Mèsi paske ou te vizite Nature.com. W ap itilize yon vèsyon navigatè ki gen sipò CSS limite. Pou pi bon eksperyans lan, nou rekòmande pou ou itilize yon navigatè ki ajou (oswa dezaktive Mòd Konpatibilite nan Internet Explorer). Anplis de sa, pou asire sipò kontinyèl, nou montre sit la san estil ak JavaScript.
Montre yon karousel twa diapozitiv alafwa. Sèvi ak bouton Presedan ak Pwochen yo pou deplase nan twa diapozitiv alafwa, oubyen sèvi ak bouton kurseur yo nan fen an pou deplase nan twa diapozitiv alafwa.
Avèk devlopman nouvo materyèl ultra-mou pou aparèy medikal ak aplikasyon byomedikal, karakterizasyon konplè pwopriyete fizik ak mekanik yo enpòtan e li difisil alafwa. Yo te aplike yon teknik nanoindentasyon mikwoskòp fòs atomik modifye (AFM) pou karakterize modil sifas ki ba anpil nan nouvo lantiy kontak idrojel silikon byomimetik lehfilcon A ki kouvri ak yon kouch estrikti bwòs polymère branche. Metòd sa a pèmèt detèminasyon presi pwen kontak san efè èkstruzyon viskoz lè w ap pwoche polymère branche. Anplis de sa, li pèmèt detèmine karakteristik mekanik eleman bwòs endividyèl yo san efè poroelastisite. Sa a reyalize lè yo chwazi yon sond AFM ak yon konsepsyon (gwosè pwent, jeyometri ak vitès prentan) ki patikilyèman apwopriye pou mezire pwopriyete materyèl mou ak echantiyon byolojik. Metòd sa a amelyore sansiblite ak presizyon pou mezi egzak materyèl trè mou lehfilcon A a, ki gen yon modil elastisite ki ba anpil sou sifas la (jiska 2 kPa) ak yon elastisite ki wo anpil nan anviwònman akeuz entèn lan (prèske 100%). Rezilta etid sifas la pa sèlman revele pwopriyete sifas ultra-mou lantiy lehfilcon A a, men yo te montre tou ke modil bwòs polymère branche yo te konparab ak sa ki nan substrat silikon-idwojèn nan. Teknik karakterizasyon sifas sa a ka aplike nan lòt materyèl ultra-mou ak aparèy medikal.
Pwopriyete mekanik materyèl ki fèt pou kontak dirèk ak tisi vivan yo souvan detèmine pa anviwònman byolojik la. Korespondans pafè pwopriyete materyèl sa yo ede reyalize karakteristik klinik materyèl la vle san yo pa lakòz repons selilè negatif1,2,3. Pou materyèl omojèn an gwo, karakterizasyon pwopriyete mekanik yo relativman fasil akòz disponiblite pwosedi estanda ak metòd tès (pa egzanp, mikwoindentasyon4,5,6). Sepandan, pou materyèl ultra-mou tankou jèl, idrojèl, byopolimè, selil vivan, elatriye, metòd tès sa yo jeneralman pa aplikab akòz limitasyon rezolisyon mezi ak inomojènite kèk materyèl7. Pandan ane yo, metòd endentasyon tradisyonèl yo te modifye ak adapte pou karakterize yon pakèt materyèl mou, men anpil metòd toujou soufri de gwo enpèfeksyon ki limite itilizasyon yo8,9,10,11,12,13. Mank metòd tès espesyalize ki ka karakterize pwopriyete mekanik materyèl super mou ak kouch sifas yo avèk presizyon ak fyab limite itilizasyon yo anpil nan divès aplikasyon.
Nan travay anvan nou an, nou te prezante lantiy kontak lehfilcon A (CL) la, yon materyèl mou etewojèn ak tout pwopriyete sifas ultra-mou ki sòti nan desen potansyèlman byomimetik enspire pa sifas kornè je a. Yo te devlope byomimetik sa a lè yo te grefe yon kouch polimè branche, kwaze, ki fèt ak poli(2-metakriloyloksietilfosforilkolin (MPC)) (PMPC) sou yon silikon idrojel (SiHy) 15 ki fèt pou aparèy medikal ki baze sou. Pwosesis grefaj sa a kreye yon kouch sou sifas la ki gen ladan yon estrikti bwòs polimerik branche ki trè mou ak trè elastik. Travay anvan nou an te konfime ke estrikti byomimetik lehfilcon A CL la bay pwopriyete sifas siperyè tankou pi bon prevansyon mouyaj ak salte, ogmantasyon lubrifyan, ak rediksyon adezyon selilè ak bakteri15,16. Anplis de sa, itilizasyon ak devlopman materyèl byomimetik sa a sijere tou plis ekspansyon nan lòt aparèy byomedikal. Se poutèt sa, li enpòtan pou karakterize pwopriyete sifas materyèl ultra-mou sa a epi konprann entèraksyon mekanik li ak je a pou kapab kreye yon baz konesans konplè pou sipòte devlopman ak aplikasyon nan lavni. Pifò lantiy kontak SiHy ki disponib nan komès yo konpoze de yon melanj omojèn de polimè idrofil ak idrofob ki fòme yon estrikti materyèl inifòm17. Plizyè etid te fèt pou envestige pwopriyete mekanik yo lè l sèvi avèk metòd tradisyonèl tès konpresyon, tansyon ak mikwoindentasyon18,19,20,21. Sepandan, nouvo konsepsyon byomimetik lehfilcon A CL la fè li yon materyèl inik etewojèn kote pwopriyete mekanik estrikti bwòs polimè branche yo diferan anpil de sa yo ki nan substrat baz SiHy la. Se poutèt sa, li trè difisil pou mezire pwopriyete sa yo avèk presizyon lè l sèvi avèk metòd konvansyonèl ak endentasyon. Yon metòd pwomèt itilize metòd tès nanoindentasyon ki aplike nan mikwoskòp fòs atomik (AFM), yon metòd ki te itilize pou detèmine pwopriyete mekanik materyèl viskoelastik mou tankou selil ak tisi byolojik, osi byen ke polimè mou22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Nan nanoindentasyon AFM, fondamantal tès nanoindentasyon yo konbine avèk dènye avansman nan teknoloji AFM pou bay plis sansiblite mezi ak tès sou yon pakèt materyèl natirèlman super mou31,32,33,34,35,36. Anplis de sa, teknoloji a ofri lòt avantaj enpòtan atravè itilizasyon diferan jeyometri, andantè ak sond epi posiblite pou fè tès nan divès medya likid.
Nanoindentasyon AFM ka divize an twa eleman prensipal: (1) ekipman (detèktè, sond, elatriye); (2) paramèt mezi (tankou fòs, deplasman, vitès, gwosè ranp, elatriye); (3) Tretman done (koreksyon debaz, estimasyon pwen kontak, ajisteman done, modèl, elatriye). Yon pwoblèm enpòtan ak metòd sa a se ke plizyè etid nan literati a ki itilize nanoindentasyon AFM rapòte rezilta kantitatif trè diferan pou menm kalite echantiyon/selil/materyèl37,38,39,40,41. Pa egzanp, Lekka et al. Yo te etidye epi konpare enfliyans jeyometri sond AFM sou modil Young ki mezire nan echantiyon idwojèl omojèn mekanikman ak selil etewojèn. Yo rapòte ke valè modil yo depann anpil de seleksyon cantilever ak fòm pwent, ak valè ki pi wo a pou yon sond ki gen fòm piramid ak valè ki pi ba a 42 pou yon sond esferik. Menm jan an tou, Selhuber-Unkel et al. Yo montre kijan vitès andantè a, gwosè andantè a ak epesè echantiyon poliakrilamid (PAAM) yo afekte modil Young ki mezire pa nanoindentasyon ACM43 la. Yon lòt faktè ki konplike sitiyasyon an se mank materyèl tès estanda ki gen modil ki ba anpil ak pwosedi tès gratis. Sa fè li trè difisil pou jwenn rezilta egzat avèk konfyans. Sepandan, metòd la trè itil pou mezi relatif ak evalyasyon konparatif ant kalite echantiyon ki sanble, pa egzanp lè w itilize nanoindentasyon AFM pou distenge selil nòmal yo ak selil kansè yo 44, 45.
Lè w ap teste materyèl mou ak nanoindentasyon AFM, yon règ jeneral se sèvi ak yon sond ki gen yon konstan elastik (k) ki ba ki koresponn byen ak modil echantiyon an epi ki gen yon pwent emisferik/won pou premye sond lan pa pèse sifas echantiyon yo lè li fè premye kontak ak materyèl mou yo. Li enpòtan tou pou siyal defleksyon sond lan pwodui a ase fò pou sistèm detektè lazè a ka detekte l24,34,46,47. Nan ka selil, tisi ak jèl etewojèn ultra-mou, yon lòt defi se simonte fòs adezif ki genyen ant sond lan ak sifas echantiyon an pou asire mezi reproduktib ak fyab48,49,50. Jis dènyèman, pifò travay sou nanoindentasyon AFM te konsantre sou etid konpòtman mekanik selil byolojik, tisi, jèl, idrojèl, ak byomolekil lè l sèvi avèk sond esferik relativman gwo, ke yo rele souvan sond koloidal (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Pwent sa yo gen yon reyon 1 a 50 µm epi yo souvan fèt ak vè borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirèn (PS), diyoksid Silisyòm (SiO2) ak kabòn ki sanble ak dyaman (DLC). Malgre ke nanoindentasyon CP-AFM souvan premye chwa pou karakterizasyon echantiyon mou, li gen pwòp pwoblèm ak limitasyon li yo. Itilizasyon gwo pwent esferik gwosè mikron ogmante sifas kontak total pwent lan ak echantiyon an epi sa lakòz yon pèt siyifikatif nan rezolisyon espasyal. Pou echantiyon mou, ki pa omojèn, kote pwopriyete mekanik eleman lokal yo ka diferan anpil de mwayèn sou yon zòn ki pi laj, endentasyon CP ka kache nenpòt ki pa omojèn nan pwopriyete sou yon echèl lokal52. Sond koloidal yo tipikman fèt lè yo tache esfè koloidal gwosè mikron sou cantilever san pwent lè l sèvi avèk adezif epoksi. Pwosesis fabrikasyon an li menm chaje ak anpil pwoblèm epi li ka mennen nan enkonsistans nan pwosesis kalibrasyon sond lan. Anplis de sa, gwosè ak mas patikil koloidal yo afekte dirèkteman paramèt kalibrasyon prensipal cantilever la, tankou frekans rezonans, rèd prentan, ak sansiblite defleksyon56,57,58. Kidonk, metòd yo itilize souvan pou sond AFM konvansyonèl yo, tankou kalibrasyon tanperati, ka pa bay yon kalibrasyon egzat pou CP, epi lòt metòd ka nesesè pou fè koreksyon sa yo57, 59, 60, 61. Eksperyans endantasyon CP tipik yo itilize cantilever gwo devyasyon pou etidye pwopriyete echantiyon mou yo, sa ki kreye yon lòt pwoblèm lè w ap kalibre konpòtman non-lineyè cantilever la nan devyasyon relativman gwo62,63,64. Metòd endantasyon sond koloidal modèn yo anjeneral pran an kont jeyometri cantilever ki itilize pou kalibre sond lan, men yo inyore enfliyans patikil koloidal yo, sa ki kreye plis ensètitid nan presizyon metòd la38,61. Menm jan an tou, modil elastik yo kalkile pa ajisteman modèl kontak yo depann dirèkteman de jeyometri sond endantasyon an, epi move matche ant karakteristik pwent ak sifas echantiyon an ka mennen nan enpresizyon27, 65, 66, 67, 68. Gen kèk travay resan pa Spencer et al. ki mete aksan sou faktè ki ta dwe pran an kont lè y ap karakterize bwòs polimè mou lè l sèvi avèk metòd nanoindentasyon CP-AFM lan. Yo rapòte ke retansyon yon likid gluan nan bwòs polimè kòm yon fonksyon vitès lakòz yon ogmantasyon nan chaj tèt la e pakonsekan diferan mezi pwopriyete ki depann de vitès30,69,70,71.
Nan etid sa a, nou karakterize modil sifas materyèl ultra-mou trè elastik lehfilcon A CL la lè l sèvi avèk yon metòd nanoindentasyon AFM modifye. Etandone pwopriyete ak nouvo estrikti materyèl sa a, seri sansiblite metòd endentasyon tradisyonèl la klèman ensifizan pou karakterize modil materyèl trè mou sa a, kidonk li nesesè pou itilize yon metòd nanoindentasyon AFM ki gen pi gwo sansiblite ak pi ba nivo sansiblite. Apre nou fin revize enpèfeksyon ak pwoblèm teknik nanoindentasyon sond AFM koloidal ki deja egziste yo, nou montre poukisa nou te chwazi yon sond AFM ki pi piti, ki fèt espesyalman pou elimine sansiblite, bri background, lokalize pwen kontak, mezire modil vitès materyèl mou etewojèn tankou depandans retansyon likid ak kantifikasyon egzat. Anplis de sa, nou te kapab mezire avèk presizyon fòm ak dimansyon pwent endentasyon an, sa ki pèmèt nou itilize modèl anfòm kòn-esfè a pou detèmine modil elastisite a san evalye zòn kontak pwent lan ak materyèl la. De sipozisyon implicite ki kantifye nan travay sa a se pwopriyete materyèl totalman elastik la ak modil endepandan pwofondè endentasyon an. Avèk metòd sa a, nou te premye teste estanda ultra-mou ak yon modil li te ye pou mezire metòd la, epi answit nou te itilize metòd sa a pou karakterize sifas de materyèl lantiy kontak diferan. Metòd sa a pou karakterize sifas nanoindentasyon AFM ak sansiblite ogmante espere aplikab a yon pakèt materyèl ultra-mou etewojèn byomimetik ak itilizasyon potansyèl nan aparèy medikal ak aplikasyon byomedikal.
Yo te chwazi lantiy kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, Etazini) ak substrats idrojel silikon yo pou eksperyans nanoindentasyon yo. Yo te itilize yon montur lantiy ki te fèt espesyalman nan eksperyans lan. Pou enstale lantiy la pou tès la, yo te mete l ak anpil atansyon sou sipò ki gen fòm yon dòm, asire w ke pa gen okenn bul lè ki antre anndan, epi answit fikse l ak bor yo. Yon twou nan aparèy ki anlè sipò lantiy la bay aksè nan sant optik lantiy la pou eksperyans nanoindentasyon yo pandan y ap kenbe likid la an plas. Sa kenbe lantiy yo byen idrate. Yo te itilize 500 μl solisyon anbalaj lantiy kontak kòm yon solisyon tès. Pou verifye rezilta kantitatif yo, yo te prepare idrojel poliakrilamid ki pa aktive (PAAM) ki disponib nan komès apati yon konpozisyon poliakrilamid-ko-metilèn-bisakrilamid (100 mm Petrisoft Petri bokal, Matrigen, Irvine, CA, Etazini), yon modil elastik li te ye nan 1 kPa. Sèvi ak 4-5 gout (apeprè 125 µl) solisyon saline tampon fosfat (PBS ki soti nan Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) ak 1 gout solisyon lantiy kontak OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA). ) nan koòdone idrojel AFM-sond lan.
Yo te vizyalize echantiyon substrats Lehfilcon A CL ak SiHy yo lè l sèvi avèk yon sistèm FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) ekipe ak yon detektè Scanning Transmission Electron Microscope (STEM). Pou prepare echantiyon yo, yo te premye lave lantiy yo ak dlo epi yo te koupe yo an tranch ki gen fòm tat. Pou reyalize yon kontras diferansyèl ant konpozan idrofil ak idrofob echantiyon yo, yo te itilize yon solisyon estabilize 0.10% RuO4 kòm yon lank, kote yo te plonje echantiyon yo pandan 30 minit. Kolorasyon lehfilcon A CL RuO4 la enpòtan non sèlman pou reyalize yon pi bon kontras diferansyèl, men tou pou ede prezève estrikti bwòs polymère branche yo nan fòm orijinal yo, ki Lè sa a, vizib sou imaj STEM yo. Apre sa, yo te lave yo epi dezidrate yo nan yon seri melanj etanòl/dlo ak yon konsantrasyon etanòl k ap ogmante. Apre sa, yo te koule echantiyon yo ak epoksi EMBed 812/Araldite, ki te geri lannwit lan a 70°C. Yo te koupe blòk echantiyon yo te jwenn pa polimerizasyon résine ak yon ultramikrotom, epi yo te vizyalize seksyon mens yo ak yon detektè STEM nan mòd vakyòm ki ba ak yon vòltaj akselerasyon 30 kV. Yo te itilize menm sistèm SEM nan pou karakterizasyon detaye sond AFM PFQNM-LC-A-CAL la (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA). Yo te jwenn imaj SEM sond AFM lan nan yon mòd vakyòm wo tipik ak yon vòltaj akselerasyon 30 kV. Pran imaj nan diferan ang ak agrandisman pou anrejistre tout detay sou fòm ak gwosè pwent sond AFM lan. Yo te mezire tout dimansyon pwent ki enteresan nan imaj yo dijitalman.
Yo te itilize yon mikwoskòp fòs atomik Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) ak mòd "PeakForce QNM in Fluid" pou vizyalize ak nanoindente echantiyon lehfilcon A CL, substrat SiHy, ak idrojel PAAm. Pou eksperyans imaj yo, yo te itilize yon sond PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) ak yon reyon pwent nominal 1 nm pou kaptire imaj echantiyon an ki gen gwo rezolisyon nan yon vitès eskanè 0.50 Hz. Yo te pran tout imaj yo nan solisyon akeuz.
Eksperyans nanoindentasyon AFM yo te fèt lè l sèvi avèk yon sond PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Sond AFM lan gen yon pwent silikon sou yon cantilever nitrid ki gen 345 nm epesè, 54 µm longè ak 4.5 µm lajè ak yon frekans rezonans 45 kHz. Li fèt espesyalman pou karakterize epi fè mezi nanomekanik kantitatif sou echantiyon byolojik mou. Detèktè yo kalibre endividyèlman nan faktori a ak paramèt resò pre-kalibre. Konstan resò sond yo itilize nan etid sa a te nan seri 0.05–0.1 N/m. Pou detèmine avèk presizyon fòm ak gwosè pwent lan, yo te karakterize sond lan an detay lè l sèvi avèk SEM. Nan figi 1a montre yon mikwografi elektwonik optik wo rezolisyon, ba agrandisman nan sond PFQNM-LC-A-CAL la, bay yon vi holistic sou konsepsyon sond lan. Nan figi 1b montre yon vi agrandi nan tèt pwent sond lan, bay enfòmasyon sou fòm ak gwosè pwent lan. Nan bout zegwi a, li gen yon emisfè anviwon 140 nm an dyamèt (Fig. 1c). Anba sa, pwent lan vin pi etwat nan yon fòm konik, li rive nan yon longè mezire apeprè 500 nm. Deyò rejyon ki vin etwat la, pwent lan silendrik epi li fini nan yon longè total de 1.18 µm. Sa a se pati fonksyonèl prensipal pwent sond lan. Anplis de sa, yo te itilize tou yon gwo sond esferik an polistirèn (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) ak yon dyamèt pwent 45 µm ak yon konstan elastik 2 N/m pou fè tès la kòm yon sond koloidal. Yo te itilize yon sond PFQNM-LC-A-CAL 140 nm pou konparezon.
Yo rapòte ke likid ka rete bloke ant sond AFM lan ak estrikti bwòs polymère a pandan nanoindentasyon, sa ki pral egzèse yon fòs anlè sou sond AFM lan anvan li touche sifas la tout bon vre69. Efè èkstruzyon viskoz sa a akòz retansyon likid ka chanje pwen kontak aparan an, kidonk afekte mezi modil sifas yo. Pou etidye efè jeyometri sond lan ak vitès endantasyon sou retansyon likid, yo te trase koub fòs endantasyon pou echantiyon lehfilcon A CL lè l sèvi avèk yon sond ki gen yon dyamèt 140 nm nan vitès deplasman konstan 1 µm/s ak 2 µm/s. Dyamèt sond lan te 45 µm, ak yon fòs fiks 6 nN ki te rive nan 1 µm/s. Eksperyans yo te fèt ak yon sond ki gen yon dyamèt 140 nm nan yon vitès endantasyon 1 µm/s ak yon fòs fiks 300 pN, chwazi pou kreye yon presyon kontak nan limit fizyolojik (1-8 kPa) nan palpebral anwo a. presyon 72. Echantiyon mou pare pou itilize nan idwojel PAA ak yon presyon 1 kPa te teste pou yon fòs endantasyon 50 pN nan yon vitès 1 μm/s lè l sèvi avèk yon sond ki gen yon dyamèt 140 nm.
Piske longè pati konik pwent sond PFQNM-LC-A-CAL la se apeprè 500 nm, pou nenpòt pwofondè endantasyon < 500 nm, nou ka sipoze san danje ke jeyometri sond lan pandan endantasyon an ap rete fidèl ak fòm kòn li. Anplis de sa, nou sipoze ke sifas materyèl ki anba tès la ap montre yon repons elastik revèsib, ki pral konfime tou nan seksyon ki vin apre yo. Se poutèt sa, selon fòm ak gwosè pwent lan, nou te chwazi modèl ajisteman kòn-esfè Briscoe, Sebastian ak Adams te devlope a, ki disponib nan lojisyèl vandè a, pou trete eksperyans nanoindentasyon AFM nou yo (NanoScope). Lojisyèl analiz done separasyon, Bruker) 73. Modèl la dekri relasyon fòs-deplasman F(δ) pou yon kòn ki gen yon domaj apèks esferik. Sou fig. Figi 2 montre jeyometri kontak la pandan entèraksyon yon kòn rijid ak yon pwent esferik, kote R se reyon pwent esferik la, a se reyon kontak la, b se reyon kontak la nan bout pwent esferik la, δ se pwofondè endantasyon an, θ se demi-ang kòn lan. Imaj SEM sond sa a montre klèman ke pwent esferik 140 nm dyamèt la rantre tanjansyèlman nan yon kòn, kidonk isit la b defini sèlman atravè R, sa vle di b = R cos θ. Lojisyèl vandè a bay yon relasyon kòn-esfè pou kalkile valè modil Young (E) yo apati done separasyon fòs yo sipoze a > b. Relasyon:
kote F se fòs endantasyon an, E se modil Young lan, ν se rapò Poisson an. Nou ka estime reyon kontak a a lè l sèvi avèk:
Schema jeyometri kontak yon kòn rijid ak yon pwent esferik ki boure nan materyèl yon lantiy kontak Lefilcon ak yon kouch sifas bwòs polymère branche.
Si a ≤ b, relasyon an redwi a ekwasyon pou yon endantè esferik konvansyonèl;
Nou kwè ke entèraksyon sond endantasyon an ak estrikti branche bwòs polymère PMPC a pral lakòz reyon kontak a a pi gran pase reyon kontak esferik b a. Se poutèt sa, pou tout mezi kantitatif modil elastik ki fèt nan etid sa a, nou te itilize depandans ki te jwenn pou ka a > b la.
Materyèl byomimetik ultra mou yo ki te etidye nan etid sa a te pran imaj konplè lè l sèvi avèk mikwoskòp elektwonik transmisyon optik (STEM) nan seksyon kwa echantiyon an ak mikwoskòp fòs atomik (AFM) nan sifas la. Karakterizasyon sifas detaye sa a te fèt kòm yon ekstansyon nan travay nou te pibliye deja, kote nou te detèmine ke estrikti bwòs polimerik branche dinamik sifas lehfilcon A CL modifye ak PMPC a te montre pwopriyete mekanik menm jan ak tisi kornin natif natal la 14. Pou rezon sa a, nou refere a sifas lantiy kontak kòm materyèl byomimetik 14. Nan fig. 3a,b montre seksyon kwa estrikti bwòs polimerik PMPC branche sou sifas yon substrat lehfilcon A CL ak yon substrat SiHy ki pa trete, respektivman. Sifas tou de echantiyon yo te analize plis lè l sèvi avèk imaj AFM wo rezolisyon, ki te konfime rezilta analiz STEM lan (Fig. 3c, d). Lè nou pran imaj sa yo ansanm, yo bay yon longè apwoksimatif estrikti bwòs polimerik branche PMPC a nan 300-400 nm, ki enpòtan pou entèprete mezi nanoindentasyon AFM yo. Yon lòt obsèvasyon enpòtan ki sòti nan imaj yo se ke estrikti sifas jeneral materyèl byomimetik CL la diferan mòfolojikman ak materyèl substrat SiHy la. Diferans sa a nan mòfoloji sifas yo ka vin aparan pandan entèraksyon mekanik yo ak sond AFM ki anfonse a epi apre sa nan valè modil yo mezire yo.
Imaj STEM kwa-seksyonèl (a) lehfilcon A CL ak (b) substrat SiHy. Ba echèl, 500 nm. Imaj AFM sifas substrat lehfilcon A CL (c) ak substrat SiHy baz la (d) (3 µm × 3 µm).
Polymè byoenspire yo ak estrikti bwòs polymè yo mou natirèlman e yo te lajman etidye epi itilize nan divès aplikasyon byomedikal74,75,76,77. Se poutèt sa, li enpòtan pou itilize metòd nanoindentasyon AFM lan, ki ka mezire pwopriyete mekanik yo avèk presizyon ak fyab. Men, an menm tan, pwopriyete inik materyèl ultra-mou sa yo, tankou modil elastik ki ba anpil, kontni likid ki wo ak elastisite ki wo, souvan fè li difisil pou chwazi bon materyèl, fòm ak gwosè sond endantasyon an. Sa a enpòtan pou endantè a pa pèse sifas mou echantiyon an, sa ki ta mennen nan erè nan detèminasyon pwen kontak ak sifas la ak zòn kontak la.
Pou sa, yon konpreyansyon konplè sou mòfoloji materyèl byomimetik ultra-mou yo (lehfilcon A CL) esansyèl. Enfòmasyon sou gwosè ak estrikti bwòs polymère branche yo jwenn lè l sèvi avèk metòd imaj la bay baz pou karakterizasyon mekanik sifas la lè l sèvi avèk teknik nanoindentasyon AFM. Olye de sond koloidal esferik gwosè mikwon, nou te chwazi sond nitrid silikon PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) ak yon dyamèt pwent 140 nm, ki fèt espesyalman pou katografi kantitatif pwopriyete mekanik echantiyon byolojik 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Rezon ki fè yo itilize sond relativman byen file konpare ak sond koloidal konvansyonèl yo ka eksplike pa karakteristik estriktirèl materyèl la. Lè nou konpare gwosè pwent sond lan (~140 nm) ak bwòs polymère branche yo sou sifas CL lehfilcon A, jan yo montre nan Fig. 3a, nou ka konkli ke pwent lan gwo ase pou l antre an kontak dirèk ak estrikti bwòs sa yo, sa ki diminye chans pou pwent lan pèse yo. Pou ilistre pwen sa a, nan Fig. 4 se yon imaj STEM lehfilcon A CL la ak pwent endantasyon sond AFM lan (desine a echèl).
Schema ki montre imaj STEM lehfilcon A CL ak yon sond endantasyon ACM (desine a echèl).
Anplis de sa, gwosè pwent 140 nm nan piti ase pou evite risk nenpòt nan efè èkstruzyon kolan yo te rapòte deja pou bwòs polymère ki pwodui pa metòd nanoindentasyon CP-AFM lan69,71. Nou sipoze ke akòz fòm espesyal kon-esferik la ak gwosè relativman piti pwent AFM sa a (Fig. 1), nati koub fòs ki pwodui pa nanoindentasyon lehfilcon A CL la pap depann de vitès endentasyon an oswa vitès chajman/dechajman an. Se poutèt sa, li pa afekte pa efè poroelastik yo. Pou teste ipotèz sa a, echantiyon lehfilcon A CL yo te endante nan yon fòs maksimòm fiks lè l sèvi avèk yon sond PFQNM-LC-A-CAL, men nan de vitès diferan, epi koub fòs tansyon ak retraksyon ki te kapab rezilta yo te itilize pou trase fòs la (nN) nan separasyon (µm) jan yo montre nan Figi 5a. Li klè ke koub fòs yo pandan chajman ak dechajman sipèpoze nèt, epi pa gen okenn prèv klè ke fòs tayisman an nan pwofondè endantasyon zewo ogmante ak vitès endantasyon nan figi a, sa ki sijere ke eleman bwòs endividyèl yo te karakterize san yon efè poroelastik. Okontrè, efè retansyon likid (ekstrizyon viskoz ak efè poroelastik) yo evidan pou sond AFM 45 µm dyamèt la nan menm vitès endantasyon an epi yo mete aksan sou yo pa isterèz ki genyen ant koub detire ak retraksyon yo, jan yo montre nan Figi 5b. Rezilta sa yo sipòte ipotèz la epi sijere ke sond 140 nm dyamèt se yon bon chwa pou karakterize sifas mou sa yo.
Koub fòs endantasyon lehfilcon A CL lè l sèvi avèk ACM; (a) lè l sèvi avèk yon sond ki gen yon dyamèt 140 nm nan de vitès chaj, ki demontre absans yon efè poroelastik pandan endantasyon sifas la; (b) lè l sèvi avèk sond ki gen yon dyamèt 45 µm ak 140 nm. Figi yo montre efè èkstruzyon viskoz ak poroelastik pou gwo sond konpare ak pi piti sond yo.
Pou karakterize sifas ultra mou, metòd nanoindentasyon AFM yo dwe gen pi bon sond lan pou etidye pwopriyete materyèl k ap etidye a. Anplis fòm ak gwosè pwent lan, sansiblite sistèm detektè AFM lan, sansiblite a defleksyon pwent lan nan anviwònman tès la, ak rèd cantilever la jwe yon wòl enpòtan nan detèmine presizyon ak fyab mezi nanoindentasyon yo. Pou sistèm AFM nou an, limit deteksyon Detektè Sansib Pozisyon (PSD) la se apeprè 0.5 mV epi li baze sou to prentan pre-kalibre a ak sansiblite defleksyon likid kalkile nan sond PFQNM-LC-A-CAL la, ki koresponn ak sansiblite chaj teorik la, se mwens pase 0.1 pN. Se poutèt sa, metòd sa a pèmèt mezire yon fòs endantasyon minimòm ≤ 0.1 pN san okenn eleman bri periferik. Sepandan, li prèske enposib pou yon sistèm AFM diminye bri periferik nan nivo sa a akòz faktè tankou vibrasyon mekanik ak dinamik likid. Faktè sa yo limite sansiblite jeneral metòd nanoindentasyon AFM lan epi yo lakòz tou yon siyal bri background apeprè ≤ 10 pN. Pou karakterizasyon sifas la, echantiyon lehfilcon A CL ak substrat SiHy yo te endante anba kondisyon konplètman idrate lè l sèvi avèk yon sond 140 nm pou karakterizasyon SEM, epi koub fòs ki te kapab rezilta yo te sipèpoze ant fòs (pN) ak presyon. Yo montre graf separasyon an (µm) nan Figi 6a. Konpare ak substrat baz SiHy a, koub fòs lehfilcon A CL la montre klèman yon faz tranzisyonèl ki kòmanse nan pwen kontak ak bwòs polymère fouchèt la epi ki fini ak yon chanjman byen file nan pant ki make kontak pwent lan ak materyèl ki anba a. Pati tranzisyonèl sa a nan koub fòs la mete aksan sou konpòtman vrèman elastik bwòs polymère branche a sou sifas la, jan sa pwouve pa koub konpresyon an ki swiv koub tansyon an byen pre ak kontras nan pwopriyete mekanik ant estrikti bwòs la ak materyèl SiHy ankonbran an. Lè w ap konpare lefilcon. Separasyon longè mwayèn yon bwòs polymère branche nan imaj STEM PCS la (Fig. 3a) ak koub fòs li sou absis la nan Fig. 3a. 6a montre ke metòd la kapab detekte pwent lan ak polymère branche a ki rive nan tèt sifas la. Kontak ant estrikti bwòs yo. Anplis de sa, sipèpoze sere koub fòs yo endike pa gen okenn efè retansyon likid. Nan ka sa a, pa gen okenn adezyon ant zegwi a ak sifas echantiyon an. Seksyon ki pi wo nan koub fòs yo pou de echantiyon yo sipèpoze, sa ki reflete resanblans pwopriyete mekanik materyèl substra yo.
(a) Koub fòs nanoindentasyon AFM pou substrats lehfilcon A CL ak substrats SiHy, (b) koub fòs ki montre estimasyon pwen kontak lè l sèvi avèk metòd papòt bri background lan.
Pou nou ka etidye plis detay sou koub fòs la, nou re-trase koub tansyon echantiyon lehfilcon A CL la nan Fig. 6b avèk yon fòs maksimòm 50 pN sou aks y la. Grafik sa a bay enfòmasyon enpòtan sou bri orijinal la. Bri a nan seri ±10 pN, ki itilize pou detèmine pwen kontak la avèk presizyon epi kalkile pwofondè endantasyon an. Jan literati a rapòte li, idantifikasyon pwen kontak yo enpòtan pou evalye pwopriyete materyèl yo avèk presizyon tankou modil85. Yon apwòch ki enplike tretman otomatik done koub fòs yo montre yon pi bon ajisteman ant ajisteman done yo ak mezi kantitatif pou materyèl mou86. Nan travay sa a, chwa pwen kontak nou yo relativman senp epi objektif, men li gen limit li yo. Apwòch konsèvatif nou an pou detèmine pwen kontak la ka lakòz valè modil ki yon ti jan twò wo pou pwofondè endantasyon ki pi piti (< 100 nm). Itilizasyon deteksyon pwen kontak ki baze sou algoritm ak tretman done otomatik ta ka yon kontinyasyon travay sa a nan lavni pou amelyore metòd nou an plis toujou. Kidonk, pou bri background intrinsèque nan lòd ±10 pN, nou defini pwen kontak la kòm premye pwen done sou aks x la nan Figi 6b ak yon valè ≥10 pN. Apre sa, an akò avèk papòt bri 10 pN, yon liy vètikal nan nivo ~0.27 µm make pwen kontak la ak sifas la, apre sa koub etannman an kontinye jiskaske substrat la rive nan pwofondè endantasyon ~270 nm. Sa ki enteresan, ki baze sou gwosè karakteristik bwòs polymère branche yo (300–400 nm) mezire lè l sèvi avèk metòd imaj la, pwofondè endantasyon echantiyon CL lehfilcon A ki obsève lè l sèvi avèk metòd papòt bri background lan se anviwon 270 nm, ki trè pre gwosè mezi a ak STEM. Rezilta sa yo konfime plis konpatibilite ak aplikabilite fòm ak gwosè pwent sond AFM lan pou endantasyon estrikti bwòs polymère branche ki trè mou ak trè elastik sa a. Done sa yo bay tou prèv solid pou sipòte metòd nou an pou itilize bri background kòm yon papòt pou idantifye pwen kontak yo. Kidonk, nenpòt rezilta kantitatif ki jwenn nan modèl matematik ak ajisteman koub fòs ta dwe relativman egzat.
Mezi kantitatif pa metòd nanoindentasyon AFM yo depann nèt sou modèl matematik yo itilize pou seleksyon done yo ak analiz ki vin apre yo. Se poutèt sa, li enpòtan pou konsidere tout faktè ki gen rapò ak chwa endantè a, pwopriyete materyèl yo ak mekanik entèraksyon yo anvan ou chwazi yon modèl patikilye. Nan ka sa a, jeyometri pwent lan te karakterize ak anpil atansyon lè l sèvi avèk mikwograf SEM (Fig. 1), epi ki baze sou rezilta yo, sond nanoindentasyon AFM 140 nm dyamèt la ak yon kòn di ak yon jeyometri pwent esferik se yon bon chwa pou karakterize echantiyon lehfilcon A CL79 yo. Yon lòt faktè enpòtan ki bezwen evalye ak anpil atansyon se elastisite materyèl polymère y ap teste a. Malgre ke done inisyal nanoindentasyon yo (Fig. 5a ak 6a) montre byen klè karakteristik sipèpoze koub tansyon ak konpresyon yo, sa vle di, rekiperasyon elastik konplè materyèl la, li trèzenpòtan pou konfime nati piman elastik kontak yo. Pou rezon sa a, yo te fè de endantasyon youn apre lòt nan menm kote a sou sifas echantiyon lehfilcon A CL la nan yon vitès endantasyon 1 µm/s anba kondisyon idratasyon konplè. Done koub fòs ki kapab lakòz la parèt nan figi 7 epi, jan yo te espere a, koub ekspansyon ak konpresyon de enpresyon yo prèske idantik, sa ki mete aksan sou gwo elastisite estrikti bwòs polymère branche a.
De koub fòs endantasyon nan menm kote sou sifas lehfilcon A CL la endike elastisite ideyal sifas lantiy la.
Baze sou enfòmasyon yo jwenn nan imaj SEM ak STEM pwent sond lan ak sifas lehfilcon A CL respektivman, modèl kòn-esfè a se yon reprezantasyon matematik rezonab sou entèraksyon ki genyen ant pwent sond AFM lan ak materyèl polimè mou y ap teste a. Anplis de sa, pou modèl kòn-esfè sa a, sipozisyon fondamantal yo sou pwopriyete elastik materyèl enprime a rete vre pou nouvo materyèl byomimetik sa a epi yo itilize pou mezire modil elastik la.
Apre yon evalyasyon konplè sou metòd nanoindentasyon AFM lan ak konpozan li yo, ki gen ladan pwopriyete sond endantasyon (fòm, gwosè, ak rèd prentan), sansiblite (bri background ak estimasyon pwen kontak), ak modèl ajisteman done (mezire modil kantitatif), yo te itilize metòd la. karakterize echantiyon ultra-mou ki disponib nan komès pou verifye rezilta kantitatif yo. Yo te teste yon idrojel poliakrilamid (PAAM) komèsyal ak yon modil elastik 1 kPa anba kondisyon idrate lè l sèvi avèk yon sond 140 nm. Detay sou tès modil ak kalkil yo bay nan Enfòmasyon Siplemantè a. Rezilta yo te montre ke modil mwayèn ki mezire a te 0.92 kPa, epi %RSD ak devyasyon pousantaj (%) nan modil li te ye a te mwens pase 10%. Rezilta sa yo konfime presizyon ak repwodiktibilite metòd nanoindentasyon AFM ki te itilize nan travay sa a pou mezire modil materyèl ultramou yo. Sifas echantiyon lehfilcon A CL yo ak substra baz SiHy a te karakterize plis lè l sèvi avèk menm metòd nanoindentasyon AFM lan pou etidye modil kontak aparan sifas ultramou a kòm yon fonksyon pwofondè endantasyon an. Yo te pwodui koub separasyon fòs endantasyon pou twa echantiyon nan chak kalite (n = 3; yon endantasyon pou chak echantiyon) nan yon fòs 300 pN, yon vitès 1 µm/s, ak idratasyon konplè. Yo te apwoksime koub pataj fòs endantasyon an lè l sèvi avèk yon modèl kòn-esfè. Pou jwenn modil ki depann sou pwofondè endantasyon an, yo te mete yon pòsyon 40 nm lajè nan koub fòs la nan chak ogmantasyon 20 nm apati pwen kontak la, epi yo te mezire valè modil la nan chak etap koub fòs la. Spin Cy et al. Yo te itilize yon apwòch menm jan an pou karakterize gradyan modil bwòs polymère poli(lawril metakrilat) (P12MA) yo lè l sèvi avèk nanoindentasyon sond AFM koloidal, epi yo konsistan avèk done ki itilize modèl kontak Hertz la. Apwòch sa a bay yon graf modil kontak aparan (kPa) kont pwofondè endantasyon (nm), jan yo montre nan Figi 8, ki ilistre gradyan modil/pwofondè kontak aparan an. Modil elastik echantiyon CL lehfilcon A a ki kalkile a se nan seri 2-3 kPa nan 100 nm ki pi wo yo nan echantiyon an, apre sa li kòmanse ogmante ak pwofondè a. Nan lòt men an, lè yo teste substra baz SiHy a san yon fim ki sanble ak yon bwòs sou sifas la, pwofondè maksimòm endantasyon ki reyalize nan yon fòs 300 pN se mwens pase 50 nm, epi valè modil ki jwenn nan done yo se anviwon 400 kPa, ki konparab ak valè modil Young pou materyèl an gwo.
Modil kontak aparan (kPa) vs pwofondè endantasyon (nm) pou substrats lehfilcon A CL ak SiHy lè l sèvi avèk metòd nanoindentasyon AFM ak jeyometri kòn-esfè pou mezire modil la.
Sifas ki pi wo nan nouvo estrikti bwòs polymère branche byomimetik la montre yon modil elastisite ki ba anpil (2-3 kPa). Sa ap koresponn ak bout bwòs polymère ki pandye lib la jan yo montre nan imaj STEM lan. Pandan ke gen kèk prèv ki montre yon gradyan modil nan kwen ekstèn CL la, prensipal substrat modil ki wo a gen plis enfliyans. Sepandan, 100 nm anwo sifas la se nan lespas 20% nan longè total bwòs polymère branche a, kidonk li rezonab pou sipoze ke valè modil yo mezire nan seri pwofondè endantasyon sa a relativman egzat epi yo pa depann anpil de efè objè ki anba a.
Akòz konsepsyon byomimetik inik lantiy kontak lehfilcon A yo, ki konpoze de estrikti bwòs polymère PMPC branche grefe sou sifas substrats SiHy yo, li trè difisil pou karakterize pwopriyete mekanik estrikti sifas yo yon fason fyab lè l sèvi avèk metòd mezi tradisyonèl yo. Isit la, nou prezante yon metòd nanoindentasyon AFM avanse pou karakterize avèk presizyon materyèl ultra-mou tankou lefilcon A ki gen yon kontni dlo ki wo ak yon elastisite ki trè wo. Metòd sa a baze sou itilizasyon yon sond AFM ki gen gwosè pwent ak jeyometri yo chwazi ak anpil atansyon pou koresponn ak dimansyon estriktirèl karakteristik sifas ultra-mou yo pou enprime. Konbinezon dimansyon sa a ant sond ak estrikti a bay yon sansibilite ogmante, sa ki pèmèt nou mezire modil ki ba ak pwopriyete elastik natirèl eleman bwòs polymère branche yo, kèlkeswa efè poroelastik yo. Rezilta yo te montre ke bwòs polymère PMPC branche inik ki karakteristik sifas lantiy la te gen yon modil elastik ki trè ba (jiska 2 kPa) ak yon elastisite ki trè wo (prèske 100%) lè yo teste yo nan yon anviwònman akeuz. Rezilta nanoindentasyon AFM yo te pèmèt nou karakterize gradyan modil kontak/pwofondè aparan (30 kPa/200 nm) sifas lantiy byomimetik la. Gradyan sa a ka akòz diferans modil ki genyen ant bwòs polymère branche yo ak substra SiHy a, oubyen estrikti/dansite branche bwòs polymère yo, oubyen yon konbinezon de yo. Sepandan, plis etid apwofondi nesesè pou konprann nèt relasyon ki genyen ant estrikti ak pwopriyete yo, sitou efè branchman bwòs la sou pwopriyete mekanik yo. Mezi menm jan an ka ede karakterize pwopriyete mekanik sifas lòt materyèl ultra-mou ak aparèy medikal yo.
Ansanm done ki te pwodui ak/oswa analize pandan etid aktyèl la disponib nan men otè respektif yo sou yon demann rezonab.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. ak Haugen, HJ Reyaksyon byolojik sou pwopriyete fizik ak chimik sifas byomateryèl yo. Sosyete Chimik. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM ak Liu, X. Amelyorasyon byomateryèl ki sòti nan moun pou enjenyè tisi. pwogramasyon. polymère. syans lan. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Konsepsyon, aplikasyon klinik, ak repons iminitè byomateryèl nan medikaman rejeneratif. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK ak Farr GM Yon metòd amelyore pou detèmine dite ak modil elastik lè l sèvi avèk eksperyans endantasyon ak mezi chaj ak deplasman. J. Alma mater. tank depo. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Orijin istorik tès dite endantasyon. alma mater. syans lan. teknoloji yo. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Mezi Dite Endantasyon nan Makro-, Mikwo-, ak Nano-echèl: Yon Revizyon Kritik. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD ak Clapperich, SM Erè deteksyon sifas yo mennen nan yon surestimasyon modil nan nanoindentasyon materyèl mou yo. J. Mecha. Konpòtman. Syans byomedikal. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR ak Yahya M.Yu. Evalyasyon metòd nanoindentasyon pou detèmine karakteristik mekanik nanokonpozit etewojèn lè l sèvi avèk metòd eksperimantal ak konpitasyonèl. the science. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, ak Owart, TS Karakterizasyon mekanik jèl viskoelastik mou pa endantasyon ak analiz eleman fini envès ki baze sou optimize. J. Mecha. Konpòtman. Syans byomedikal. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J ak Chaneler D. Optimizasyon detèminasyon viskoelastisite lè l sèvi avèk sistèm mezi konpatib. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. ak Pellillo, E. Nanoindentasyon sifas polimerik. J. Fizik. D. Aplike pou fizik. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. ak Van Vliet KJ Karakterizasyon pwopriyete mekanik viskoelastik polymè trè elastik ak tisi byolojik lè l sèvi avèk endantasyon chòk. Journal of Biomaterials. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evalyasyon modil elastik ak travay adezyon materyèl mou yo lè l sèvi avèk metòd Borodich-Galanov (BG) pwolonje a ak endantasyon pwofon. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Mòfoloji nanoskal ak pwopriyete mekanik sifas polimerik byomimetik lantiy kontak silikon idrojel. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).