Շնորհակալություն Nature.com կայք այցելելու համար: Դուք օգտագործում եք սահմանափակ CSS աջակցությամբ դիտարկիչի տարբերակ: Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում): Բացի այդ, շարունակական աջակցությունն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Միաժամանակ ցուցադրում է երեք սլայդից բաղկացած կարուսել: Օգտագործեք «Նախորդ» և «Հաջորդ» կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդով անցնելու համար, կամ օգտագործեք վերջում գտնվող սահող կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդով անցնելու համար:
Բժշկական սարքերի և կենսաբժշկական կիրառությունների համար նոր գերփափուկ նյութերի մշակման հետ մեկտեղ, դրանց ֆիզիկական և մեխանիկական հատկությունների համապարփակ բնութագրումը և՛ կարևոր է, և՛ մարտահրավեր նետող: Նոր lehfilcon A բիոմիմետիկ սիլիկոնային հիդրոգելային կոնտակտային ոսպնյակի չափազանց ցածր մակերևութային մոդուլը բնութագրելու համար կիրառվել է մոդիֆիկացված ատոմային ուժային մանրադիտակի (AFM) նանոինդենտացիայի տեխնիկան, որը պատված է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքների շերտով: Այս մեթոդը թույլ է տալիս ճշգրիտ որոշել շփման կետերը՝ առանց ճյուղավորված պոլիմերներին մոտենալիս մածուցիկ էքստրուզիայի ազդեցության: Բացի այդ, այն հնարավորություն է տալիս որոշել առանձին խոզանակային տարրերի մեխանիկական բնութագրերը՝ առանց ծակոտկեն առաձգականության ազդեցության: Սա իրականացվում է AFM զոնդ ընտրելով այնպիսի դիզայնով (ծայրի չափս, երկրաչափություն և զսպանակի արագություն), որը հատկապես հարմար է փափուկ նյութերի և կենսաբանական նմուշների հատկությունները չափելու համար: Այս մեթոդը բարելավում է զգայունությունը և ճշգրտությունը շատ փափուկ նյութ lehfilcon A-ի ճշգրիտ չափման համար, որն ունի մակերեսի մակերեսի վրա առաձգականության չափազանց ցածր մոդուլ (մինչև 2 կՊա) և ներքին (գրեթե 100%) ջրային միջավայրում չափազանց բարձր առաձգականություն: Մակերեսային ուսումնասիրության արդյունքները ոչ միայն բացահայտեցին lehfilcon A ոսպնյակի գերփափուկ մակերևութային հատկությունները, այլև ցույց տվեցին, որ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների մոդուլը համեմատելի է սիլիցիում-ջրածնային հիմքի մոդուլի հետ: Մակերեսային բնութագրման այս տեխնիկան կարող է կիրառվել այլ գերփափուկ նյութերի և բժշկական սարքերի վրա:
Կենդանի հյուսվածքի հետ անմիջական շփման համար նախատեսված նյութերի մեխանիկական հատկությունները հաճախ որոշվում են կենսաբանական միջավայրով: Այս նյութական հատկությունների կատարյալ համապատասխանությունը օգնում է հասնել նյութի ցանկալի կլինիկական բնութագրերին՝ առանց անբարենպաստ բջջային ռեակցիաներ առաջացնելու1,2,3: Զանգվածային միատարր նյութերի համար մեխանիկական հատկությունների բնութագրումը համեմատաբար հեշտ է ստանդարտ ընթացակարգերի և փորձարկման մեթոդների (օրինակ՝ միկրոինդենցիա4,5,6) առկայության շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, գերփափուկ նյութերի, ինչպիսիք են գելերը, հիդրոգելերը, կենսապոլիմերները, կենդանի բջիջները և այլն, համար այս փորձարկման մեթոդները, որպես կանոն, կիրառելի չեն չափման թույլտվության սահմանափակումների և որոշ նյութերի անհամասեռության պատճառով7: Տարիների ընթացքում ավանդական ինդենցիաների մեթոդները փոփոխվել և հարմարեցվել են փափուկ նյութերի լայն շրջանակ բնութագրելու համար, սակայն շատ մեթոդներ դեռևս տառապում են լուրջ թերություններից, որոնք սահմանափակում են դրանց օգտագործումը8,9,10,11,12,13: Գերփափուկ նյութերի և մակերեսային շերտերի մեխանիկական հատկությունները ճշգրիտ և հուսալիորեն բնութագրող մասնագիտացված փորձարկման մեթոդների բացակայությունը լրջորեն սահմանափակում է դրանց օգտագործումը տարբեր կիրառություններում:
Մեր նախորդ աշխատանքում մենք ներկայացրեցինք lehfilcon A (CL) կոնտակտային լինզան, որը փափուկ, տարասեռ նյութ է՝ բոլոր գերփափուկ մակերեսային հատկություններով, որոնք ստացվել են աչքի եղջերաթաղանթի մակերեսից ոգեշնչված պոտենցիալ բիոմիմետիկ դիզայնից: Այս բիոմատերիալը մշակվել է պոլի(2-մետակրիլոյլօքսիէթիլֆոսֆորիլխոլինի (MPC)) (PMPC) ճյուղավորված, խաչաձև կապված պոլիմերային շերտը պատվաստելով սիլիկոնային հիդրոգելի (SiHy) 15 վրա, որը նախատեսված է բժշկական սարքերի համար՝ հիմնված դրա վրա: Այս պատվաստման գործընթացը մակերեսին ստեղծում է շերտ, որը բաղկացած է շատ փափուկ և բարձր առաձգական ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքից: Մեր նախորդ աշխատանքը հաստատել է, որ lehfilcon A CL-ի բիոմիմետիկ կառուցվածքը ապահովում է գերազանց մակերեսային հատկություններ, ինչպիսիք են՝ բարելավված թրջման և աղտոտման կանխարգելումը, մեծացված կպչունությունը և բջիջների և մանրէների կպչունության նվազումը 15,16: Բացի այդ, այս բիոմիմետիկ նյութի օգտագործումը և մշակումը նաև ենթադրում են այլ կենսաբժշկական սարքերի հետագա ընդլայնում: Հետևաբար, կարևոր է բնութագրել այս գերփափուկ նյութի մակերևութային հատկությունները և հասկանալ դրա մեխանիկական փոխազդեցությունը աչքի հետ՝ ապագա զարգացումներն ու կիրառությունները սատարելու համար համապարփակ գիտելիքների բազա ստեղծելու համար: Առևտրային առումով մատչելի SiHy կոնտակտային լինզաների մեծ մասը կազմված է հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ պոլիմերների համասեռ խառնուրդից, որոնք կազմում են միատարր նյութական կառուցվածք17: Մի շարք ուսումնասիրություններ են անցկացվել դրանց մեխանիկական հատկությունները ուսումնասիրելու համար՝ օգտագործելով ավանդական սեղմման, ձգման և միկրոինդենտային փորձարկման մեթոդներ18,19,20,21: Այնուամենայնիվ, lehfilcon A CL-ի նորարարական բիոմիմետիկ դիզայնը այն դարձնում է եզակի տարասեռ նյութ, որտեղ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքների մեխանիկական հատկությունները զգալիորեն տարբերվում են SiHy հիմքի մեխանիկական հատկություններից: Հետևաբար, շատ դժվար է ճշգրիտ քանակականացնել այս հատկությունները՝ օգտագործելով ավանդական և ինդենտային մեթոդներ: Հեռանկարային մեթոդ է օգտագործում ատոմային ուժային մանրադիտակում (AFM) իրականացված նանոինդենտային փորձարկման մեթոդը, որը մեթոդ է, որն օգտագործվել է փափուկ մածուցիկ առաձգական նյութերի, ինչպիսիք են կենսաբանական բջիջները և հյուսվածքները, ինչպես նաև փափուկ պոլիմերների մեխանիկական հատկությունները որոշելու համար22,23,24,25: ,26,27,28,29,30. AFM նանոինդենտացիայի դեպքում նանոինդենտացիայի փորձարկման հիմունքները համակցվում են AFM տեխնոլոգիայի վերջին նվաճումների հետ՝ ապահովելու չափման զգայունության բարձրացում և լայն շրջանակի գերփափուկ նյութերի փորձարկում31,32,33,34,35,36: Բացի այդ, տեխնոլոգիան առաջարկում է այլ կարևոր առավելություններ՝ տարբեր երկրաչափությունների, ինդենտորի և զոնդի օգտագործման և տարբեր հեղուկ միջավայրերում փորձարկման հնարավորության շնորհիվ:
AFM նանոինդենցիան կարելի է պայմանականորեն բաժանել երեք հիմնական բաղադրիչների՝ (1) սարքավորումներ (սենսորներ, դետեկտորներ, զոնդեր և այլն). (2) չափման պարամետրեր (օրինակ՝ ուժ, տեղաշարժ, արագություն, թեքահարթակի չափ և այլն). (3) տվյալների մշակում (բազային գծի ուղղում, շփման կետի գնահատում, տվյալների համապատասխանեցում, մոդելավորում և այլն): Այս մեթոդի հետ կապված էական խնդիրն այն է, որ AFM նանոինդենցիան օգտագործող գրականության մեջ մի քանի ուսումնասիրություններ նույն նմուշի/բջիջի/նյութի տեսակի համար ներկայացնում են շատ տարբեր քանակական արդյունքներ37,38,39,40,41: Օրինակ՝ Լեկկա և այլք: Ուսումնասիրվել և համեմատվել է AFM զոնդի երկրաչափության ազդեցությունը մեխանիկորեն միատարր հիդրոգելի և տարասեռ բջիջների նմուշների չափված Յունգի մոդուլի վրա: Նրանք հայտնում են, որ մոդուլի արժեքները մեծապես կախված են կոնսոլի ընտրությունից և ծայրի ձևից, որտեղ ամենաբարձր արժեքը բուրգաձև զոնդի համար է, իսկ ամենացածր արժեքը՝ 42՝ գնդաձև զոնդի համար: Նմանապես, Զելհուբեր-Ունկելը և այլք: Ցույց է տրվել, թե ինչպես են պոլիակրիլամիդային (PAAM) նմուշների ինդենտի արագությունը, ինդենտի չափը և հաստությունը ազդում ACM43 նանոինդենտի միջոցով չափված Յունգի մոդուլի վրա: Մեկ այլ բարդացնող գործոն է ստանդարտ չափազանց ցածր մոդուլի փորձարկման նյութերի և անվճար փորձարկման ընթացակարգերի բացակայությունը: Սա շատ դժվարացնում է վստահությամբ ճշգրիտ արդյունքներ ստանալը: Այնուամենայնիվ, մեթոդը շատ օգտակար է նմանատիպ նմուշների տեսակների միջև հարաբերական չափումների և համեմատական ​​գնահատումների համար, օրինակ՝ AFM նանոինդենտի միջոցով նորմալ բջիջները քաղցկեղի բջիջներից տարբերակելու համար 44, 45:
AFM նանոինդենտացիայի միջոցով փափուկ նյութերը փորձարկելիս ընդհանուր կանոն է օգտագործել ցածր զսպանակային հաստատունով (k) զոնդ, որը սերտորեն համապատասխանում է նմուշի մոդուլին և կիսագնդաձև/կլոր ծայրով, որպեսզի առաջին զոնդը փափուկ նյութերի հետ առաջին շփման ժամանակ չծակի նմուշի մակերեսները: Կարևոր է նաև, որ զոնդի կողմից առաջացած շեղման ազդանշանը բավականաչափ ուժեղ լինի լազերային դետեկտորային համակարգի կողմից հայտնաբերվելու համար24,34,46,47: Գերփափուկ տարասեռ բջիջների, հյուսվածքների և գելերի դեպքում մեկ այլ մարտահրավեր է զոնդի և նմուշի մակերեսի միջև կպչուն ուժը հաղթահարելը՝ վերարտադրելի և հուսալի չափումներ ապահովելու համար48,49,50: Մինչև վերջերս AFM նանոինդենտացիայի աշխատանքների մեծ մասը կենտրոնացած էր կենսաբանական բջիջների, հյուսվածքների, գելերի, հիդրոգելերի և կենսամոլեկուլների մեխանիկական վարքագծի ուսումնասիրության վրա՝ օգտագործելով համեմատաբար մեծ գնդաձև զոնդեր, որոնք սովորաբար անվանում են կոլոիդային զոնդեր (ԿԶ): , 47, 51, 52, 53, 54, 55: Այս ծայրերը ունեն 1-ից 50 մկմ շառավղ և սովորաբար պատրաստված են բորոսիլիկատային ապակուց, պոլիմեթիլ մետակրիլատից (PMMA), պոլիստիրոլից (PS), սիլիցիումի երկօքսիդից (SiO2) և ադամանդանման ածխածնից (DLC): Չնայած CP-AFM նանոինդենցիան հաճախ առաջին ընտրությունն է փափուկ նմուշի բնութագրման համար, այն ունի իր սեփական խնդիրներն ու սահմանափակումները: Մեծ, միկրոն չափի գնդաձև ծայրերի օգտագործումը մեծացնում է ծայրի ընդհանուր շփման մակերեսը նմուշի հետ և հանգեցնում է տարածական լուծաչափի զգալի կորստի: Փափուկ, անհամասեռ նմուշների համար, որտեղ տեղային տարրերի մեխանիկական հատկությունները կարող են զգալիորեն տարբերվել միջինից ավելի լայն տարածքում, CP ինդենցիան կարող է թաքցնել հատկությունների ցանկացած անհամասեռություն տեղային մասշտաբով52: Կոլոիդային զոնդերը սովորաբար պատրաստվում են միկրոն չափի կոլոիդային գնդերը ամրացնելով ծայր չունեցող կոնսոլներին՝ օգտագործելով էպօքսիդային սոսինձներ: Արտադրական գործընթացն ինքնին լի է բազմաթիվ խնդիրներով և կարող է հանգեցնել զոնդի կարգաբերման գործընթացում անհամապատասխանությունների: Բացի այդ, կոլոիդային մասնիկների չափը և զանգվածը անմիջականորեն ազդում են կոնսոլի հիմնական տրամաչափման պարամետրերի վրա, ինչպիսիք են ռեզոնանսային հաճախականությունը, զսպանակի կոշտությունը և շեղման զգայունությունը56,57,58: Այսպիսով, ավանդական AFM զոնդերի համար լայնորեն օգտագործվող մեթոդները, ինչպիսիք են ջերմաստիճանի տրամաչափումը, կարող են չապահովել CP-ի ճշգրիտ տրամաչափում, և այդ ուղղումները կատարելու համար կարող են անհրաժեշտ լինել այլ մեթոդներ57, 59, 60, 61: CP-ի տիպիկ ինդենտային փորձերը օգտագործում են մեծ շեղումների կոնսոլ՝ փափուկ նմուշների հատկությունները ուսումնասիրելու համար, ինչը ստեղծում է մեկ այլ խնդիր՝ կոնսոլի ոչ գծային վարքագիծը համեմատաբար մեծ շեղումների դեպքում տրամաչափելիս62,63,64: Ժամանակակից կոլոիդային զոնդի ինդենտային մեթոդները սովորաբար հաշվի են առնում զոնդի տրամաչափման համար օգտագործվող կոնսոլի երկրաչափությունը, բայց անտեսում են կոլոիդային մասնիկների ազդեցությունը, ինչը լրացուցիչ անորոշություն է ստեղծում մեթոդի ճշգրտության մեջ38,61: Նմանապես, կոնտակտային մոդելի համապատասխանեցմամբ հաշվարկված առաձգականության մոդուլները ուղղակիորեն կախված են ինդենտային զոնդի երկրաչափությունից, և ծայրի և նմուշի մակերեսի բնութագրերի միջև անհամապատասխանությունը կարող է հանգեցնել անճշտությունների27, 65, 66, 67, 68: Սպենսերի և այլոց վերջին աշխատանքներում ընդգծվում են այն գործոնները, որոնք պետք է հաշվի առնվեն CP-AFM նանոինդենտային մեթոդով փափուկ պոլիմերային խոզանակները բնութագրելիս: Նրանք հայտնել են, որ պոլիմերային խոզանակներում մածուցիկ հեղուկի պահպանումը արագության ֆունկցիայի հետևանքով հանգեցնում է գլխիկի բեռնվածության աճի և, հետևաբար, արագությունից կախված հատկությունների տարբեր չափումների30,69,70,71:
Այս ուսումնասիրության մեջ մենք բնութագրել ենք գերփափուկ, բարձր առաձգական նյութ՝ lehfilcon A CL-ի մակերևութային մոդուլը՝ օգտագործելով AFM նանոինդենտի փոփոխված մեթոդը։ Հաշվի առնելով այս նյութի հատկությունները և նոր կառուցվածքը, ավանդական ինդենտի մեթոդի զգայունության միջակայքը ակնհայտորեն անբավարար է այս չափազանց փափուկ նյութի մոդուլը բնութագրելու համար, ուստի անհրաժեշտ է օգտագործել AFM նանոինդենտի մեթոդ՝ ավելի բարձր զգայունությամբ և ավելի ցածր զգայունությամբ։ Գոյություն ունեցող կոլոիդային AFM զոնդով նանոինդենտի տեխնիկայի թերություններն ու խնդիրները վերանայելուց հետո մենք ցույց ենք տալիս, թե ինչու ենք ընտրել ավելի փոքր, հատուկ նախագծված AFM զոնդ՝ զգայունությունը, ֆոնային աղմուկը վերացնելու, շփման կետը ճշգրիտ որոշելու, փափուկ տարասեռ նյութերի արագության մոդուլը չափելու, ինչպես օրինակ՝ հեղուկի պահպանման կախվածությունը, չափելու և ճշգրիտ քանակականացման համար։ Բացի այդ, մենք կարողացանք ճշգրիտ չափել ինդենտի ծայրի ձևը և չափերը, ինչը թույլ է տալիս մեզ օգտագործել կոն-գնդաձև համապատասխանության մոդելը՝ առաձգականության մոդուլը որոշելու համար՝ առանց ծայրի նյութի հետ շփման մակերեսը գնահատելու։ Այս աշխատանքում քանակականացված երկու անուղղակի ենթադրություններն են՝ լիովին առաձգական նյութի հատկությունները և ինդենտի խորությունից անկախ մոդուլը։ Այս մեթոդն օգտագործելով՝ մենք նախ փորձարկեցինք հայտնի մոդուլով գերփափուկ ստանդարտներ՝ մեթոդը քանակականացնելու համար, ապա օգտագործեցինք այս մեթոդը՝ երկու տարբեր կոնտակտային լինզաների նյութերի մակերեսները բնութագրելու համար: Ակնկալվում է, որ բարձր զգայունությամբ AFM նանոինդենտացիոն մակերեսների բնութագրման այս մեթոդը կիրառելի կլինի բիոմիմետիկ տարասեռ գերփափուկ նյութերի լայն շրջանակի համար՝ բժշկական սարքերում և կենսաբժշկական կիրառություններում հնարավոր կիրառմամբ:
Նանոներմղման փորձերի համար ընտրվել են Lehfilcon A կոնտակտային լինզաներ (Alcon, Ֆորտ Ուորթ, Տեխաս, ԱՄՆ) և դրանց սիլիկոնային հիդրոգելային հիմքերը: Փորձի ընթացքում օգտագործվել է հատուկ նախագծված լինզաների ամրակ: Փորձարկման համար լինզան տեղադրելու համար այն զգուշորեն տեղադրվել է գմբեթաձև հենարանի վրա՝ համոզվելով, որ ներս օդային փուչիկներ չեն մտել, ապա ամրացվել է եզրերով: Լինզաների պահոցի վերևի մասում գտնվող ամրակի անցքը հնարավորություն է տալիս մուտք գործել լինզաների օպտիկական կենտրոն՝ նանոներմղման փորձերի համար՝ միաժամանակ պահելով հեղուկը տեղում: Սա լինզաները լիովին խոնավացնում է: Որպես փորձարկման լուծույթ օգտագործվել է 500 մկլ կոնտակտային լինզաների փաթեթավորման լուծույթ: Քանակական արդյունքները ստուգելու համար պոլիակրիլամիդ-կո-մեթիլեն-բիսակրիլամիդային կազմից (100 մմ Petrisoft Petri ամաններ, Matrigen, Իրվայն, Կալիֆոռնիա, ԱՄՆ) պատրաստվել են առևտրային առումով մատչելի չակտիվացված պոլիակրիլամիդային (PAAM) հիդրոգելեր, որոնց առաձգականության մոդուլը 1 կՊա է: AFM հիդրոգել-զոնդի միջերեսին օգտագործեք 4-5 կաթիլ (մոտավորապես 125 մկլ) ֆոսֆատային բուֆերային աղային լուծույթ (PBS՝ Corning Life Sciences-ից, Տյուքսբերի, Մասաչուսեթս, ԱՄՆ) և 1 կաթիլ OPTI-FREE Puremoist կոնտակտային լինզաների լուծույթ (Ալկոն, Վո, Տեխաս, ԱՄՆ):
Lehfilcon A CL և SiHy ենթաշերտերի նմուշները վիզուալիզացվել են FEI Quanta 250 դաշտային էմիսիոն սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակի (FEG SEM) համակարգի միջոցով, որը հագեցած է սկանավորող փոխանցող էլեկտրոնային մանրադիտակի (STEM) դետեկտորով: Նմուշները պատրաստելու համար ոսպնյակները նախ լվացվել են ջրով և կտրվել կարկանդակաձև սեպերի: Նմուշների հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ բաղադրիչների միջև տարբերակված հակադրություն ստանալու համար որպես ներկ օգտագործվել է RuO4-ի 0.10% կայունացված լուծույթ, որի մեջ նմուշները ընկղմվել են 30 րոպե: Lehfilcon A CL RuO4 ներկումը կարևոր է ոչ միայն դիֆերենցիալ հակադրության բարելավման համար, այլև օգնում է պահպանել ճյուղավորված պոլիմերային վրձինների կառուցվածքը իրենց սկզբնական տեսքով, որոնք այնուհետև տեսանելի են STEM պատկերների վրա: Այնուհետև դրանք լվացվել և ջրազրկվել են էթանոլ/ջուր խառնուրդների շարքում՝ էթանոլի կոնցենտրացիայի աճով: Այնուհետև նմուշները ձուլվել են EMBed 812/Araldite էպօքսիդային խեժով, որը չորացվել է գիշերը 70°C ջերմաստիճանում: Խեժի պոլիմերացման միջոցով ստացված նմուշային բլոկները կտրվել են ուլտրամիկրոտոմով, և ստացված բարակ հատվածները վիզուալիզացվել են STEM դետեկտորով ցածր վակուումային ռեժիմով՝ 30 կՎ արագացնող լարման դեպքում: Նույն SEM համակարգը օգտագործվել է PFQNM-LC-A-CAL AFM զոնդի (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) մանրամասն բնութագրման համար: AFM զոնդի SEM պատկերները ստացվել են բարձր վակուումային տիպիկ ռեժիմով՝ 30 կՎ արագացնող լարման դեպքում: Ստացվել են պատկերներ տարբեր անկյուններից և մեծացումներից՝ AFM զոնդի ծայրի ձևի և չափի բոլոր մանրամասները գրանցելու համար: Պատկերներում հետաքրքրող բոլոր ծայրի չափերը չափվել են թվային եղանակով:
Lehfilcon A CL, SiHy սուբստրատ և PAAm հիդրոգել նմուշները վիզուալիզացնելու և նանոինդենտալացնելու համար օգտագործվել է Dimension FastScan Bio Icon ատոմային ուժային մանրադիտակ (Bruker Nano, Սանտա Բարբարա, Կալիֆոռնիա, ԱՄՆ)՝ «PeakForce QNM in Fluid» ռեժիմով: Պատկերագրական փորձերի համար օգտագործվել է PEAKFORCE-HIRS-FA զոնդ (Bruker)՝ 1 նմ անվանական ծայրային շառավղով, որպեսզի նմուշը ստանա բարձր թույլտվությամբ պատկերներ 0.50 Հց սկանավորման հաճախականությամբ: Բոլոր պատկերները արվել են ջրային լուծույթում:
AFM նանոինդենտացիայի փորձերը կատարվել են PFQNM-LC-A-CAL զոնդի (Bruker) միջոցով: AFM զոնդն ունի սիլիկոնային ծայր նիտրիդային կոնսոլի վրա՝ 345 նմ հաստությամբ, 54 մկմ երկարությամբ և 4.5 մկմ լայնությամբ, 45 կՀց ռեզոնանսային հաճախականությամբ: Այն հատուկ նախագծված է փափուկ կենսաբանական նմուշների վրա քանակական նանոմեխանիկական չափումներ բնութագրելու և կատարելու համար: Սենսորները առանձին-առանձին տրամաչափվում են գործարանում՝ նախապես տրամաչափված զսպանակների կարգավորումներով: Այս ուսումնասիրության մեջ օգտագործված զոնդերի զսպանակների հաստատունները 0.05–0.1 Ն/մ միջակայքում էին: Ծայրի ձևը և չափը ճշգրիտ որոշելու համար զոնդը մանրամասն բնութագրվել է SEM-ի միջոցով: Նկար 1ա-ում ցույց է տրված PFQNM-LC-A-CAL զոնդի բարձր թույլտվությամբ, ցածր մեծացմամբ սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակը, որը տալիս է զոնդի դիզայնի ամբողջական պատկերը: Նկար 1բ-ում ցույց է տրված զոնդի ծայրի վերին մասի մեծացված պատկերը, որը տեղեկատվություն է տրամադրում ծայրի ձևի և չափի մասին: Առավելագույն ծայրում ասեղը կիսագնդաձև է՝ մոտ 140 նմ տրամագծով (Նկ. 1գ): Դրանից ներքև ծայրը նեղանում է՝ ստանալով կոնաձև ձև՝ հասնելով մոտավորապես 500 նմ չափված երկարության: Նեղացող հատվածից դուրս ծայրը գլանաձև է և ավարտվում է 1.18 մկմ ընդհանուր ծայրի երկարությամբ: Սա զոնդի ծայրի հիմնական ֆունկցիոնալ մասն է: Բացի այդ, որպես կոլոիդային զոնդ փորձարկման համար օգտագործվել է նաև մեծ գնդաձև պոլիստիրոլային (PS) զոնդ (Novascan Technologies, Inc., Բուն, Այովա, ԱՄՆ)՝ 45 մկմ ծայրի տրամագծով և 2 Ն/մ զսպանակի հաստատունով: Համեմատության համար օգտագործվել է PFQNM-LC-A-CAL 140 նմ զոնդ:
Հաղորդվել է, որ նանոներծծման ժամանակ հեղուկը կարող է խցանվել AFM զոնդի և պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի միջև, ինչը AFM զոնդի վրա կգործադրի վերև ուղղված ուժ, նախքան այն մակերեսին իրականում դիպչի69: Հեղուկի պահպանման պատճառով առաջացած այս մածուցիկ էքստրուզիայի էֆեկտը կարող է փոխել շփման ակնհայտ կետը, դրանով իսկ ազդելով մակերեսի մոդուլի չափումների վրա: Զոնդի երկրաչափության և ներծծման արագության ազդեցությունը հեղուկի պահպանման վրա ուսումնասիրելու համար, lehfilcon A CL նմուշների համար գծագրվել են ներծծման ուժի կորեր՝ օգտագործելով 140 նմ տրամագծով զոնդ՝ 1 մկմ/վրկ և 2 մկմ/վրկ հաստատուն տեղաշարժի արագություններով: Զոնդի տրամագիծը՝ 45 մկմ, ֆիքսված ուժի կարգավորումը՝ 6 նՆ, ձեռք է բերվել 1 մկմ/վրկ դեպքում: 140 նմ տրամագծով զոնդով փորձերը կատարվել են 1 մկմ/վրկ ներծծման արագությամբ և 300 պՆ սահմանված ուժով, որն ընտրվել է վերին կոպի ֆիզիոլոգիական միջակայքում (1-8 կՊա) շփման ճնշում ստեղծելու համար: ճնշում 72: PAA հիդրոգելի փափուկ, պատրաստի նմուշները՝ 1 կՊա ճնշմամբ, փորձարկվել են 50 պՆ ներմղման ուժի համար՝ 1 մկմ/վրկ արագությամբ՝ օգտագործելով 140 նմ տրամագծով զոնդ:
Քանի որ PFQNM-LC-A-CAL զոնդի ծայրի կոնաձև մասի երկարությունը մոտավորապես 500 նմ է, 500 նմ-ից ցածր ցանկացած խորացման խորության դեպքում կարելի է վստահորեն ենթադրել, որ խորացման ընթացքում զոնդի երկրաչափությունը կմնա հավատարիմ իր կոնաձևին։ Բացի այդ, ենթադրվում է, որ փորձարկվող նյութի մակերեսը կցուցաբերի շրջելի առաձգական արձագանք, որը նույնպես կհաստատվի հաջորդ բաժիններում։ Հետևաբար, կախված ծայրի ձևից և չափից, մենք ընտրեցինք Բրիսկոյի, Սեբաստիանի և Ադամսի կողմից մշակված կոն-գնդաձև համապատասխանեցման մոդելը, որը հասանելի է վաճառողի ծրագրաշարում, մեր AFM նանոներծծման փորձերը (NanoScope) մշակելու համար։ Բաժանման տվյալների վերլուծության ծրագրաշար, Bruker) 73։ Մոդելը նկարագրում է ուժ-տեղաշարժ F(δ) կապը գնդաձև գագաթնակետային արատ ունեցող կոնի համար։ Նկ. Նկար 2-ը ցույց է տալիս կոնի և գնդաձև ծայրի փոխազդեցության ընթացքում շփման երկրաչափությունը, որտեղ R-ը գնդաձև ծայրի շառավիղն է, a-ն՝ շփման շառավիղը, b-ն՝ գնդաձև ծայրի ծայրի շփման շառավիղը, δ-ն՝ շփման շառավիղը։ Ինդենտի խորությունը, θ-ն՝ կոնի կիսանկյունը։ Այս զոնդի SEM պատկերը հստակ ցույց է տալիս, որ 140 նմ տրամագծով գնդաձև ծայրը շոշափող կերպով միաձուլվում է կոնի հետ, ուստի այստեղ b-ն սահմանվում է միայն R-ի միջոցով, այսինքն՝ b = R cos θ։ Մատակարարի կողմից մատակարարվող ծրագիրը տրամադրում է կոն-գնդաձև կապ՝ Յունգի մոդուլի (E) արժեքները հաշվարկելու համար՝ ուժերի բաժանման տվյալներից ենթադրելով, որ a > b։ Կապը՝
որտեղ F-ը ներփակման ուժն է, E-ն՝ Յունգի մոդուլը, ν-ն՝ Պուասոնի հարաբերակցությունը։ Շփման շառավիղը a-ն կարելի է գնահատել՝ օգտագործելով՝
Lefilcon կոնտակտային լինզայի նյութի մեջ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների մակերեսային շերտով սեղմված գնդաձև ծայրով կոշտ կոնի կոնտակտային երկրաչափության սխեման։
Եթե ​​a ≤ b, հարաբերությունը վերածվում է ավանդական գնդաձև ներածիչի հավասարման։
Մենք կարծում ենք, որ ներփակող զոնդի փոխազդեցությունը PMPC պոլիմերային խոզանակի ճյուղավորված կառուցվածքի հետ կհանգեցնի նրան, որ շփման շառավիղը a-ն մեծ կլինի գնդաձև շփման շառավղից b-ն։ Հետևաբար, այս ուսումնասիրության մեջ կատարված առաձգականության մոդուլի բոլոր քանակական չափումների համար մենք օգտագործել ենք a > b դեպքի համար ստացված կախվածությունը։
Այս ուսումնասիրության մեջ ուսումնասիրված գերփափուկ բիոմիմետիկ նյութերը համապարփակ պատկերվել են նմուշի լայնական հատույթի սկանավորող փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակի (STEM) և մակերեսի ատոմային ուժային մանրադիտակի (AFM) միջոցով: Այս մանրամասն մակերեսային բնութագրումը կատարվել է որպես մեր նախկինում հրապարակված աշխատանքի ընդլայնում, որում մենք որոշել ենք, որ PMPC-ով մոդիֆիկացված lehfilcon A CL մակերեսի դինամիկ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքը ցուցաբերում է նմանատիպ մեխանիկական հատկություններ եղջերաթաղանթի բնածին հյուսվածքին 14: Այս պատճառով մենք կոնտակտային ոսպնյակների մակերեսները անվանում ենք բիոմիմետիկ նյութեր 14: Նկար 3a, b-ում ցույց են տրված ճյուղավորված PMPC պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքների լայնական հատույթները համապատասխանաբար lehfilcon A CL հիմքի և չմշակված SiHy հիմքի մակերեսին: Երկու նմուշների մակերեսներն էլ ավելի են վերլուծվել բարձր թույլտվությամբ AFM պատկերների միջոցով, որոնք հետագայում հաստատել են STEM վերլուծության արդյունքները (Նկար 3c, d): Միասին վերցրած, այս պատկերները տալիս են PMPC ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքի մոտավոր երկարությունը 300-400 նմ-ում, ինչը կարևոր է AFM նանոինդենտացիայի չափումները մեկնաբանելու համար: Պատկերներից ստացված մեկ այլ կարևոր դիտարկումն այն է, որ CL բիոմիմետիկ նյութի ընդհանուր մակերեսային կառուցվածքը ձևաբանորեն տարբերվում է SiHy հիմքային նյութի կառուցվածքից: Նրանց մակերեսային ձևաբանության այս տարբերությունը կարող է ակնհայտ դառնալ ինդենտային AFM զոնդի հետ մեխանիկական փոխազդեցության ընթացքում և հետագայում՝ չափված մոդուլի արժեքներում:
(ա) լեհֆիլկոն A CL-ի և (բ) SiHy հիմքի STEM լայնական կտրվածքի պատկերներ։ Սանդղակի գիծ, ​​500 նմ։ Լեհֆիլկոն A CL հիմքի (գ) և SiHy հիմքի (դ) մակերեսի AFM պատկերներ (3 մկմ × 3 մկմ)։
Կենսաոգեշնչված պոլիմերներն ու պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքները բնույթով փափուկ են և լայնորեն ուսումնասիրվել ու օգտագործվել են տարբեր կենսաբժշկական կիրառություններում74,75,76,77: Հետևաբար, կարևոր է օգտագործել AFM նանոինդենտացիայի մեթոդը, որը կարող է ճշգրիտ և հուսալիորեն չափել դրանց մեխանիկական հատկությունները: Սակայն, միևնույն ժամանակ, այս գերփափուկ նյութերի եզակի հատկությունները, ինչպիսիք են չափազանց ցածր առաձգականության մոդուլը, հեղուկի բարձր պարունակությունը և բարձր առաձգականությունը, հաճախ դժվարացնում են ինդենտային զոնդի ճիշտ նյութի, ձևի և չափի ընտրությունը: Սա կարևոր է, որպեսզի ինդենտորը չծակի նմուշի փափուկ մակերեսը, ինչը կհանգեցնի սխալների մակերեսի հետ շփման կետի և շփման մակերեսի որոշման հարցում:
Դրա համար անհրաժեշտ է ունենալ գերփափուկ բիոմիմետիկ նյութերի (lehfilcon A CL) ձևաբանության համապարփակ ըմբռնում: Պատկերման մեթոդով ստացված ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների չափերի և կառուցվածքի մասին տեղեկատվությունը հիմք է հանդիսանում մակերևույթի մեխանիկական բնութագրման համար՝ օգտագործելով AFM նանոինդենտացիայի տեխնիկան: Միկրոնային չափի գնդաձև կոլոիդային զոնդերի փոխարեն մենք ընտրեցինք PFQNM-LC-A-CAL սիլիցիումային նիտրիդային զոնդը (Bruker)՝ 140 նմ ծայրի տրամագծով, որը հատուկ նախագծված է կենսաբանական նմուշների մեխանիկական հատկությունների քանակական քարտեզագրման համար 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84: Համեմատաբար սուր զոնդերի օգտագործման հիմնավորումը, համեմատած ավանդական կոլոիդային զոնդերի հետ, կարելի է բացատրել նյութի կառուցվածքային առանձնահատկություններով: Համեմատելով զոնդի ծայրի չափը (~140 նմ) ​​CL lehfilcon A-ի մակերեսին ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների հետ, որոնք ցույց են տրված Նկար 3ա-ում, կարելի է եզրակացնել, որ ծայրը բավականաչափ մեծ է այս խոզանակային կառուցվածքների հետ անմիջական շփման համար, ինչը նվազեցնում է ծայրի դրանց միջով անցնելու հավանականությունը: Այս կետը պատկերազարդելու համար Նկար 4-ում ներկայացված է lehfilcon A CL-ի և AFM զոնդի խորացված ծայրի STEM պատկերը (նկարված մասշտաբով):
Սխեմատիկ պատկեր, որը ցույց է տալիս lehfilcon A CL-ի և ACM ինդենտային զոնդի STEM պատկերը (նկարված է մասշտաբով):
Բացի այդ, 140 նմ ծայրի չափը բավականաչափ փոքր է, որպեսզի խուսափենք CP-AFM նանոինդենտացիայի մեթոդով արտադրված պոլիմերային խոզանակների համար նախկինում հաղորդված կպչուն էքստրուզիայի էֆեկտներից որևէ մեկի ռիսկից69,71: Մենք ենթադրում ենք, որ այս AFM ծայրի հատուկ կոնաձև-գնդաձև ձևի և համեմատաբար փոքր չափի պատճառով (Նկար 1), lehfilcon A CL նանոինդենտացիայի միջոցով առաջացած ուժի կորի բնույթը կախված չի լինի ինդենտացիայի արագությունից կամ բեռնման/բեռնաթափման արագությունից: Հետևաբար, այն չի ազդվում պորոէլաստիկ էֆեկտներից: Այս վարկածը ստուգելու համար lehfilcon A CL նմուշները ինդենտացվել են ֆիքսված առավելագույն ուժով՝ օգտագործելով PFQNM-LC-A-CAL զոնդ, բայց երկու տարբեր արագություններով, և արդյունքում ստացված ձգման և հետ քաշման ուժի կորերը օգտագործվել են բաժանման ուժը (nN) (μm) գծագրելու համար, որը ցույց է տրված նկար 5ա-ում: Ակնհայտ է, որ բեռնման և բեռնաթափման ժամանակ ուժի կորերը լիովին համընկնում են, և նկարում չկա որևէ հստակ ապացույց, որ զրոյական խորության վրա ուժի կտրումը մեծանում է խորացման արագության հետ, ինչը ենթադրում է, որ առանձին խոզանակային տարրերը բնութագրվել են առանց ծակոտկեն առաձգականության էֆեկտի: Ի տարբերություն դրա, հեղուկի պահպանման էֆեկտները (մածուցիկ էքստրուզիա և ծակոտկեն առաձգականության էֆեկտներ) ակնհայտ են 45 մկմ տրամագծով AFM զոնդի համար նույն խորացման արագությամբ և ընդգծվում են ձգման և հետ քաշման կորերի միջև հիստերեզով, ինչպես ցույց է տրված նկար 5բ-ում: Այս արդյունքները հաստատում են վարկածը և ենթադրում, որ 140 նմ տրամագծով զոնդերը լավ ընտրություն են նման փափուկ մակերեսները բնութագրելու համար:
lehfilcon A CL ինդենտային ուժի կորեր՝ օգտագործելով ACM; (ա) օգտագործելով 140 նմ տրամագծով զոնդ երկու բեռնման արագություններով, ցույց տալով մակերեսային ինդենտային ժամանակ ծակոտկեն առաձգականության էֆեկտի բացակայությունը; (բ) օգտագործելով 45 մկմ և 140 նմ տրամագծով զոնդեր: s-ը ցույց է տալիս մածուցիկ էքստրուզիայի և ծակոտկեն առաձգականության էֆեկտները մեծ զոնդերի համար՝ համեմատած փոքր զոնդերի հետ:
Գերփափուկ մակերեսները բնութագրելու համար, AFM նանոինդենտացիայի մեթոդները պետք է ունենան ուսումնասիրվող նյութի հատկությունները ուսումնասիրելու լավագույն զոնդը: Բացի ծայրի ձևից և չափից, AFM դետեկտորի համակարգի զգայունությունը, փորձարկման միջավայրում ծայրի շեղման նկատմամբ զգայունությունը և կոնսոլային կոշտությունը կարևոր դեր են խաղում նանոինդենտացիայի չափումների ճշգրտությունն ու հուսալիությունը որոշելու գործում: Մեր AFM համակարգի համար դիրքի զգայուն դետեկտորի (PSD) հայտնաբերման սահմանը մոտավորապես 0.5 մՎ է և հիմնված է նախապես կարգավորված զսպանակի արագության վրա, իսկ PFQNM-LC-A-CAL զոնդի հաշվարկված հեղուկի շեղման զգայունությունը, որը համապատասխանում է տեսական բեռի զգայունությանը, պակաս է 0.1 պՆ-ից: Հետևաբար, այս մեթոդը թույլ է տալիս չափել նվազագույն ինդենտացիայի ուժը ≤ 0.1 պՆ առանց որևէ ծայրամասային աղմուկի բաղադրիչի: Այնուամենայնիվ, AFM համակարգի համար գրեթե անհնար է ծայրամասային աղմուկը նվազեցնել այս մակարդակին այնպիսի գործոնների պատճառով, ինչպիսիք են մեխանիկական տատանումները և հեղուկային դինամիկան: Այս գործոնները սահմանափակում են AFM նանոինդենտացիայի մեթոդի ընդհանուր զգայունությունը և նաև հանգեցնում են մոտավորապես ≤ 10 pN ֆոնային աղմուկի ազդանշանի: Մակերեսի բնութագրման համար lehfilcon A CL և SiHy ենթաշերտի նմուշները ինդենտացվել են լիովին հիդրատացված պայմաններում՝ օգտագործելով 140 նմ զոնդ SEM բնութագրման համար, և արդյունքում ստացված ուժի կորերը վերադրվել են ուժի (pN) և ճնշման միջև: Բաժանման գրաֆիկը (µm) ներկայացված է նկար 6ա-ում: SiHy հիմքի ենթաշերտի համեմատ, lehfilcon A CL ուժի կորը հստակ ցույց է տալիս անցումային փուլ, որը սկսվում է երկատված պոլիմերային խոզանակի հետ շփման կետից և ավարտվում թեքության կտրուկ փոփոխությամբ՝ նշելով ծայրի շփումը հիմքում ընկած նյութի հետ: Ուժի կորի այս անցումային մասը ընդգծում է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի իսկապես առաձգական վարքագիծը մակերեսի վրա, ինչի մասին վկայում է լարվածության կորին մոտիկից հետևող սեղմման կորը և խոզանակի կառուցվածքի և ծավալուն SiHy նյութի միջև մեխանիկական հատկությունների հակադրությունը: lefilcon-ը համեմատելիս: PCS-ի STEM պատկերում ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի միջին երկարության (Նկար 3ա) և Նկար 3ա.6ա-ում աբսցիսի երկայնքով դրա ուժի կորի բաժանումը ցույց է տալիս, որ մեթոդը կարող է հայտնաբերել ծայրը և ճյուղավորված պոլիմերը, որոնք հասնում են մակերեսի ամենավերևին: Խոզանակի կառուցվածքների միջև շփումը: Բացի այդ, ուժի կորերի սերտ համընկնումը ցույց է տալիս հեղուկի պահպանման էֆեկտի բացակայություն: Այս դեպքում ասեղի և նմուշի մակերեսի միջև բացարձակապես կպչունություն չկա: Երկու նմուշների ուժի կորերի վերին հատվածները համընկնում են, ինչը արտացոլում է հիմքի նյութերի մեխանիկական հատկությունների նմանությունը:
(ա) AFM նանոինդենտացիայի ուժի կորեր lehfilcon A CL հիմքերի և SiHy հիմքերի համար, (բ) ուժի կորեր, որոնք ցույց են տալիս շփման կետի գնահատումը՝ օգտագործելով ֆոնային աղմուկի շեմի մեթոդը։
Ուժի կորի ավելի մանրուքները ուսումնասիրելու համար, lehfilcon A CL նմուշի լարվածության կորը վերապատկերվում է Նկար 6բ-ում՝ y-առանցքի երկայնքով առավելագույնը 50 pN ուժով: Այս գրաֆիկը կարևոր տեղեկատվություն է տրամադրում սկզբնական ֆոնային աղմուկի մասին: Աղմուկը գտնվում է ±10 pN միջակայքում, որն օգտագործվում է շփման կետը ճշգրիտ որոշելու և խորացման խորությունը հաշվարկելու համար: Ինչպես նշվում է գրականության մեջ, շփման կետերի նույնականացումը կարևոր է նյութական հատկությունների, ինչպիսիք են մոդուլը, ճշգրիտ գնահատելու համար85: Ուժի կորի տվյալների ավտոմատ մշակումը ներառող մոտեցումը ցույց է տվել տվյալների համապատասխանության և քանակական չափումների միջև բարելավված համապատասխանություն փափուկ նյութերի86 համար: Այս աշխատանքում շփման կետերի մեր ընտրությունը համեմատաբար պարզ և օբյեկտիվ է, բայց այն ունի իր սահմանափակումները: Շփման կետը որոշելու մեր պահպանողական մոտեցումը կարող է հանգեցնել մոդուլի փոքր-ինչ գերագնահատված արժեքների՝ խորացման ավելի փոքր խորությունների համար (< 100 նմ): Ալգորիթմի վրա հիմնված շփման կետի հայտնաբերման և ավտոմատացված տվյալների մշակման կիրառումը կարող է լինել այս աշխատանքի շարունակությունը ապագայում՝ մեր մեթոդը հետագա կատարելագործելու համար: Այսպիսով, ±10 pN կարգի ներքին ֆոնային աղմուկի համար մենք շփման կետը սահմանում ենք որպես Նկար 6բ-ում x-առանցքի վրա առաջին տվյալների կետ՝ ≥10 pN արժեքով: Այնուհետև, 10 pN աղմուկի շեմին համապատասխան, ~0.27 µm մակարդակի ուղղահայաց գիծը նշում է մակերեսի հետ շփման կետը, որից հետո ձգման կորը շարունակվում է մինչև հիմքը հասնի ~270 նմ խորացման խորությանը: Հետաքրքիր է, որ պատկերման մեթոդով չափված ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի առանձնահատկությունների չափի (300–400 նմ) ​​հիման վրա, ֆոնային աղմուկի շեմային մեթոդով դիտարկված CL lehfilcon A նմուշի խորացման խորությունը մոտ 270 նմ է, որը շատ մոտ է STEM-ով չափման չափին: Այս արդյունքները հետագայում հաստատում են AFM զոնդի ծայրի ձևի և չափի համատեղելիությունը և կիրառելիությունը այս շատ փափուկ և բարձր առաձգական ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի խորացման համար: Այս տվյալները նաև ամուր ապացույցներ են տրամադրում ֆոնային աղմուկը որպես շեմ օգտագործելու մեր մեթոդը հաստատելու համար՝ շփման կետերը ճշգրիտ որոշելու համար: Այսպիսով, մաթեմատիկական մոդելավորումից և ուժի կորի ճշգրտումից ստացված ցանկացած քանակական արդյունք պետք է լինի համեմատաբար ճշգրիտ։
AFM նանոինդենտացիայի մեթոդներով քանակական չափումները լիովին կախված են տվյալների ընտրության և հետագա վերլուծության համար օգտագործվող մաթեմատիկական մոդելներից: Հետևաբար, կարևոր է հաշվի առնել ինդենտի ընտրության, նյութի հատկությունների և դրանց փոխազդեցության մեխանիկայի հետ կապված բոլոր գործոնները, նախքան որևէ մոդել ընտրելը: Այս դեպքում ծայրի երկրաչափությունը ուշադիր բնութագրվել է SEM միկրոֆոտոների միջոցով (Նկար 1), և արդյունքների հիման վրա, 140 նմ տրամագծով AFM նանոինդենտացիոն զոնդը՝ կոշտ կոնով և գնդաձև ծայրի երկրաչափությամբ, լավ ընտրություն է lehfilcon A CL79 նմուշների բնութագրման համար: Մեկ այլ կարևոր գործոն, որը պետք է ուշադիր գնահատվի, փորձարկվող պոլիմերային նյութի առաձգականությունն է: Չնայած նանոինդենտացիայի սկզբնական տվյալները (Նկար 5ա և 6ա) հստակորեն ուրվագծում են ձգման և սեղմման կորերի համընկնման առանձնահատկությունները, այսինքն՝ նյութի ամբողջական առաձգական վերականգնումը, չափազանց կարևոր է հաստատել շփումների զուտ առաձգական բնույթը: Այս նպատակով, լրիվ հիդրատացիայի պայմաններում, lehfilcon A CL նմուշի մակերեսի նույն տեղում, 1 մկմ/վրկ խորացման արագությամբ, կատարվել են երկու հաջորդական խորացումներ: Արդյունքում ստացված ուժի կորի տվյալները ներկայացված են նկար 7-ում, և, ինչպես և սպասվում էր, երկու տպագրությունների ընդարձակման և սեղմման կորերը գրեթե նույնական են, ինչը ընդգծում է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի բարձր առաձգականությունը:
Լեհֆիլկոն A CL-ի մակերևույթի նույն տեղում գտնվող երկու ինդենտային ուժի կորերը ցույց են տալիս ոսպնյակի մակերևույթի իդեալական առաձգականությունը։
Զոնդի ծայրի և lehfilcon A CL մակերեսի SEM և STEM պատկերներից ստացված տեղեկատվության հիման վրա, համապատասխանաբար, կոն-գնդաձև մոդելը AFM զոնդի ծայրի և փորձարկվող փափուկ պոլիմերային նյութի փոխազդեցության ողջամիտ մաթեմատիկական ներկայացում է: Բացի այդ, այս կոն-գնդաձև մոդելի համար տպագրված նյութի առաձգական հատկությունների վերաբերյալ հիմնարար ենթադրությունները ճիշտ են այս նոր բիոմիմետիկ նյութի համար և օգտագործվում են առաձգականության մոդուլը քանակականացնելու համար:
AFM նանոինդենտացիայի մեթոդի և դրա բաղադրիչների համապարփակ գնահատումից հետո, ներառյալ ինդենտացիայի զոնդի հատկությունները (ձևը, չափը և զսպանակի կոշտությունը), զգայունությունը (ֆոնային աղմուկը և շփման կետի գնահատումը) և տվյալների համապատասխանեցման մոդելները (քանակական մոդուլի չափումներ), օգտագործվել է մեթոդը: Քանակական արդյունքները ստուգելու համար բնութագրվել են առևտրային առումով մատչելի գերփափուկ նմուշները: 1 կՊա առաձգականության մոդուլով առևտրային պոլիակրիլամիդային (PAAM) հիդրոգելը փորձարկվել է հիդրատացված պայմաններում՝ օգտագործելով 140 նմ զոնդ: Մոդուլի փորձարկման և հաշվարկների մանրամասները տրամադրվում են լրացուցիչ տեղեկատվության մեջ: Արդյունքները ցույց են տվել, որ չափված միջին մոդուլը կազմել է 0.92 կՊա, իսկ %RSD-ն և տոկոսային (%) շեղումը հայտնի մոդուլից՝ 10%-ից պակաս: Այս արդյունքները հաստատում են այս աշխատանքում օգտագործված AFM նանոինդենտացիայի մեթոդի ճշգրտությունը և վերարտադրելիությունը՝ գերփափուկ նյութերի մոդուլները չափելու համար: Լեհֆիլկոն A CL նմուշների մակերեսները և SiHy հիմքի հիմքը հետագայում բնութագրվել են նույն AFM նանոինդենտացիայի մեթոդով՝ գերփափուկ մակերեսի ակնհայտ շփման մոդուլը որպես ինդենտացիայի խորության ֆունկցիա ուսումնասիրելու համար: Ինդենտացիայի ուժի բաժանման կորերը ստեղծվել են յուրաքանչյուր տեսակի երեք նմուշների համար (n = 3; մեկ ինդենտացիա յուրաքանչյուր նմուշի համար) 300 pN ուժի, 1 µմ/վ արագության և լրիվ հիդրատացիայի դեպքում: Ինդենտացիայի ուժի բաշխման կորը մոտավորվել է կոն-գնդաձև մոդելի միջոցով: Ինդենտացիայի խորությունից կախված մոդուլ ստանալու համար ուժի կորի 40 նմ լայնությամբ հատված է սահմանվել յուրաքանչյուր 20 նմ աճին՝ սկսած շփման կետից, և չափվել են մոդուլի արժեքները ուժի կորի յուրաքանչյուր քայլում: Սփին Սի և այլք: Նմանատիպ մոտեցում է օգտագործվել պոլի(լաուրիլ մետակրիլատ) (P12MA) պոլիմերային խոզանակների մոդուլի գրադիենտը բնութագրելու համար՝ օգտագործելով կոլոիդային AFM զոնդով նանոինդենտացիա, և դրանք համապատասխանում են Հերցի շփման մոդելի տվյալներին: Այս մոտեցումը հնարավորություն է տալիս պատկերել ակնհայտ շփման մոդուլի (կՊա) և խորացման խորության (նմ) միջև գրաֆիկը, ինչպես ցույց է տրված նկար 8-ում, որը պատկերում է ակնհայտ շփման մոդուլը/խորության գրադիենտը: CL lehfilcon A նմուշի հաշվարկված առաձգականության մոդուլը նմուշի վերին 100 նմ-ի սահմաններում գտնվում է 2-3 կՊա միջակայքում, որից այն կողմ այն ​​սկսում է աճել խորության հետ մեկտեղ: Մյուս կողմից, SiHy հիմքը մակերեսին խոզանականման թաղանթ չունենալու դեպքում, 300 pN ուժի ազդեցության տակ ստացված առավելագույն խորացումը 50 նմ-ից պակաս է, իսկ տվյալներից ստացված մոդուլի արժեքը մոտ 400 կՊա է, որը համեմատելի է Յունգի մոդուլի արժեքների հետ զանգվածային նյութերի համար:
Լեհֆիլկոն A CL և SiHy հիմքերի ակնհայտ շփման մոդուլը (կՊա) ընդդեմ խորության (նմ)՝ օգտագործելով AFM նանոներծծման մեթոդը կոն-գնդաձև երկրաչափությամբ՝ մոդուլը չափելու համար։
Նորարարական բիոմիմետիկ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի վերին մակերեսը ցուցաբերում է առաձգականության չափազանց ցածր մոդուլ (2–3 կՊա): Սա կհամապատասխանի երկատված պոլիմերային խոզանակի ազատ կախված ծայրին, ինչպես ցույց է տրված STEM պատկերում: Չնայած CL-ի արտաքին եզրին մոդուլի գրադիենտի որոշ վկայություններ կան, բարձր մոդուլի հիմնական հիմքն ավելի ազդեցիկ է: Այնուամենայնիվ, մակերեսի վերին 100 նմ-ը ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի ընդհանուր երկարության 20%-ի սահմաններում է, ուստի ողջամիտ է ենթադրել, որ այս խորացման խորության տիրույթում մոդուլի չափված արժեքները համեմատաբար ճշգրիտ են և ուժեղ կախված չեն ներքևի օբյեկտի ազդեցությունից:
Լեհֆիլկոն Ա կոնտակտային լինզաների եզակի բիոմիմետիկ դիզայնի պատճառով, որոնք բաղկացած են SiHy հիմքերի մակերեսին պատվաստված ճյուղավորված PMPC պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքներից, շատ դժվար է հուսալիորեն բնութագրել դրանց մակերեսային կառուցվածքների մեխանիկական հատկությունները՝ օգտագործելով ավանդական չափման մեթոդներ: Այստեղ մենք ներկայացնում ենք առաջադեմ AFM նանոինդենտացիայի մեթոդ՝ ճշգրիտ բնութագրելու համար այնպիսի գերփափուկ նյութեր, ինչպիսիք են լեֆիլկոն Ա-ն՝ ջրի բարձր պարունակությամբ և չափազանց բարձր առաձգականությամբ: Այս մեթոդը հիմնված է AFM զոնդի օգտագործման վրա, որի ծայրի չափը և երկրաչափությունը ուշադիր ընտրվում են՝ համապատասխանելու տպագրվող գերփափուկ մակերեսային հատկանիշների կառուցվածքային չափսերին: Զոնդի և կառուցվածքի միջև չափերի այս համադրությունը ապահովում է զգայունության բարձրացում, որը թույլ է տալիս մեզ չափել ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակային տարրերի ցածր մոդուլը և բնածին առաձգական հատկությունները՝ անկախ պորոէլաստիկ ազդեցություններից: Արդյունքները ցույց տվեցին, որ լինզաների մակերեսին բնորոշ եզակի ճյուղավորված PMPC պոլիմերային խոզանակները ջրային միջավայրում փորձարկվելիս ունեցել են չափազանց ցածր առաձգականության մոդուլ (մինչև 2 կՊա) և շատ բարձր առաձգականություն (մոտ 100%): AFM նանոինդենտացիայի արդյունքները մեզ թույլ տվեցին նաև բնութագրել բիոմիմետիկ ոսպնյակի մակերեսի ակնհայտ շփման մոդուլի/խորության գրադիենտը (30 կՊա/200 նմ): Այս գրադիենտը կարող է պայմանավորված լինել ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների և SiHy հիմքի միջև մոդուլի տարբերությամբ, կամ պոլիմերային խոզանակների ճյուղավորված կառուցվածքով/խտությամբ, կամ դրանց համադրությամբ: Այնուամենայնիվ, անհրաժեշտ են հետագա խորը ուսումնասիրություններ՝ կառուցվածքի և հատկությունների միջև եղած կապը, մասնավորապես խոզանակի ճյուղավորման ազդեցությունը մեխանիկական հատկությունների վրա, լիովին հասկանալու համար: Նմանատիպ չափումները կարող են օգնել բնութագրել այլ գերփափուկ նյութերի և բժշկական սարքերի մակերեսի մեխանիկական հատկությունները:
Ընթացիկ ուսումնասիրության ընթացքում ստեղծված և/կամ վերլուծված տվյալների հավաքածուները հասանելի են համապատասխան հեղինակներից՝ ողջամիտ պահանջի դեպքում։
Ռահմատի, Մ., Սիլվա, Է.Ա., Ռիզելանդ, Ջ.Ե., Հեյվարդ, Կ. և Հաուգեն, Հ.Ջ. Կենսաբանական ռեակցիաներ բիոմատերիալների մակերեսների ֆիզիկական և քիմիական հատկությունների նկատմամբ: Քիմիական ընկերություն: Խմբ. 49, 5178–5224 (2020):
Չեն, Ֆ.Մ. և Լյու, Շ. Մարդու կողմից ստացված բիոմատերիալների կատարելագործում հյուսվածքային ճարտարագիտության համար։ ծրագրավորում։ պոլիմեր։ գիտություն։ 53, 86 (2016)։
Սադլեր, Կ. և այլք։ Կենսանյութերի նախագծումը, կլինիկական կիրառումը և իմունային պատասխանը վերականգնողական բժշկության մեջ։ National Matt Rev. 1, 16040 (2016)։
Օլիվեր Վ.Կ. և Ֆարր Գ.Մ. Կարծրության և առաձգականության մոդուլի որոշման բարելավված մեթոդ՝ օգտագործելով ինդենտային փորձեր՝ բեռնվածքի և տեղաշարժի չափումներով: J. Alma mater. պահեստային տանկ: 7, 1564–1583 (2011):
Ուոլի, Ս.Մ. Ինդենտային կարծրության փորձարկման պատմական ծագումը։ Ալմա մատեր։ Գիտություն։ Տեխնոլոգիաներ։ 28, 1028–1044 (2012)։
Բրոյթման, Է. Ինդենտային կարծրության չափումներ մակրո-, միկրո- և նանոմասշտաբներում. քննադատական ​​​​ակնարկ: ցեղ: Ռայթ: 65, 1–18 (2017):
Կաուֆման, Ջ.Դ. և Կլապպերիխ, Ս.Մ. Մակերեսային հայտնաբերման սխալները հանգեցնում են մոդուլի գերագնահատման փափուկ նյութերի նանոինդենտացիայի ժամանակ: Ջ. Մեչա. Վարքագիծ: Կենսաբժշկական գիտություն: alma mater. 2, 312–317 (2009):
Քարիմզադե Ա., Կոլոր ՍՍՌ, Այաթոլլախի Մ.Ռ., Բուշրոա Ա.Ռ. և Յահյա Մ.Յու. Նանոինդենտացիայի մեթոդի գնահատումը տարասեռ նանոկոմպոզիտների մեխանիկական բնութագրերի որոշման համար՝ օգտագործելով փորձարարական և հաշվողական մեթոդներ: գիտություն: Տուն 9, 15763 (2019):
Լյու, Կ., ՎանԼենդինգհեմ, Մ.Ռ., և Օվարտ, Տ.Ս. Փափուկ մածուցիկ-առաձգական գելերի մեխանիկական բնութագրում ինդենտային և օպտիմալացման վրա հիմնված հակադարձ վերջավոր տարրերի վերլուծության միջոցով: Ջ. Մեչա: Վարքագիծ: Կենսաբժշկական գիտություն: alma mater. 2, 355–363 (2009):
Էնդրյուս Ջ.Վ., Բոուեն Ջ. և Շանելեր Դ.: Վիսկոէլաստիկության որոշման օպտիմալացում համատեղելի չափման համակարգերի միջոցով: Soft Matter 9, 5581–5593 (2013):
Բրիսկո, Բ.Ջ., Ֆիորի, Լ. և Պելիլիո, Ե. Պոլիմերային մակերեսների նանոինդենցիա։ J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998)։
Միյալովիչ Ա.Ս., Ցին Բ., Ֆորտունատո Դ. և Վան Վլիտ Կ.Ջ. Բարձր առաձգական պոլիմերների և կենսաբանական հյուսվածքների մածուցիկ-առաձգական մեխանիկական հատկությունների բնութագրումը՝ օգտագործելով հարվածային ինդենցիա: Կենսանյութերի հանդես: 71, 388–397 (2018):
Պերեպելկին Ն.Վ., Կովալև Ա.Ե., Գորբ Ս.Ն., Բորոդիչ Ֆ.Մ. Փափուկ նյութերի առաձգականության մոդուլի և կպչունության աշխատանքի գնահատումը՝ օգտագործելով ընդլայնված Բորոդիչ-Գալանովի (Բ.Գ.) մեթոդը և խորը ներփակումը: fur. alma mater. 129, 198–213 (2019):
Շի, Շ. և այլք։ Սիլիկոնային հիդրոգելային կոնտակտային ոսպնյակների բիոմիմետիկ պոլիմերային մակերեսների նանոմասշտաբային ձևաբանություն և մեխանիկական հատկություններ։ Լանգմուիր 37, 13961–13967 (2021)։