को पोरलोचदार प्रभाव के बिना चित्रित किया गया था। इसके विपरीत, समान इंडेंटेशन गति पर 45 µm व्यास वाले AFM प्रोब के लिए द्रव प्रतिधारण प्रभाव (श्यान निष्कासन और पोरलोचदार प्रभाव) स्पष्ट हैं और चित्र 5b में दिखाए गए खिंचाव और संकुचन वक्रों के बीच हिस्टैरेसिस द्वारा उजागर होते हैं। ये परिणाम परिकल्पना का समर्थन करते हैं और सुझाव देते हैं कि 140 nm व्यास वाले प्रोब ऐसी नरम सतहों के लक्षण वर्णन के लिए एक अच्छा विकल्प हैं।
लेहफिलकॉन ए सीएल इंडेंटेशन बल वक्रों का उपयोग एसीएम का उपयोग करके किया गया; (ए) दो लोडिंग दरों पर 140 एनएम व्यास वाले प्रोब का उपयोग करके, सतह इंडेंटेशन के दौरान पोरलोचदार प्रभाव की अनुपस्थिति को प्रदर्शित किया गया; (बी) 45 µm और 140 एनएम व्यास वाले प्रोब का उपयोग करके। चित्र छोटे प्रोब की तुलना में बड़े प्रोब के लिए चिपचिपे निष्कासन और पोरलोचदारता के प्रभावों को दर्शाते हैं।
अति कोमल सतहों के गुणों का अध्ययन करने के लिए, AFM नैनोइंडेंटेशन विधियों में अध्ययन की जा रही सामग्री के गुणों का अध्ययन करने के लिए सर्वोत्तम प्रोब का होना आवश्यक है। टिप के आकार और माप के अलावा, AFM डिटेक्टर प्रणाली की संवेदनशीलता, परीक्षण वातावरण में टिप विक्षेपण के प्रति संवेदनशीलता और कैंटिलीवर की कठोरता नैनोइंडेंटेशन माप की सटीकता और विश्वसनीयता निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। हमारी AFM प्रणाली के लिए, स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर (PSD) की पहचान सीमा लगभग 0.5 mV है और यह पूर्व-कैलिब्रेटेड स्प्रिंग दर और PFQNM-LC-A-CAL प्रोब की परिकलित द्रव विक्षेपण संवेदनशीलता पर आधारित है, जो सैद्धांतिक भार संवेदनशीलता के अनुरूप है। यह 0.1 pN से कम है। इसलिए, यह विधि बिना किसी परिधीय शोर घटक के न्यूनतम इंडेंटेशन बल ≤ 0.1 pN के मापन की अनुमति देती है। हालांकि, यांत्रिक कंपन और द्रव गतिकी जैसे कारकों के कारण AFM प्रणाली के लिए परिधीय शोर को इस स्तर तक कम करना लगभग असंभव है। ये कारक AFM नैनोइंडेंटेशन विधि की समग्र संवेदनशीलता को सीमित करते हैं और लगभग ≤ 10 pN का पृष्ठभूमि शोर संकेत भी उत्पन्न करते हैं। सतह के लक्षण वर्णन के लिए, लेहफिलकॉन A CL और SiHy सब्सट्रेट नमूनों को SEM लक्षण वर्णन के लिए 140 nm प्रोब का उपयोग करके पूरी तरह से हाइड्रेटेड स्थितियों के तहत इंडेंट किया गया था, और परिणामी बल वक्रों को बल (pN) और दबाव के बीच सुपरइम्पोज़ किया गया था। पृथक्करण प्लॉट (µm) चित्र 6a में दिखाया गया है। SiHy आधार सब्सट्रेट की तुलना में, लेहफिलकॉन A CL बल वक्र स्पष्ट रूप से एक संक्रमणकालीन चरण दिखाता है जो कांटेदार बहुलक ब्रश के साथ संपर्क बिंदु से शुरू होता है और अंतर्निहित सामग्री के साथ टिप के संपर्क को चिह्नित करने वाले ढलान में तीव्र परिवर्तन के साथ समाप्त होता है। बल वक्र का यह संक्रमणकालीन भाग सतह पर शाखित बहुलक ब्रश के वास्तविक लोचदार व्यवहार को उजागर करता है, जैसा कि संपीड़न वक्र द्वारा तनाव वक्र का बारीकी से अनुसरण करने और ब्रश संरचना और भारी SiHy सामग्री के बीच यांत्रिक गुणों में अंतर से स्पष्ट होता है। लेहफिलकॉन की तुलना करते समय। पीसीएस (चित्र 3a) के एसटीईएम चित्र में शाखित बहुलक ब्रश की औसत लंबाई का पृथक्करण और चित्र 3a.6a में अक्षीय बल वक्र दर्शाता है कि यह विधि सतह के बिल्कुल शीर्ष तक पहुँचने वाले सिरे और शाखित बहुलक का पता लगाने में सक्षम है। ब्रश संरचनाओं के बीच संपर्क। इसके अलावा, बल वक्रों का निकटवर्ती ओवरलैप तरल प्रतिधारण प्रभाव की अनुपस्थिति को इंगित करता है। इस स्थिति में, सुई और नमूने की सतह के बीच बिल्कुल भी आसंजन नहीं है। दोनों नमूनों के बल वक्रों के सबसे ऊपरी भाग ओवरलैप होते हैं, जो सब्सट्रेट सामग्री के यांत्रिक गुणों की समानता को दर्शाते हैं।
(a) लेहफिलकॉन ए सीएल सब्सट्रेट और SiHy सब्सट्रेट के लिए एएफएम नैनोइंडेंटेशन बल वक्र, (b) पृष्ठभूमि शोर सीमा विधि का उपयोग करके संपर्क बिंदु अनुमान दर्शाने वाले बल वक्र।
बल वक्र के सूक्ष्म विवरणों का अध्ययन करने के लिए, लेहफिलकॉन ए सीएल नमूने के तनाव वक्र को चित्र 6बी में y-अक्ष के अनुदिश 50 pN के अधिकतम बल के साथ पुनः प्लॉट किया गया है। यह ग्राफ मूल पृष्ठभूमि शोर के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है। शोर ±10 pN की सीमा में है, जिसका उपयोग संपर्क बिंदु को सटीक रूप से निर्धारित करने और इंडेंटेशन गहराई की गणना करने के लिए किया जाता है। जैसा कि साहित्य में बताया गया है, मापांक जैसे पदार्थ गुणों का सटीक आकलन करने के लिए संपर्क बिंदुओं की पहचान महत्वपूर्ण है।85 बल वक्र डेटा के स्वचालित प्रसंस्करण से संबंधित एक दृष्टिकोण ने नरम पदार्थों के लिए डेटा फिटिंग और मात्रात्मक मापों के बीच बेहतर तालमेल दिखाया है।86 इस कार्य में, संपर्क बिंदुओं का हमारा चयन अपेक्षाकृत सरल और वस्तुनिष्ठ है, लेकिन इसकी कुछ सीमाएँ हैं। संपर्क बिंदु निर्धारित करने के लिए हमारा रूढ़िवादी दृष्टिकोण कम इंडेंटेशन गहराई (< 100 nm) के लिए मापांक मानों को थोड़ा अधिक आंक सकता है। एल्गोरिदम-आधारित टचपॉइंट डिटेक्शन और स्वचालित डेटा प्रोसेसिंग का उपयोग भविष्य में हमारी विधि को और बेहतर बनाने के लिए इस कार्य का विस्तार हो सकता है। इस प्रकार, लगभग ±10 pN के आंतरिक पृष्ठभूमि शोर के लिए, हम संपर्क बिंदु को चित्र 6b में x-अक्ष पर पहले डेटा बिंदु के रूप में परिभाषित करते हैं जिसका मान ≥10 pN है। फिर, 10 pN की शोर सीमा के अनुसार, लगभग 0.27 µm के स्तर पर एक ऊर्ध्वाधर रेखा सतह के साथ संपर्क बिंदु को चिह्नित करती है, जिसके बाद खिंचाव वक्र तब तक जारी रहता है जब तक कि सब्सट्रेट लगभग 270 nm की इंडेंटेशन गहराई तक नहीं पहुँच जाता। दिलचस्प बात यह है कि इमेजिंग विधि का उपयोग करके मापी गई शाखित बहुलक ब्रश विशेषताओं (300-400 nm) के आकार के आधार पर, पृष्ठभूमि शोर सीमा विधि का उपयोग करके देखे गए CL लेहफिलकॉन A नमूने की इंडेंटेशन गहराई लगभग 270 nm है, जो STEM के साथ मापे गए आकार के बहुत करीब है। ये परिणाम इस अत्यंत नरम और अत्यधिक लोचदार शाखित बहुलक ब्रश संरचना के इंडेंटेशन के लिए AFM प्रोब टिप के आकार और आकृति की अनुकूलता और प्रयोज्यता की पुष्टि करते हैं। यह डेटा पृष्ठभूमि शोर को संपर्क बिंदुओं को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए एक सीमा के रूप में उपयोग करने की हमारी विधि का समर्थन करने के लिए मजबूत प्रमाण भी प्रदान करता है। इस प्रकार, गणितीय मॉडलिंग और बल वक्र फिटिंग से प्राप्त कोई भी मात्रात्मक परिणाम अपेक्षाकृत सटीक होना चाहिए।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधियों द्वारा मात्रात्मक मापन पूरी तरह से डेटा चयन और उसके बाद के विश्लेषण के लिए उपयोग किए गए गणितीय मॉडलों पर निर्भर करते हैं। इसलिए, किसी विशेष मॉडल का चयन करने से पहले इंडेंटर के चयन, सामग्री के गुणों और उनकी परस्पर क्रिया की यांत्रिकी से संबंधित सभी कारकों पर विचार करना महत्वपूर्ण है। इस मामले में, एसईएम माइक्रोग्राफ (चित्र 1) का उपयोग करके टिप ज्यामिति का सावधानीपूर्वक विश्लेषण किया गया, और परिणामों के आधार पर, कठोर शंकु और गोलाकार टिप ज्यामिति वाला 140 एनएम व्यास का एएफएम नैनोइंडेंटिंग प्रोब लेहफिलकॉन ए सीएल79 नमूनों के विश्लेषण के लिए एक अच्छा विकल्प है। एक अन्य महत्वपूर्ण कारक जिसका सावधानीपूर्वक मूल्यांकन किया जाना आवश्यक है, वह है परीक्षण की जा रही बहुलक सामग्री की प्रत्यास्थता। यद्यपि नैनोइंडेंटेशन के प्रारंभिक डेटा (चित्र 5ए और 6ए) तनाव और संपीड़न वक्रों के अतिव्यापीकरण की विशेषताओं को स्पष्ट रूप से दर्शाते हैं, अर्थात् सामग्री की पूर्ण प्रत्यास्थ पुनर्प्राप्ति, फिर भी संपर्कों की विशुद्ध प्रत्यास्थ प्रकृति की पुष्टि करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। इस उद्देश्य के लिए, पूर्ण जलयोजन की स्थिति में लेहफिलकॉन ए सीएल नमूने की सतह पर एक ही स्थान पर 1 µm/s की दर से दो बार लगातार दबाव डाला गया। परिणामी बल वक्र डेटा चित्र 7 में दिखाया गया है और, जैसा कि अपेक्षित था, दोनों प्रिंटों के विस्तार और संपीड़न वक्र लगभग समान हैं, जो शाखित बहुलक ब्रश संरचना की उच्च लोच को उजागर करते हैं।
लेहफिलकॉन ए सीएल की सतह पर एक ही स्थान पर दो इंडेंटेशन बल वक्र लेंस की सतह की आदर्श लोच का संकेत देते हैं।
प्रोब टिप और लेहफिलकॉन ए सीएल सतह की क्रमशः एसईएम और एसटीईएम छवियों से प्राप्त जानकारी के आधार पर, शंकु-गोला मॉडल एएफएम प्रोब टिप और परीक्षण किए जा रहे नरम पॉलिमर पदार्थ के बीच की परस्पर क्रिया का एक उचित गणितीय निरूपण है। इसके अतिरिक्त, इस शंकु-गोला मॉडल के लिए, मुद्रित पदार्थ के प्रत्यास्थ गुणों के बारे में मूलभूत मान्यताएँ इस नए जैव-अनुरूप पदार्थ के लिए सत्य हैं और इनका उपयोग प्रत्यास्थ मापांक को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि और इसके घटकों, जिनमें इंडेंटेशन प्रोब के गुणधर्म (आकार, माप और स्प्रिंग कठोरता), संवेदनशीलता (पृष्ठभूमि शोर और संपर्क बिंदु अनुमान) और डेटा फिटिंग मॉडल (मात्रात्मक मापांक मापन) शामिल हैं, का व्यापक मूल्यांकन करने के बाद, इस विधि का उपयोग व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अति-नरम नमूनों के लक्षण वर्णन और मात्रात्मक परिणामों के सत्यापन के लिए किया गया। 1 kPa के प्रत्यास्थ मापांक वाले एक व्यावसायिक पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) हाइड्रोजेल का परीक्षण 140 nm प्रोब का उपयोग करके हाइड्रेटेड स्थितियों में किया गया। मापांक परीक्षण और गणनाओं का विवरण पूरक जानकारी में दिया गया है। परिणामों से पता चला कि मापा गया औसत मापांक 0.92 kPa था, और ज्ञात मापांक से %RSD और प्रतिशत (%) विचलन 10% से कम था। ये परिणाम अति-नरम पदार्थों के मापांक को मापने के लिए इस कार्य में प्रयुक्त एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि की सटीकता और पुनरुत्पादकता की पुष्टि करते हैं। लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों और SiHy बेस सबस्ट्रेट की सतहों का आगे विश्लेषण उसी AFM नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके किया गया ताकि इंडेंटेशन गहराई के फलन के रूप में अतिसूक्ष्म सतह के स्पष्ट संपर्क मापांक का अध्ययन किया जा सके। प्रत्येक प्रकार के तीन नमूनों (n = 3; प्रति नमूना एक इंडेंटेशन) के लिए 300 pN के बल, 1 µm/s की गति और पूर्ण जलयोजन पर इंडेंटेशन बल पृथक्करण वक्र उत्पन्न किए गए। इंडेंटेशन बल साझाकरण वक्र को शंकु-गोला मॉडल का उपयोग करके अनुमानित किया गया। इंडेंटेशन गहराई पर निर्भर मापांक प्राप्त करने के लिए, संपर्क बिंदु से शुरू होकर प्रत्येक 20 nm की वृद्धि पर बल वक्र का 40 nm चौड़ा भाग निर्धारित किया गया, और बल वक्र के प्रत्येक चरण पर मापांक के मान मापे गए। स्पिन साइ एट अल. इसी तरह की विधि का उपयोग कोलाइडल एएफएम प्रोब नैनोइंडेंटेशन द्वारा पॉली(लॉरिल मेथैक्रिलेट) (P12MA) पॉलिमर ब्रश के मापांक प्रवणता को निर्धारित करने के लिए किया गया है, और ये हर्ट्ज़ संपर्क मॉडल का उपयोग करके प्राप्त डेटा के अनुरूप हैं। यह विधि स्पष्ट संपर्क मापांक (kPa) बनाम इंडेंटेशन गहराई (nm) का एक प्लॉट प्रदान करती है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, जो स्पष्ट संपर्क मापांक/गहराई प्रवणता को दर्शाता है। CL लेहफिलकॉन A नमूने का परिकलित प्रत्यास्थ मापांक नमूने के ऊपरी 100 nm के भीतर 2-3 kPa की सीमा में है, जिसके बाद यह गहराई के साथ बढ़ने लगता है। दूसरी ओर, जब सतह पर ब्रश जैसी फिल्म के बिना SiHy आधार सब्सट्रेट का परीक्षण किया जाता है, तो 300 pN के बल पर प्राप्त अधिकतम इंडेंटेशन गहराई 50 nm से कम होती है, और डेटा से प्राप्त मापांक मान लगभग 400 kPa होता है, जो थोक पदार्थों के लिए यंग के मापांक के मानों के तुलनीय है।
लेहफिलकॉन ए सीएल और SiHy सब्सट्रेट के लिए स्पष्ट संपर्क मापांक (kPa) बनाम इंडेंटेशन गहराई (nm) का ग्राफ, जिसमें मापांक को मापने के लिए शंकु-गोला ज्यामिति के साथ एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग किया गया है।
नवीन बायोमिमेटिक शाखित पॉलीमर ब्रश संरचना की सबसे ऊपरी सतह अत्यंत कम प्रत्यास्थता मापांक (2–3 kPa) प्रदर्शित करती है। यह STEM छवि में दर्शाए गए कांटेदार पॉलीमर ब्रश के मुक्त लटकते सिरे से मेल खाती है। यद्यपि CL के बाहरी किनारे पर मापांक प्रवणता के कुछ प्रमाण मिलते हैं, फिर भी मुख्य उच्च मापांक वाला सब्सट्रेट अधिक प्रभावशाली है। हालांकि, सतह का शीर्ष 100 nm भाग शाखित पॉलीमर ब्रश की कुल लंबाई के 20% के भीतर है, इसलिए यह मानना ​​उचित है कि इस इंडेंटेशन गहराई सीमा में मापांक के मापे गए मान अपेक्षाकृत सटीक हैं और नीचे स्थित वस्तु के प्रभाव पर अधिक निर्भर नहीं करते हैं।
लेहफिलकॉन ए कॉन्टैक्ट लेंस की अनूठी बायोमिमेटिक डिज़ाइन के कारण, जिसमें SiHy सबस्ट्रेट्स की सतह पर ग्राफ्टेड शाखित PMPC पॉलीमर ब्रश संरचनाएं होती हैं, पारंपरिक मापन विधियों का उपयोग करके उनकी सतह संरचनाओं के यांत्रिक गुणों का सटीक रूप से निर्धारण करना बहुत मुश्किल है। यहाँ हम लेहफिलकॉन ए जैसी अति-नरम सामग्रियों, जिनमें उच्च जल सामग्री और अत्यधिक उच्च लोच होती है, के सटीक निर्धारण के लिए एक उन्नत AFM नैनोइंडेंटेशन विधि प्रस्तुत करते हैं। यह विधि एक AFM प्रोब के उपयोग पर आधारित है, जिसके टिप का आकार और ज्यामिति अति-नरम सतह विशेषताओं के संरचनात्मक आयामों से मेल खाने के लिए सावधानीपूर्वक चुनी जाती है। प्रोब और संरचना के बीच आयामों का यह संयोजन बढ़ी हुई संवेदनशीलता प्रदान करता है, जिससे हम छिद्र-लोच प्रभावों की परवाह किए बिना, शाखित पॉलीमर ब्रश तत्वों के निम्न मापांक और अंतर्निहित लोचदार गुणों को माप सकते हैं। परिणामों से पता चला कि जलीय वातावरण में परीक्षण किए जाने पर लेंस की सतह की विशेषता वाले अद्वितीय शाखित PMPC पॉलीमर ब्रश में अत्यंत निम्न लोचदार मापांक (2 kPa तक) और बहुत उच्च लोच (लगभग 100%) थी। एएफएम नैनोइंडेंटेशन के परिणामों से हमें बायोमिमेटिक लेंस सतह के स्पष्ट संपर्क मापांक/गहराई प्रवणता (30 kPa/200 nm) का निर्धारण करने में भी सहायता मिली। यह प्रवणता शाखित बहुलक ब्रशों और SiHy सब्सट्रेट के बीच मापांक अंतर, बहुलक ब्रशों की शाखित संरचना/घनत्व, या इन दोनों के संयोजन के कारण हो सकती है। हालांकि, संरचना और गुणों के बीच संबंध, विशेष रूप से यांत्रिक गुणों पर ब्रश शाखाओं के प्रभाव को पूरी तरह से समझने के लिए गहन अध्ययन की आवश्यकता है। इसी प्रकार के मापन अन्य अति-नरम पदार्थों और चिकित्सा उपकरणों की सतह के यांत्रिक गुणों का निर्धारण करने में सहायक हो सकते हैं।
वर्तमान अध्ययन के दौरान उत्पन्न और/या विश्लेषण किए गए डेटासेट उचित अनुरोध पर संबंधित लेखकों से प्राप्त किए जा सकते हैं।
रहमती, एम., सिल्वा, ई.ए., रेसलैंड, जे.ई., हेवर्ड, के. और हौगेन, एच.जे. बायोमैटेरियल्स की सतहों के भौतिक और रासायनिक गुणों के लिए जैविक प्रतिक्रियाएँ। केमिकल सोसाइटी एड. 49, 5178–5224 (2020)।
चेन, एफएम और लियू, एक्स. ऊतक इंजीनियरिंग के लिए मानव-व्युत्पन्न बायोमटेरियल्स में सुधार। प्रोग्रामिंग। पॉलिमर। विज्ञान। 53, 86 (2016)।
सैडलर, के. एट अल. पुनर्योजी चिकित्सा में बायोमटेरियल्स का डिज़ाइन, नैदानिक ​​कार्यान्वयन और प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया। नेशनल मैट रेव. 1, 16040 (2016)।
ओलिवर डब्ल्यूके और फ़ार जीएम लोड और विस्थापन माप के साथ इंडेंटेशन प्रयोगों का उपयोग करके कठोरता और लोचदार मापांक निर्धारित करने के लिए एक बेहतर विधि। जे. अल्मा मेटर. स्टोरेज टैंक. 7, 1564–1583 (2011)।
वॉली, एस.एम. इंडेंटेशन कठोरता परीक्षण की ऐतिहासिक उत्पत्ति। अल्मा मेटर। विज्ञान। प्रौद्योगिकी। 28, 1028–1044 (2012)।
ब्रोइटमैन, ई. मैक्रो-, माइक्रो- और नैनोस्केल पर इंडेंटेशन कठोरता माप: एक महत्वपूर्ण समीक्षा। ट्राइब. राइट. 65, 1–18 (2017)।
कौफमैन, जेडी और क्लैपरिच, एसएम। सतह का पता लगाने में त्रुटियाँ नरम सामग्रियों के नैनोइंडेंटेशन में मापांक के अधिक अनुमान की ओर ले जाती हैं। जे. मेका. बिहेवियर. बायोमेडिकल साइंस. अल्मा मेटर. 2, 312–317 (2009)।
करीमज़ादे ए., कोलूर एस.एस.आर., अयातोल्लाखी एम.आर., बुशरो ए.आर. और याह्या एम.यू. प्रायोगिक और कम्प्यूटेशनल विधियों का उपयोग करके विषम नैनोकम्पोजिट्स की यांत्रिक विशेषताओं को निर्धारित करने के लिए नैनोइंडेंटेशन विधि का मूल्यांकन। विज्ञान। हाउस 9, 15763 (2019)।
लियू, के., वैनलेंडिंगहैम, एम.आर., और ओवार्ट, टी.एस. इंडेंटेशन और अनुकूलन-आधारित व्युत्क्रम परिमित तत्व विश्लेषण द्वारा नरम विस्कोइलास्टिक जैल का यांत्रिक लक्षण वर्णन। जे. मेका. बिहेवियर. बायोमेडिकल साइंस. अल्मा मेटर. 2, 355–363 (2009)।
एंड्रयूज जे.डब्ल्यू., बोवेन जे. और चैनेलर डी. संगत मापन प्रणालियों का उपयोग करके श्यानता निर्धारण का अनुकूलन। सॉफ्ट मैटर 9, 5581–5593 (2013)।
ब्रिस्को, बीजे, फियोरी, एल. और पेलिलो, ई. पॉलीमर सतहों का नैनोइंडेंटेशन। जे. फिजिक्स. डी. एप्लाई फॉर फिजिक्स. 31, 2395 (1998)।
मियलोविच एएस, त्सिन बी., फोर्टुनाटो डी. और वैन व्लिएट केजे. शॉक इंडेंटेशन का उपयोग करके अत्यधिक लोचदार पॉलिमर और जैविक ऊतकों के विस्कोइलास्टिक यांत्रिक गुणों का लक्षण वर्णन। जर्नल ऑफ बायोमटेरियल्स। 71, 388–397 (2018)।
पेरेपेलकिन एनवी, कोवालेव एई, गोर्ब एसएन, बोरोडिच एफएम विस्तारित बोरोडिच-गैलानोव (बीजी) विधि और गहरे इंडेंटेशन का उपयोग करके नरम सामग्रियों के लोचदार मापांक और आसंजन कार्य का मूल्यांकन। फर. अल्मा मेटर. 129, 198–213 (2019)।
शि, एक्स. एट अल. सिलिकॉन हाइड्रोजेल कॉन्टैक्ट लेंस की बायोमिमेटिक पॉलीमेरिक सतहों की नैनोस्केल मॉर्फोलॉजी और यांत्रिक गुण। लैंगमुइर 37, 13961–13967 (2021)।