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चिकित्सा उपकरणों और जैव-चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए नए अति-मृदु पदार्थों के विकास के साथ, उनके भौतिक और यांत्रिक गुणों का व्यापक लक्षण-निर्धारण महत्वपूर्ण और चुनौतीपूर्ण दोनों है। शाखित बहुलक ब्रश संरचनाओं की एक परत से लेपित नए लेफिलकॉन A बायोमिमेटिक सिलिकॉन हाइड्रोजेल कॉन्टैक्ट लेंस के अत्यंत निम्न पृष्ठीय मापांक का लक्षण-निर्धारण करने के लिए एक संशोधित परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (AFM) नैनोइंडेंटेशन तकनीक का उपयोग किया गया। यह विधि शाखित बहुलकों के निकट पहुँचने पर श्यान निष्कासन के प्रभावों के बिना संपर्क बिंदुओं का सटीक निर्धारण संभव बनाती है। इसके अतिरिक्त, यह छिद्र-प्रत्यास्थता के प्रभाव के बिना व्यक्तिगत ब्रश तत्वों के यांत्रिक गुणों का निर्धारण संभव बनाती है। यह एक ऐसे AFM प्रोब का चयन करके प्राप्त किया जाता है जिसका डिज़ाइन (टिप आकार, ज्यामिति और स्प्रिंग दर) विशेष रूप से मृदु पदार्थों और जैविक नमूनों के गुणों के मापन के लिए उपयुक्त हो। यह विधि अत्यंत मृदु पदार्थ लेफिलकॉन A के सटीक मापन के लिए संवेदनशीलता और सटीकता में सुधार करती है, जिसका पृष्ठीय क्षेत्रफल पर प्रत्यास्थता मापांक अत्यंत निम्न (2 kPa तक) और आंतरिक (लगभग 100%) जलीय वातावरण में प्रत्यास्थता अत्यंत उच्च होती है। सतह अध्ययन के परिणामों ने न केवल लेफिलकॉन ए लेंस के अति-नरम सतही गुणों को उजागर किया, बल्कि यह भी दर्शाया कि शाखित बहुलक ब्रशों का मापांक सिलिकॉन-हाइड्रोजन सब्सट्रेट के मापांक के बराबर था। इस सतह अभिलक्षणन तकनीक को अन्य अति-नरम पदार्थों और चिकित्सा उपकरणों पर भी लागू किया जा सकता है।
जीवित ऊतक के सीधे संपर्क के लिए डिज़ाइन किए गए पदार्थों के यांत्रिक गुण अक्सर जैविक वातावरण द्वारा निर्धारित होते हैं। इन भौतिक गुणों का पूर्ण मिलान, प्रतिकूल कोशिकीय प्रतिक्रियाओं1,2,3 को उत्पन्न किए बिना, पदार्थ की वांछित नैदानिक ​​विशेषताओं को प्राप्त करने में मदद करता है। थोक सजातीय पदार्थों के लिए, मानक प्रक्रियाओं और परीक्षण विधियों (जैसे, सूक्ष्म-दंतांकन4,5,6) की उपलब्धता के कारण यांत्रिक गुणों का लक्षण-निर्धारण अपेक्षाकृत आसान है। हालाँकि, जैल, हाइड्रोजेल, बायोपॉलिमर, जीवित कोशिकाओं आदि जैसे अति-नरम पदार्थों के लिए, मापन विभेदन सीमाओं और कुछ पदार्थों की विषमता7 के कारण ये परीक्षण विधियाँ आमतौर पर लागू नहीं होती हैं। वर्षों से, पारंपरिक दंतांकन विधियों को विभिन्न प्रकार के कोमल पदार्थों की विशेषता के लिए संशोधित और अनुकूलित किया गया है, लेकिन कई विधियाँ अभी भी गंभीर कमियों से ग्रस्त हैं जो उनके उपयोग8,9,10,11,12,13 को सीमित करती हैं। अति-नरम पदार्थों और सतह परतों के यांत्रिक गुणों का सटीक और विश्वसनीय रूप से लक्षण-निर्धारण कर सकने वाली विशिष्ट परीक्षण विधियों का अभाव विभिन्न अनुप्रयोगों में उनके उपयोग को गंभीर रूप से सीमित करता है।
हमारे पिछले काम में, हमने लेहफिलकॉन ए (सीएल) कॉन्टैक्ट लेंस, एक नरम विषम पदार्थ पेश किया, जिसमें आंख के कॉर्निया की सतह से प्रेरित संभावित बायोमिमेटिक डिजाइनों से प्राप्त सभी अल्ट्रा-सॉफ्ट सतह गुण हैं। इस बायोमटेरियल को पॉली (2-मेथैक्रिलोइलॉक्सीएथिलफॉस्फोरिलकोलाइन (एमपीसी)) (पीएमपीसी) की एक शाखित, क्रॉस-लिंक्ड पॉलीमर परत को एक सिलिकॉन हाइड्रोजेल (SiHy) 15 पर आधारित चिकित्सा उपकरणों के लिए डिज़ाइन करके विकसित किया गया था। यह ग्राफ्टिंग प्रक्रिया सतह पर एक परत बनाती है जिसमें बहुत नरम और अत्यधिक लोचदार शाखित पॉलीमरिक ब्रश संरचना होती है। हमारे पिछले काम ने पुष्टि की है कि लेहफिलकॉन ए सीएल की बायोमिमेटिक संरचना बेहतर सतह गुण प्रदान करती है जैसे कि इसलिए, इस अति-मुलायम पदार्थ के सतही गुणों को चिह्नित करना और आंख के साथ इसकी यांत्रिक अंतःक्रिया को समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है, ताकि भविष्य के विकास और अनुप्रयोगों के समर्थन हेतु एक व्यापक ज्ञानकोष तैयार किया जा सके। अधिकांश व्यावसायिक रूप से उपलब्ध SiHy कॉन्टैक्ट लेंस हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक पॉलिमर के एक सजातीय मिश्रण से बने होते हैं जो एक समान पदार्थ संरचना बनाते हैं17। पारंपरिक संपीड़न, तन्यता और सूक्ष्म इंडेंटेशन परीक्षण विधियों18,19,20,21 का उपयोग करके उनके यांत्रिक गुणों की जांच के लिए कई अध्ययन किए गए हैं। हालांकि, लेहफिलकॉन A CL का नवीन बायोमिमेटिक डिज़ाइन इसे एक अद्वितीय विषमांगी पदार्थ बनाता है जिसमें शाखित पॉलिमर ब्रश संरचनाओं के यांत्रिक गुण SiHy आधार सब्सट्रेट से काफी भिन्न होते हैं एक आशाजनक विधि परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (एएफएम) में कार्यान्वित नैनोइंडेंटेशन परीक्षण विधि का उपयोग करती है, एक ऐसी विधि जिसका उपयोग जैविक कोशिकाओं और ऊतकों जैसे नरम विस्कोइलास्टिक पदार्थों के यांत्रिक गुणों के निर्धारण के लिए किया गया है, साथ ही नरम पॉलिमर22,23,24,25, 26,27,28,29,30। एएफएम नैनोइंडेंटेशन में, नैनोइंडेंटेशन परीक्षण के मूल सिद्धांतों को एएफएम तकनीक में नवीनतम प्रगति के साथ जोड़ा जाता है ताकि माप संवेदनशीलता में वृद्धि हो और स्वाभाविक रूप से अति-नरम पदार्थों31,32,33,34,35,36 की एक विस्तृत श्रृंखला का परीक्षण किया जा सके। इसके अलावा, यह तकनीक विभिन्न ज्यामिति, इंडेंटर और जांच के उपयोग और विभिन्न तरल माध्यमों में परीक्षण की संभावना के माध्यम से अन्य महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करती है।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन को सशर्त रूप से तीन मुख्य घटकों में विभाजित किया जा सकता है: (1) उपकरण (सेंसर, डिटेक्टर, जांच, आदि); (2) माप पैरामीटर (जैसे बल, विस्थापन, गति, रैंप आकार, आदि); (3) डेटा प्रोसेसिंग (बेसलाइन सुधार, स्पर्श बिंदु अनुमान, डेटा फिटिंग, मॉडलिंग, आदि)। इस पद्धति के साथ एक महत्वपूर्ण समस्या यह है कि एएफएम नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करने वाले साहित्य में कई अध्ययन एक ही नमूना/कोशिका/सामग्री प्रकार37,38,39,40,41 के लिए बहुत अलग मात्रात्मक परिणाम रिपोर्ट करते हैं। उदाहरण के लिए, लेक्का एट अल। यांत्रिक रूप से सजातीय हाइड्रोजेल और विषम कोशिकाओं के नमूनों के मापा यंग के मापांक पर एएफएम जांच ज्यामिति के प्रभाव का अध्ययन और तुलना की गई थी। वे रिपोर्ट करते हैं कि मापांक मूल्य कैंटिलीवर चयन और टिप आकार पर अत्यधिक निर्भर हैं यह दर्शाया गया है कि पॉलीएक्रिलामाइड (PAAM) नमूनों की इंडेंटर गति, इंडेंटर आकार और मोटाई ACM43 नैनोइंडेंटेशन द्वारा मापे गए यंग मापांक को कैसे प्रभावित करते हैं। एक अन्य जटिल कारक मानक अत्यंत निम्न मापांक परीक्षण सामग्री और मुक्त परीक्षण प्रक्रियाओं का अभाव है। इससे सटीक परिणाम प्राप्त करना अत्यंत कठिन हो जाता है। हालाँकि, यह विधि समान प्रकार के नमूनों के बीच सापेक्ष मापन और तुलनात्मक मूल्यांकन के लिए बहुत उपयोगी है, उदाहरण के लिए, सामान्य कोशिकाओं को कैंसर कोशिकाओं से अलग करने के लिए AFM नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करना 44, 45।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन के साथ नरम पदार्थों का परीक्षण करते समय, एक सामान्य नियम यह है कि कम स्प्रिंग स्थिरांक (k) वाली एक जांच का उपयोग करें जो नमूने के मापांक से निकटता से मेल खाती हो और जिसका सिरा अर्धगोलाकार/गोल हो ताकि पहली जांच नरम पदार्थों के साथ पहले संपर्क में नमूने की सतहों को न भेदे। यह भी महत्वपूर्ण है कि जांच द्वारा उत्पन्न विक्षेपण संकेत इतना प्रबल हो कि उसे लेज़र डिटेक्टर सिस्टम24,34,46,47 द्वारा पता लगाया जा सके। अति-नरम विषमांगी कोशिकाओं, ऊतकों और जैल के मामले में, एक और चुनौती जांच और नमूने की सतह के बीच आसंजक बल पर काबू पाना है ताकि पुनरुत्पादनीय और विश्वसनीय मापन48,49,50 सुनिश्चित हो सके। हाल तक, एएफएम नैनोइंडेंटेशन पर अधिकांश कार्य अपेक्षाकृत बड़े गोलाकार जांचों, जिन्हें आमतौर पर कोलाइडल जांच (सीपी) कहा जाता है, का उपयोग करके जैविक कोशिकाओं, ऊतकों, जैल, हाइड्रोजेल और जैवअणुओं 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 आमतौर पर बोरोसिलिकेट ग्लास, पॉलीमेथाइल मेथैक्रिलेट (PMMA), पॉलीस्टाइनिन (PS), सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO2) और डायमंड-जैसे कार्बन (DLC) से बने होते हैं। हालांकि CP-AFM नैनोइंडेंटेशन अक्सर नरम नमूने के लक्षण वर्णन के लिए पहली पसंद है, लेकिन इसकी अपनी समस्याएं और सीमाएँ हैं। बड़े, माइक्रोन आकार के गोलाकार युक्तियों के उपयोग से नमूने के साथ टिप का कुल संपर्क क्षेत्र बढ़ जाता है और इसके परिणामस्वरूप स्थानिक रिज़ॉल्यूशन का एक महत्वपूर्ण नुकसान होता है। नरम, अमानवीय नमूनों के लिए, जहां स्थानीय तत्वों के यांत्रिक गुण व्यापक क्षेत्र में औसत से काफी भिन्न हो सकते हैं, CP इंडेंटेशन स्थानीय स्तर पर गुणों में किसी भी असमानता को छिपा सकता है निर्माण प्रक्रिया स्वयं कई समस्याओं से भरी होती है और प्रोब अंशांकन प्रक्रिया में विसंगतियों का कारण बन सकती है। इसके अतिरिक्त, कोलाइडल कणों का आकार और द्रव्यमान कैंटिलीवर के मुख्य अंशांकन मापदंडों, जैसे अनुनाद आवृत्ति, स्प्रिंग कठोरता और विक्षेपण संवेदनशीलता56,57,58 को सीधे प्रभावित करते हैं। इस प्रकार, पारंपरिक AFM प्रोब के लिए सामान्यतः प्रयुक्त विधियाँ, जैसे तापमान अंशांकन, CP 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 CP इंडेंटेशन प्रयोगों में मृदु नमूनों के गुणों का अध्ययन करने के लिए बड़े विचलन वाले कैंटिलीवर का उपयोग किया जाता है, जो अपेक्षाकृत बड़े विचलनों62,63,64 पर कैंटिलीवर के अरैखिक व्यवहार का अंशांकन करते समय एक और समस्या उत्पन्न करता है। आधुनिक कोलाइडल प्रोब इंडेंटेशन विधियाँ आमतौर पर प्रोब के अंशांकन के लिए प्रयुक्त कैंटिलीवर की ज्यामिति को ध्यान में रखती हैं, लेकिन कोलाइडल कणों के प्रभाव को अनदेखा करती हैं, जिससे विधि की सटीकता में अतिरिक्त अनिश्चितता38,61 उत्पन्न होती है। इसी प्रकार, संपर्क मॉडल फिटिंग द्वारा परिकलित प्रत्यास्थ 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 किए गए कुछ हालिया शोध में, सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके सॉफ्ट पॉलीमर ब्रशों की विशेषताएँ निर्धारित करते समय ध्यान में रखे जाने वाले कारकों पर प्रकाश डाला गया है। उन्होंने बताया कि पॉलीमर ब्रशों में गति के फलन के रूप में एक श्यान द्रव के बने रहने से हेड लोडिंग में वृद्धि होती है और इसलिए गति पर निर्भर गुणों के मापन भिन्न होते हैं30,69,70,71।
इस अध्ययन में, हमने एक संशोधित AFM नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके अति-नरम, अत्यधिक प्रत्यास्थ पदार्थ लेफिलकॉन A CL के पृष्ठीय मापांक का अभिलक्षणन किया है। इस पदार्थ के गुणों और नई संरचना को देखते हुए, पारंपरिक इंडेंटेशन विधि की संवेदनशीलता सीमा इस अत्यंत कोमल पदार्थ के मापांक को अभिलक्षणित करने के लिए स्पष्ट रूप से अपर्याप्त है, इसलिए उच्च संवेदनशीलता और निम्न संवेदनशीलता स्तर वाली AFM नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करना आवश्यक है। मौजूदा कोलाइडल AFM प्रोब नैनोइंडेंटेशन तकनीकों की कमियों और समस्याओं की समीक्षा करने के बाद, हम बताते हैं कि संवेदनशीलता, पृष्ठभूमि शोर को दूर करने, संपर्क बिंदु को सटीक रूप से निर्धारित करने, द्रव प्रतिधारण निर्भरता जैसे कोमल विषमांगी पदार्थों के वेग मापांक को मापने और सटीक मात्रा का ठहराव करने के लिए हमने एक छोटे, विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए AFM प्रोब को क्यों चुना। इसके अलावा, हम इंडेंटेशन टिप के आकार और आयामों को सटीक रूप से मापने में सक्षम थे, जिससे हमें पदार्थ 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 परिमाणन किया गया है, वे हैं पूर्ण प्रत्यास्थ पदार्थ गुण और इंडेंटेशन गहराई-स्वतंत्र मापांक। इस विधि का उपयोग करते हुए, हमने विधि का परिमाणन करने के लिए पहले एक ज्ञात मापांक वाले अल्ट्रा-सॉफ्ट मानकों का परीक्षण किया, और फिर इस विधि का उपयोग दो भिन्न कॉन्टैक्ट लेंस सामग्रियों की सतहों के अभिलक्षणन के लिए किया। बढ़ी हुई संवेदनशीलता के साथ AFM नैनोइंडेंटेशन सतहों के अभिलक्षणन की यह विधि बायोमिमेटिक विषमांगी अल्ट्रासॉफ्ट सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू होने की उम्मीद है, जिसका चिकित्सा उपकरणों और जैव-चिकित्सा अनुप्रयोगों में संभावित उपयोग हो सकता है।
लेहफिलकॉन ए कॉन्टैक्ट लेंस (एलकॉन, फोर्ट वर्थ, टेक्सास, यूएसए) और उनके सिलिकॉन हाइड्रोजेल सबस्ट्रेट्स को नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों के लिए चुना गया था। प्रयोग में विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए लेंस माउंट का इस्तेमाल किया गया था। परीक्षण के लिए लेंस को स्थापित करने के लिए, इसे सावधानीपूर्वक गुंबद के आकार के स्टैंड पर रखा गया था, यह सुनिश्चित करते हुए कि कोई हवा के बुलबुले अंदर न जाएं, और फिर किनारों के साथ तय किया गया। लेंस धारक के शीर्ष पर स्थिरता में एक छेद तरल को जगह में रखते हुए नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों के लिए लेंस के ऑप्टिकल केंद्र तक पहुंच प्रदान करता है। यह लेंस को पूरी तरह से हाइड्रेटेड रखता है। कॉन्टैक्ट लेंस पैकेजिंग समाधान के 500 μl को एक परीक्षण समाधान के रूप में इस्तेमाल किया गया था। मात्रात्मक परिणामों को सत्यापित करने के लिए एएफएम हाइड्रोजेल-जांच इंटरफेस पर फॉस्फेट बफर सलाइन (कॉर्निंग लाइफ साइंसेज, टेवेक्सबरी, एमए, यूएसए से पीबीएस) की 4-5 बूंदें (लगभग 125 µl) और OPTI-FREE प्योरमॉइस्ट कॉन्टैक्ट लेंस सॉल्यूशन (एल्कोन, वॉड, TX, यूएसए) की 1 बूंद का उपयोग करें।
लेहफिलकॉन ए सीएल और सिहाइ सबस्ट्रेट्स के नमूनों को एक स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एसटीईएम) डिटेक्टर से लैस एक एफईआई क्वांटा 250 फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एफईजी एसईएम) सिस्टम का उपयोग करके देखा गया था। नमूने तैयार करने के लिए, लेंस को पहले पानी से धोया गया और पाई के आकार के वेजेज में काट दिया गया। नमूनों के हाइड्रोफिलिक और हाइड्रोफोबिक घटकों के बीच एक विभेदक कंट्रास्ट प्राप्त करने के लिए, RuO4 के 0.10% स्थिरीकृत घोल को डाई के रूप में इस्तेमाल किया गया था, जिसमें नमूने 30 मिनट के लिए डूबे हुए थे। लेहफिलकॉन ए सीएल RuO4 अभिरंजन न केवल बेहतर विभेदक कंट्रास्ट प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है, बल्कि शाखित बहुलक ब्रशों की संरचना को उनके मूल रूप में संरक्षित करने में भी मदद करता है इसके बाद नमूनों को EMBed 812/Araldite इपॉक्सी में ढाला गया, जिसे 70°C पर रात भर सुखाया गया। रेज़िन पोलीमराइज़ेशन द्वारा प्राप्त नमूना ब्लॉकों को एक अल्ट्रामाइक्रोटोम से काटा गया और परिणामी पतले खंडों को 30 kV के त्वरित वोल्टेज पर कम वैक्यूम मोड में एक STEM डिटेक्टर के साथ देखा गया। PFQNM-LC-A-CAL AFM जांच (ब्रूकर नैनो, सांता बारबरा, CA, USA) के विस्तृत लक्षण वर्णन के लिए उसी SEM सिस्टम का उपयोग किया गया था। AFM जांच की SEM छवियां 30 kV के त्वरित वोल्टेज के साथ एक विशिष्ट उच्च वैक्यूम मोड में प्राप्त की गई थीं। AFM जांच टिप के आकार और माप के सभी विवरणों को रिकॉर्ड करने के लिए विभिन्न कोणों और आवर्धन पर छवियां प्राप्त करें।
"पीकफोर्स क्यूएनएम इन फ्लूइड" मोड वाले एक डायमेंशन फास्टस्कैन बायो आइकॉन एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोप (ब्रूकर नैनो, सांता बारबरा, कैलिफ़ोर्निया, यूएसए) का उपयोग लेफिलकॉन ए सीएल, सिहाइ सब्सट्रेट और पीएएएम हाइड्रोजेल नमूनों को देखने और नैनोइंडेंटेट करने के लिए किया गया था। इमेजिंग प्रयोगों के लिए, 0.50 हर्ट्ज़ की स्कैन दर पर नमूने के उच्च रिज़ॉल्यूशन वाले चित्र लेने के लिए 1 एनएम की नाममात्र टिप त्रिज्या वाले एक पीकफोर्स-एचआईआरएस-एफए प्रोब (ब्रूकर) का उपयोग किया गया था। सभी चित्र जलीय घोल में लिए गए थे।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन प्रयोग पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच (ब्रूकर) का उपयोग करके किए गए थे। एएफएम जांच में 45 किलोहर्ट्ज की अनुनाद आवृत्ति के साथ 345 एनएम मोटी, 54 माइक्रोन लंबी और 4.5 माइक्रोन चौड़ी नाइट्राइड कैंटिलीवर पर एक सिलिकॉन टिप है। यह विशेष रूप से नरम जैविक नमूनों पर मात्रात्मक नैनोमैकेनिकल माप को चिह्नित करने और निष्पादित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। सेंसर को फैक्ट्री में प्री-कैलिब्रेटेड स्प्रिंग सेटिंग्स के साथ व्यक्तिगत रूप से कैलिब्रेट किया जाता है। इस अध्ययन में उपयोग किए गए जांच के वसंत स्थिरांक 0.05-0.1 एन/एम की सीमा में थे। टिप के आकार और माप को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए, जांच को एसईएम का उपयोग करके विस्तार से चिह्नित किया गया था। चित्रा 1 ए चित्र 1b जांच टिप के शीर्ष का एक बड़ा दृश्य दिखाता है, जो टिप के आकार और माप के बारे में जानकारी प्रदान करता है। चरम छोर पर, सुई लगभग 140 एनएम व्यास का एक गोलार्ध है (चित्र 1c)। इसके नीचे, टिप एक शंक्वाकार आकार में पतली हो जाती है, जो लगभग 500 एनएम की मापी गई लंबाई तक पहुँचती है। पतले क्षेत्र के बाहर, टिप बेलनाकार है और 1.18 µm की कुल टिप लंबाई में समाप्त होती है। यह जांच टिप का मुख्य कार्यात्मक हिस्सा है। इसके अलावा, एक बड़े गोलाकार पॉलीस्टाइरीन (PS) जांच (नोवास्कैन टेक्नोलॉजीज, इंक., बून, आयोवा, यूएसए) का उपयोग 45 µm के टिप व्यास और 2 N/m के स्प्रिंग स्थिरांक के साथ भी कोलाइडल जांच के रूप में परीक्षण के लिए किया गया था।
यह बताया गया है कि नैनो इंडेंटेशन के दौरान एएफएम जांच और पॉलिमर ब्रश संरचना के बीच तरल फंस सकता है, जो वास्तव में सतह को छूने से पहले एएफएम जांच पर ऊपर की ओर बल लगाएगा69। द्रव प्रतिधारण के कारण यह चिपचिपा एक्सट्रूज़न प्रभाव संपर्क के स्पष्ट बिंदु को बदल सकता है, जिससे सतह मापांक माप प्रभावित होता है। द्रव प्रतिधारण पर जांच ज्यामिति और इंडेंटेशन गति के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए, 1 µm/s और 2 µm/s की निरंतर विस्थापन दरों पर 140 एनएम व्यास जांच का उपयोग करके लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों के लिए इंडेंटेशन बल वक्र प्लॉट किए गए थे। जांच व्यास 45 µm, निश्चित बल सेटिंग 6 nN 1 µm/s पर प्राप्त किया गया। दबाव 72. 1 kPa दबाव वाले PAA हाइड्रोजेल के नरम तैयार नमूनों को 140 nm व्यास वाले जांच का उपयोग करके 1 μm/s की गति से 50 pN के इंडेंटेशन बल के लिए परीक्षण किया गया।
चूंकि PFQNM-LC-A-CAL जांच की नोक के शंक्वाकार भाग की लंबाई लगभग 500 एनएम है, किसी भी इंडेंटेशन गहराई < 500 एनएम के लिए यह सुरक्षित रूप से माना जा सकता है कि इंडेंटेशन के दौरान जांच की ज्यामिति इसके शंकु आकार के लिए सही रहेगी। इसके अलावा, यह माना जाता है कि परीक्षण के तहत सामग्री की सतह एक प्रतिवर्ती लोचदार प्रतिक्रिया प्रदर्शित करेगी, जिसे निम्नलिखित अनुभागों में भी पुष्टि की जाएगी। इसलिए, टिप के आकार और साइज के आधार पर, हमने ब्रिस्को, सेबेस्टियन और एडम्स द्वारा विकसित शंकु-गोला फिटिंग मॉडल को चुना, जो विक्रेता के सॉफ्टवेयर में उपलब्ध है, हमारे एएफएम नैनोइंडेंटेशन प्रयोगों (नैनोस्कोप) को प्रोसेस करने के लिए। पृथक्करण डेटा विश्लेषण सॉफ्टवेयर, ब्रुकर) 73. मॉडल एक गोलाकार शीर्ष दोष वाले शंकु के लिए बल-विस्थापन संबंध F(δ) का वर्णन करता है। चित्र 2 एक गोलाकार नोक के साथ एक दृढ़ शंकु की अन्योन्यक्रिया के दौरान संपर्क ज्यामिति को दर्शाता है, जहाँ R गोलाकार नोक की त्रिज्या है, a संपर्क त्रिज्या है, b गोलाकार नोक के अंत में संपर्क त्रिज्या है, δ संपर्क त्रिज्या है। इंडेंटेशन गहराई है, θ शंकु का अर्ध-कोण है। इस जांच की SEM छवि स्पष्ट रूप से दिखाती है कि 140 एनएम व्यास वाला गोलाकार सिरा एक शंकु में स्पर्शरेखा से विलीन हो जाता है, इसलिए यहाँ b को केवल R के माध्यम से परिभाषित किया गया है, अर्थात b = R cos θ। विक्रेता द्वारा आपूर्ति किया गया सॉफ़्टवेयर a > b मानकर बल पृथक्करण डेटा से यंग के मापांक (E) मानों की गणना करने के लिए एक शंकु-गोला संबंध प्रदान करता है। संबंध:
जहाँ F अवतलन बल है, E यंग मापांक है, ν पॉइसन अनुपात है। संपर्क त्रिज्या a का अनुमान निम्न प्रकार लगाया जा सकता है:
एक गोलाकार नोक वाले कठोर शंकु के संपर्क ज्यामिति की योजना, जिसे शाखित बहुलक ब्रशों की सतह परत के साथ लेफिलकॉन संपर्क लेंस की सामग्री में दबाया गया है।
यदि a ≤ b, तो संबंध एक पारंपरिक गोलाकार इंडेंटर के लिए समीकरण तक कम हो जाता है;
हमारा मानना ​​है कि इंडेंटिंग प्रोब की PMPC पॉलीमर ब्रश की शाखित संरचना के साथ अन्योन्यक्रिया के कारण संपर्क त्रिज्या a, गोलाकार संपर्क त्रिज्या b से अधिक होगी। इसलिए, इस अध्ययन में प्रत्यास्थता मापांक के सभी मात्रात्मक मापों के लिए, हमने a > b स्थिति के लिए प्राप्त निर्भरता का उपयोग किया।
इस अध्ययन में अध्ययन की गई अल्ट्रासॉफ्ट बायोमिमेटिक सामग्रियों को नमूने के क्रॉस सेक्शन की स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (STEM) और सतह की परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) का उपयोग करके व्यापक रूप से चित्रित किया गया था। 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 ने मूल कॉर्नियल ऊतक 14 के समान यांत्रिक गुणों का प्रदर्शन किया। इस कारण से, हम कॉन्टैक्ट लेंस सतहों को बायोमिमेटिक सामग्री 14 के रूप में संदर्भित करते हैं। चित्र 3a,b में क्रमशः लेहफिलकॉन A CL सब्सट्रेट और एक अनुपचारित SiHy सब्सट्रेट की सतह पर शाखित PMPC बहुलक ब्रश संरचनाओं के क्रॉस सेक्शन दिखाए गए हैं। दोनों नमूनों की सतहों को उच्च-रिज़ॉल्यूशन AFM छवियों का उपयोग करके आगे विश्लेषण किया गया कुल मिलाकर, ये चित्र 300-400 नैनोमीटर पर PMPC शाखित बहुलक ब्रश संरचना की अनुमानित लंबाई दर्शाते हैं, जो AFM नैनोइंडेंटेशन मापों की व्याख्या के लिए महत्वपूर्ण है। चित्रों से प्राप्त एक अन्य महत्वपूर्ण अवलोकन यह है कि CL बायोमिमेटिक पदार्थ की समग्र सतह संरचना SiHy सब्सट्रेट पदार्थ से रूपात्मक रूप से भिन्न है। उनकी सतही आकृति विज्ञान में यह अंतर इंडेंटिंग AFM प्रोब के साथ उनकी यांत्रिक अंतःक्रिया के दौरान और उसके बाद मापे गए मापांक मानों में स्पष्ट हो सकता है।
(a) लेफिलकॉन A CL और (b) SiHy सब्सट्रेट के अनुप्रस्थ काट STEM चित्र। स्केल बार, 500 nm। लेफिलकॉन A CL सब्सट्रेट (c) और बेस SiHy सब्सट्रेट (d) (3 µm × 3 µm) की सतह के AFM चित्र।
जैवप्रेरित पॉलिमर और पॉलिमर ब्रश संरचनाएँ स्वाभाविक रूप से नरम होती हैं और इनका व्यापक रूप से अध्ययन और विभिन्न जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में उपयोग किया गया है74,75,76,77। इसलिए, एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करना महत्वपूर्ण है, जो उनके यांत्रिक गुणों को सटीक और विश्वसनीय रूप से माप सकता है। लेकिन साथ ही, इन अति-नरम सामग्रियों के अनूठे गुण, जैसे अत्यंत कम लोचदार मापांक, उच्च द्रव सामग्री और उच्च लोच, अक्सर इंडेंटिंग जांच की सही सामग्री, आकार और आकार को चुनना मुश्किल बना देते हैं। यह महत्वपूर्ण है ताकि इंडेंटर नमूने की नरम सतह को न भेदे, जिससे सतह के संपर्क बिंदु और संपर्क क्षेत्र का निर्धारण करने में त्रुटियाँ हो सकती हैं।
इसके लिए, अति-नरम बायोमिमेटिक सामग्रियों (लेफिलकॉन 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 का आधार प्रदान करती है। माइक्रोन आकार के गोलाकार कोलाइडल जांच के बजाय, हमने 140 एनएम के टिप व्यास के साथ पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल सिलिकॉन नाइट्राइड जांच (ब्रूकर) को चुना, जो 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 जांच की तुलना में अपेक्षाकृत तेज जांच का उपयोग करने का औचित्य सामग्री की संरचनात्मक विशेषताओं द्वारा समझाया जा सकता है। चित्र 3a में दर्शाए गए CL लेफिलकॉन A की सतह पर स्थित 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 उनमें छेद करने की संभावना कम हो जाती है। इस बिंदु को स्पष्ट करने के लिए, चित्र 4 में लेफिलकॉन A CL और AFM प्रोब के इंडेंटिंग टिप (पैमाने पर खींची गई) की एक STEM छवि दी गई है।
लेफिलकॉन ए सीएल और एक एसीएम इंडेंटेशन जांच (पैमाने पर खींचा गया) की STEM छवि को दर्शाने वाला योजनाबद्ध।
इसके अलावा, 140 एनएम का टिप आकार सीपी-एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि69,71 द्वारा उत्पादित पॉलिमर ब्रश के लिए पहले बताए गए किसी भी चिपचिपे एक्सट्रूज़न प्रभाव के जोखिम से बचने के लिए काफी छोटा है। हम मानते हैं कि इस एएफएम टिप (चित्र 1) के विशेष शंकु-गोलाकार आकार और अपेक्षाकृत छोटे आकार के कारण, लेहफिलकॉन ए सीएल नैनोइंडेंटेशन द्वारा उत्पन्न बल वक्र की प्रकृति इंडेंटेशन गति या लोडिंग/अनलोडिंग गति पर निर्भर नहीं करेगी। इसलिए, यह पोरोइलास्टिक प्रभावों से प्रभावित नहीं होता है। इस परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए, लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों को पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच का उपयोग करके एक निश्चित अधिकतम बल पर इंडेंट किया गया था यह स्पष्ट है कि लोडिंग और अनलोडिंग के दौरान बल वक्र पूरी तरह से ओवरलैप होते हैं, और इस बात का कोई स्पष्ट प्रमाण नहीं है कि चित्र में शून्य इंडेंटेशन गहराई पर बल अपरूपण इंडेंटेशन गति के साथ बढ़ता है, जो दर्शाता है कि अलग-अलग ब्रश तत्वों को पोरोइलास्टिक प्रभाव के बिना चिह्नित किया गया था। इसके विपरीत, समान इंडेंटेशन गति पर 45 µm व्यास वाले AFM प्रोब के लिए द्रव प्रतिधारण प्रभाव (चिपचिपा एक्सट्रूज़न और पोरोइलास्टिकिटी प्रभाव) स्पष्ट हैं और खिंचाव और प्रत्यावर्तन वक्रों के बीच हिस्टैरिसिस द्वारा उजागर होते हैं, जैसा कि चित्र 5b में दिखाया गया है। ये परिणाम परिकल्पना का समर्थन करते हैं और सुझाव देते हैं कि 140 nm व्यास वाले प्रोब ऐसी कोमल सतहों के लक्षण वर्णन के लिए एक अच्छा विकल्प हैं।
लेहफिलकॉन एसीएम का उपयोग करते हुए सीएल इंडेंटेशन बल वक्र; (ए) दो लोडिंग दरों पर 140 एनएम के व्यास के साथ एक जांच का उपयोग करना, सतह इंडेंटेशन के दौरान पोरोइलास्टिक प्रभाव की अनुपस्थिति का प्रदर्शन करना; (बी) 45 माइक्रोन और 140 एनएम के व्यास वाले जांच का उपयोग करना। छोटे जांच की तुलना में बड़ी जांच के लिए चिपचिपा एक्सट्रूज़न और पोरोइलास्टिसिटी के प्रभाव दिखाते हैं।
अल्ट्रासॉफ्ट सतहों को चिह्नित करने के लिए, एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधियों में अध्ययन के तहत सामग्री के गुणों का अध्ययन करने के लिए सबसे अच्छी जांच होनी चाहिए। टिप के आकार और आकार के अलावा, एएफएम डिटेक्टर सिस्टम की संवेदनशीलता, परीक्षण वातावरण में टिप विक्षेपण के प्रति संवेदनशीलता और कैंटिलीवर कठोरता नैनोइंडेंटेशन माप की सटीकता और विश्वसनीयता निर्धारित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। हमारे एएफएम सिस्टम के लिए, स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर (पीएसडी) का पता लगाने की सीमा लगभग 0.5 एमवी है और यह पूर्व-कैलिब्रेटेड वसंत दर और पीएफक्यूएनएम-एलसी-ए-सीएएल जांच की गणना की गई द्रव विक्षेपण संवेदनशीलता पर आधारित है, जो सैद्धांतिक लोड संवेदनशीलता से मेल खाती है। 0.1 पीएन से कम है। इसलिए, यह विधि किसी भी परिधीय शोर घटक के बिना न्यूनतम इंडेंटेशन बल ≤ 0.1 पीएन की माप की अनुमति देती है ये कारक AFM नैनोइंडेंटेशन विधि की समग्र संवेदनशीलता को सीमित करते हैं और इसके परिणामस्वरूप लगभग ≤ 10 pN का पृष्ठभूमि शोर संकेत भी होता है। सतह के लक्षण वर्णन के लिए, लेहफिलकॉन A CL और SiHy सब्सट्रेट के नमूनों को SEM लक्षण वर्णन के लिए 140 nm जांच का उपयोग करके पूरी तरह से हाइड्रेटेड स्थितियों में इंडेंट किया गया था, और परिणामी बल वक्रों को बल (pN) और दबाव के बीच आरोपित किया गया था। पृथक्करण प्लॉट (µm) चित्र 6a में दिखाया गया है। SiHy बेस सब्सट्रेट की तुलना में, लेहफिलकॉन A CL बल वक्र स्पष्ट रूप से एक संक्रमणकालीन चरण दिखाता है जो कांटेदार पॉलिमर ब्रश के संपर्क बिंदु से शुरू होता है और अंतर्निहित सामग्री के साथ टिप के संपर्क को चिह्नित करने वाले ढलान में तेज बदलाव के साथ समाप्त होता है। बल वक्र का यह संक्रमणकालीन हिस्सा सतह पर शाखित पॉलिमर ब्रश के पीसीएस (चित्र 3a) की STEM छवि में एक शाखित बहुलक ब्रश की औसत लंबाई और चित्र 3a.6a में भुज के साथ उसके बल वक्र का पृथक्करण दर्शाता है कि यह विधि सतह के बिल्कुल ऊपर तक पहुँचने वाले सिरे और शाखित बहुलक का पता लगाने में सक्षम है। ब्रश संरचनाओं के बीच संपर्क। इसके अतिरिक्त, बल वक्रों का निकट अतिव्यापन किसी द्रव प्रतिधारण प्रभाव का संकेत नहीं देता है। इस स्थिति में, सुई और नमूने की सतह के बीच बिल्कुल भी आसंजन नहीं होता है। दोनों नमूनों के बल वक्रों के सबसे ऊपरी भाग अतिव्यापन करते हैं, जो सब्सट्रेट पदार्थों के यांत्रिक गुणों की समानता को दर्शाता है।
(ए) लेफिलकॉन ए सीएल सब्सट्रेट्स और एसआईएचवाई सब्सट्रेट्स के लिए एएफएम नैनोइंडेंटेशन बल वक्र, (बी) पृष्ठभूमि शोर थ्रेशोल्ड विधि का उपयोग करके संपर्क बिंदु अनुमान दिखाने वाले बल वक्र।
बल वक्र के सूक्ष्म विवरणों का अध्ययन करने के लिए, चित्र 6b में लेफिलकॉन A CL नमूने के तनाव वक्र को y-अक्ष के अनुदिश 50 pN के अधिकतम बल के साथ पुनः अंकित किया गया है। यह ग्राफ़ मूल पृष्ठभूमि शोर के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है। शोर ±10 pN की सीमा में है, जिसका उपयोग संपर्क बिंदु का सटीक निर्धारण करने और इंडेंटेशन गहराई की गणना करने के लिए किया जाता है। जैसा कि साहित्य में बताया गया है, मापांक85 जैसे पदार्थ गुणों का सटीक आकलन करने के लिए संपर्क बिंदुओं की पहचान महत्वपूर्ण है। बल वक्र डेटा के स्वचालित प्रसंस्करण से संबंधित एक दृष्टिकोण ने नरम पदार्थों86 के लिए डेटा फिटिंग और मात्रात्मक मापों के बीच बेहतर तालमेल दिखाया है। इस कार्य में, संपर्क बिंदुओं का हमारा चयन अपेक्षाकृत सरल और वस्तुनिष्ठ है, लेकिन इसकी अपनी सीमाएँ हैं। संपर्क बिंदु निर्धारित करने के हमारे रूढ़िवादी दृष्टिकोण के परिणामस्वरूप छोटी इंडेंटेशन गहराई (<100 nm) के लिए मापांक मानों का थोड़ा अधिक अनुमान लगाया जा सकता है। एल्गोरिथम-आधारित टचपॉइंट डिटेक्शन और स्वचालित डेटा प्रोसेसिंग का उपयोग भविष्य में हमारी पद्धति को और बेहतर बनाने के लिए इस कार्य का एक निरंतर चरण हो सकता है। इस प्रकार, ±10 pN के क्रम पर आंतरिक पृष्ठभूमि शोर के लिए, हम संपर्क बिंदु को ≥10 pN के मान के साथ चित्रा 6b में x-अक्ष पर पहले डेटा बिंदु के रूप में परिभाषित करते हैं। फिर, 10 pN के शोर सीमा के अनुसार, ~0.27 µm के स्तर पर एक ऊर्ध्वाधर रेखा सतह के साथ संपर्क के बिंदु को चिह्नित करती है, जिसके बाद स्ट्रेचिंग वक्र तब तक जारी रहता है जब तक कि सब्सट्रेट ~270 nm की इंडेंटेशन गहराई को पूरा नहीं कर लेता। दिलचस्प बात यह है कि इमेजिंग विधि का उपयोग करके मापी गई शाखित पॉलीमर ब्रश विशेषताओं (300-400 nm) के आकार के आधार पर, पृष्ठभूमि शोर सीमा विधि का उपयोग करके देखी गई CL लेफिलकॉन A नमूने की इंडेंटेशन गहराई लगभग 270 nm है, जो STEM के साथ माप आकार के बहुत करीब है। यह डेटा संपर्क बिंदुओं को सटीक रूप से निर्धारित करने के लिए पृष्ठभूमि शोर को एक सीमा के रूप में उपयोग करने की हमारी पद्धति का समर्थन करने के लिए भी ठोस प्रमाण 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 जाने वाले गणितीय मॉडल पर निर्भर करते हैं। इसलिए, किसी विशेष मॉडल को चुनने से पहले इंडेंटर के चुनाव, पदार्थ के गुणों और उनकी परस्पर क्रिया की यांत्रिकी से संबंधित सभी कारकों पर विचार करना महत्वपूर्ण है। इस मामले में, SEM माइक्रोग्राफ (चित्र 1) का उपयोग करके टिप ज्यामिति का सावधानीपूर्वक वर्णन किया गया था, और परिणामों के आधार पर, एक कठोर शंकु और गोलाकार टिप ज्यामिति वाला 140 एनएम व्यास वाला एएफएम नैनोइंडेंटिंग प्रोब लेफिलकॉन A CL79 नमूनों के वर्णन के लिए एक अच्छा विकल्प है। एक अन्य महत्वपूर्ण कारक जिसका सावधानीपूर्वक मूल्यांकन किया जाना आवश्यक है, वह है परीक्षण किए जा रहे बहुलक पदार्थ की लोच। यद्यपि नैनोइंडेंटेशन (चित्र 5a और 6a) के प्रारंभिक डेटा तनाव और संपीड़न वक्रों के अतिव्यापीकरण की विशेषताओं, अर्थात् पदार्थ की पूर्ण लोचदार पुनर्प्राप्ति, को स्पष्ट रूप से रेखांकित करते हैं, संपर्कों की विशुद्ध रूप से लोचदार प्रकृति की पुष्टि करना अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसके लिए, लेफिलकॉन A CL नमूने की सतह पर एक ही स्थान पर पूर्ण जलयोजन स्थितियों में 1 µm/s की दर से दो क्रमिक इंडेंटेशन किए गए। 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।
लेफिलकॉन ए सीएल की सतह पर एक ही स्थान पर दो इंडेंटेशन बल वक्र लेंस सतह की आदर्श लोच को इंगित करते हैं।
प्रोब टिप और लेफिलकॉन A CL सतह की क्रमशः SEM और STEM छवियों से प्राप्त जानकारी के आधार पर, शंकु-गोलाकार मॉडल, AFM प्रोब टिप और परीक्षण किए जा रहे नरम बहुलक पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया का एक उचित गणितीय निरूपण है। इसके अतिरिक्त, इस शंकु-गोलाकार मॉडल के लिए, अंकित पदार्थ के प्रत्यास्थ गुणों के बारे में मूलभूत मान्यताएँ इस नए बायोमिमेटिक पदार्थ के लिए भी सत्य हैं और प्रत्यास्थता मापांक को मापने के लिए इनका उपयोग किया जाता है।
एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि और इसके घटकों के व्यापक मूल्यांकन के बाद, इंडेंटेशन जांच गुणों (आकार, आकार और वसंत कठोरता), संवेदनशीलता (पृष्ठभूमि शोर और संपर्क बिंदु अनुमान) और डेटा फिटिंग मॉडल (मात्रात्मक मापांक माप) सहित, विधि का उपयोग किया गया था। मात्रात्मक परिणामों को सत्यापित करने के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध अल्ट्रा-सॉफ्ट नमूनों को चिह्नित करें। 1 केपीए के लोचदार मापांक के साथ एक वाणिज्यिक पॉलीएक्रिलामाइड (पीएएएम) हाइड्रोजेल का परीक्षण 140 एनएम जांच का उपयोग करके हाइड्रेटेड स्थितियों के तहत किया गया था। मॉड्यूल परीक्षण और गणना का विवरण पूरक सूचना में प्रदान किया गया है। परिणामों से पता चला कि मापा गया औसत मापांक 0.92 केपीए था, और ज्ञात मापांक से% आरएसडी और प्रतिशत (%) विचलन 10% से कम था। लेहफिलकॉन ए सीएल नमूनों और SiHy बेस सब्सट्रेट की सतहों को उसी एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करके आगे चिह्नित किया गया था ताकि इंडेंटेशन गहराई के एक फंक्शन के रूप में अल्ट्रासॉफ्ट सतह के स्पष्ट संपर्क मापांक का अध्ययन किया जा सके। 300 पीएन के बल, 1 माइक्रोन/सेकेंड की गति और पूर्ण जलयोजन पर प्रत्येक प्रकार के तीन नमूनों (n = 3; प्रति नमूना एक इंडेंटेशन) के लिए इंडेंटेशन बल पृथक्करण वक्र उत्पन्न किए गए थे। शंकु-गोला मॉडल का उपयोग करके इंडेंटेशन बल साझाकरण वक्र का अनुमान लगाया गया था। इंडेंटेशन गहराई पर निर्भर मापांक प्राप्त करने के लिए, संपर्क बिंदु से शुरू होने वाले 20 एनएम की प्रत्येक वृद्धि पर बल वक्र का 40 एनएम चौड़ा भाग सेट किया गया था कोलाइडल एएफएम जांच नैनोइंडेंटेशन का उपयोग करके पॉली (लॉरिल मेथैक्रिलेट) (पी 12 एमए) पॉलिमर ब्रश के मापांक ढाल को चिह्नित करने के लिए एक समान दृष्टिकोण का उपयोग किया गया है, और वे हर्ट्ज संपर्क मॉडल का उपयोग करने वाले डेटा के अनुरूप हैं। यह दृष्टिकोण स्पष्ट संपर्क मापांक (केपीए) बनाम इंडेंटेशन गहराई (एनएम) का एक प्लॉट प्रदान करता है, जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है, जो स्पष्ट संपर्क मापांक / गहराई ढाल को दर्शाता है। सीएल लेफिलकॉन ए नमूने का गणना किया गया लोचदार मापांक नमूने के ऊपरी 100 एनएम के भीतर 2-3 केपीए की सीमा में है, जिसके आगे यह गहराई के साथ बढ़ना शुरू हो जाता है। दूसरी ओर, सतह पर ब्रश जैसी फिल्म के बिना SiHy बेस सब्सट्रेट का परीक्षण करते समय
मापांक को मापने के लिए शंकु-गोलाकार ज्यामिति के साथ एएफएम नैनोइंडेंटेशन विधि का उपयोग करते हुए लेफिलकॉन ए सीएल और सिहाइ सबस्ट्रेट्स के लिए स्पष्ट संपर्क मापांक (केपीए) बनाम इंडेंटेशन गहराई (एनएम)।
नवीन बायोमिमेटिक शाखित बहुलक ब्रश संरचना की सबसे ऊपरी सतह अत्यंत कम प्रत्यास्थता मापांक (2–3 kPa) प्रदर्शित करती है। यह STEM छवि में दिखाए गए द्विभाजित बहुलक ब्रश के मुक्त लटके सिरे से मेल खाएगा। हालाँकि CL के बाहरी किनारे पर मापांक प्रवणता के कुछ प्रमाण हैं, मुख्य उच्च मापांक वाला सब्सट्रेट अधिक प्रभावशाली है। हालाँकि, सतह का शीर्ष 100 nm, शाखित बहुलक ब्रश की कुल लंबाई के 20% के भीतर है, इसलिए यह मान लेना उचित है कि इस इंडेंटेशन गहराई सीमा में मापांक के मापे गए मान अपेक्षाकृत सटीक हैं और नीचे की वस्तु के प्रभाव पर बहुत अधिक निर्भर नहीं करते हैं।
लेफिलकॉन A कॉन्टैक्ट लेंस के अद्वितीय बायोमिमेटिक डिज़ाइन के कारण, जिसमें SiHy सब्सट्रेट की सतह पर प्रत्यारोपित शाखित PMPC पॉलीमर ब्रश संरचनाएँ शामिल हैं, पारंपरिक मापन विधियों का उपयोग करके उनकी सतही संरचनाओं के यांत्रिक गुणों का विश्वसनीय रूप से वर्णन करना बहुत कठिन है। यहाँ हम उच्च जल मात्रा और अत्यधिक उच्च प्रत्यास्थता वाले लेफिलकॉन A जैसे अति-कोमल पदार्थों का सटीक रूप से वर्णन करने के लिए एक उन्नत AFM नैनोइंडेंटेशन विधि प्रस्तुत करते हैं। यह विधि एक AFM प्रोब के उपयोग पर आधारित है, जिसके सिरे का आकार और ज्यामिति, अंकित की जाने वाली अति-कोमल 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 पोरोइलास्टिक प्रभावों की परवाह किए बिना, शाखित पॉलीमर ब्रश तत्वों के निम्न मापांक और अंतर्निहित प्रत्यास्थ गुणों को माप सकते हैं। परिणामों से पता चला कि लेंस की सतह की विशेषता वाले अद्वितीय शाखित PMPC पॉलीमर ब्रशों का जलीय वातावरण में परीक्षण करने पर अत्यंत निम्न प्रत्यास्थता मापांक (2 kPa तक) और अत्यधिक प्रत्यास्थता (लगभग 100%) थी। एएफएम नैनोइंडेंटेशन के परिणामों ने हमें बायोमिमेटिक लेंस सतह के स्पष्ट संपर्क मापांक/गहराई प्रवणता (30 kPa/200 nm) का अभिलक्षणन करने में भी सक्षम बनाया। यह प्रवणता शाखित पॉलीमर ब्रशों और SiHy सब्सट्रेट के बीच मापांक अंतर, या पॉलीमर ब्रशों की शाखित संरचना/घनत्व, या इनके संयोजन के कारण हो सकती है। हालाँकि, संरचना और गुणों के बीच संबंध को पूरी तरह से समझने के लिए, विशेष रूप से यांत्रिक गुणों पर ब्रश शाखाओं के प्रभाव को समझने के लिए, और अधिक गहन अध्ययन की आवश्यकता है। इसी तरह के मापन अन्य अति-नरम पदार्थों और चिकित्सा उपकरणों की सतह के यांत्रिक गुणों को अभिलक्षणित करने में मदद कर सकते हैं।
वर्तमान अध्ययन के दौरान तैयार और/या विश्लेषित डेटासेट उचित अनुरोध पर संबंधित लेखकों से उपलब्ध हैं।
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