Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Þú ert að nota vafraútgáfu með takmörkuðum CSS-stuðningi. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Til að tryggja áframhaldandi stuðning sýnum við síðuna án stíla og JavaScript.
Sýnir hringekju með þremur glærum í einu. Notaðu hnappana Fyrri og Næsta til að fletta í gegnum þrjár glærur í einu, eða notaðu rennihnappana í lokin til að fletta í gegnum þrjár glærur í einu.
Með þróun nýrra, afar mjúkra efna fyrir lækningatæki og líflæknisfræðileg notkun er ítarleg greining á eðlisfræðilegum og vélrænum eiginleikum þeirra bæði mikilvæg og krefjandi. Breytt nanóinndráttartækni með atómkraftssmásjá (AFM) var notuð til að lýsa afar lágu yfirborðsstuðli nýju lehfilcon A lífhermandi sílikonhýdrógel snertilinsunnar sem er húðuð með lagi af greinóttum fjölliðuburstbyggingum. Þessi aðferð gerir kleift að ákvarða snertipunkta nákvæmlega án áhrifa seigfljótandi útdráttar þegar nálgast er greinótt fjölliður. Að auki gerir hún það mögulegt að ákvarða vélræna eiginleika einstakra burstaþátta án áhrifa poróteygjanleika. Þetta er náð með því að velja AFM-mæli með hönnun (stærð oddis, rúmfræði og fjöðrunartíðni) sem er sérstaklega hentug til að mæla eiginleika mjúkra efna og líffræðilegra sýna. Þessi aðferð bætir næmi og nákvæmni fyrir nákvæma mælingu á mjög mjúka efninu lehfilcon A, sem hefur afar lágan teygjanleikastuðul á yfirborði (allt að 2 kPa) og afar mikla teygjanleika í innra (næstum 100%) vatnsumhverfi. Niðurstöður yfirborðsrannsóknarinnar leiddu ekki aðeins í ljós eiginleika lehfilcon A linsunnar sem afar mjúkt yfirborð, heldur einnig að stuðull greinóttra fjölliðubursta var sambærilegur við stuðull kísill-vetnis undirlagsins. Þessa yfirborðsgreiningaraðferð er hægt að nota á önnur afar mjúk efni og lækningatæki.
Vélrænir eiginleikar efna sem eru hönnuð til beinnar snertingar við lifandi vefi eru oft ákvörðuð af líffræðilegu umhverfi. Fullkomin samsvörun þessara efniseiginleika hjálpar til við að ná fram þeim klínísku eiginleikum efnisins sem óskað er eftir án þess að valda neikvæðum frumuviðbrögðum1,2,3. Fyrir einsleit efni í lausu magni er tiltölulega auðvelt að greina vélræna eiginleika vegna framboðs á stöðluðum aðferðum og prófunaraðferðum (t.d. örinnþrýstingur4,5,6). Hins vegar, fyrir ofurmjúk efni eins og gel, vetnisgel, líffjölliður, lifandi frumur o.s.frv., eru þessar prófunaraðferðir almennt ekki nothæfar vegna takmarkana á mælingarupplausn og óeinsleitni sumra efna7. Í gegnum árin hafa hefðbundnar innþrýstingsaðferðir verið breyttar og aðlagaðar til að greina fjölbreytt úrval af mjúkum efnum, en margar aðferðir þjást enn af alvarlegum göllum sem takmarka notkun þeirra8,9,10,11,12,13. Skortur á sérhæfðum prófunaraðferðum sem geta nákvæmlega og áreiðanlega greint vélræna eiginleika ofurmjúkra efna og yfirborðslaga takmarkar verulega notkun þeirra í ýmsum tilgangi.
Í fyrri vinnu okkar kynntum við lehfilcon A (CL) snertilinsuna, mjúka, ólíkgerða efnivið með öllum þeim einstaklega mjúku yfirborðseiginleikum sem eru dregnir af hugsanlega lífhermandi hönnun innblásin af yfirborði hornhimnu augans. Þetta lífefni var þróað með því að græða greinótt, þverbundið fjölliðulag af pólý(2-metakrýlóýloxýetýlfosfórýlkólíni (MPC)) (PMPC) á sílikonhýdrógel (SiHy) 15 sem er hannað fyrir lækningatæki byggt á. Þessi ígræðsluaðferð býr til lag á yfirborðinu sem samanstendur af mjög mjúkri og mjög teygjanlegri greinóttri fjölliðuburstabyggingu. Fyrri vinna okkar hefur staðfest að lífhermandi uppbygging lehfilcon A CL veitir framúrskarandi yfirborðseiginleika eins og bætta vætu- og mengunarvörn, aukna smurningu og minnkaða viðloðun frumna og baktería 15,16. Að auki bendir notkun og þróun þessa lífhermandi efnis einnig til frekari útbreiðslu í önnur líftæknitæki. Þess vegna er mikilvægt að lýsa yfirborðseiginleikum þessa afar mjúka efnis og skilja vélræna samspil þess við augað til að búa til alhliða þekkingargrunn til að styðja við framtíðarþróun og notkun. Flestar SiHy snertilinsur sem fást á markaði eru samsettar úr einsleitri blöndu af vatnssæknum og vatnsfælnum fjölliðum sem mynda einsleita efnisbyggingu17. Nokkrar rannsóknir hafa verið gerðar til að kanna vélræna eiginleika þeirra með hefðbundnum þjöppunar-, tog- og örinndráttarprófunaraðferðum18,19,20,21. Hins vegar gerir nýstárleg lífhermandi hönnun lehfilcon A CL það að einstöku ólíku efni þar sem vélrænir eiginleikar greinóttra fjölliðuburstabygginga eru verulega frábrugðnir þeim sem eru í SiHy grunnundirlaginu. Þess vegna er mjög erfitt að magngreina þessa eiginleika nákvæmlega með hefðbundnum aðferðum og inndráttaraðferðum. Efnileg aðferð notar nanóinndráttarprófunaraðferð sem notuð er í atómkraftssmásjá (AFM), aðferð sem hefur verið notuð til að ákvarða vélræna eiginleika mjúkra seigfljótandi efna eins og líffræðilegra frumna og vefja, sem og mjúkra fjölliða22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Í AFM nanóinndráttarprófun eru grunnatriði nanóinndráttarprófana sameinuð nýjustu framförum í AFM tækni til að veita aukna mælingarnæmi og prófanir á fjölbreyttum efnum sem eru í eðli sínu ofurmjúk31,32,33,34,35,36. Að auki býður tæknin upp á aðra mikilvæga kosti með notkun mismunandi rúmfræði, inndráttar og rannsakanda og möguleikann á að prófa í ýmsum fljótandi miðlum.
Nanóinndrátt með AFM má skipta skilyrt í þrjá meginþætti: (1) búnað (skynjara, skynjara, rannsakendur o.s.frv.); (2) mælibreytur (eins og kraftur, tilfærsla, hraði, rampastærð o.s.frv.); (3) Gagnavinnsla (grunnlínuleiðrétting, mat á snertipunkti, gagnaaðlögun, líkanagerð o.s.frv.). Mikilvægt vandamál með þessa aðferð er að nokkrar rannsóknir í fræðiritum sem nota nanóinndrátt með AFM gefa mjög mismunandi megindlega niðurstöður fyrir sama sýni/frumu/efnistegund37,38,39,40,41. Til dæmis, Lekka o.fl. Áhrif rúmfræði AFM rannsakanda á mældan Young-stuðull sýna af vélrænt einsleitum hýdrógel- og ólíkgerðum frumum voru rannsökuð og borin saman. Þeir greina frá því að gildi stuðullsins eru mjög háð vali á sveigju og lögun oddi, þar sem hæsta gildið er fyrir pýramídalaga rannsakanda og lægsta gildið 42 fyrir kúlulaga rannsakanda. Á sama hátt, Selhuber-Unkel o.fl. Sýnt hefur verið fram á hvernig inndráttarhraði, stærð inndráttar og þykkt pólýakrýlamíð (PAAM) sýna hafa áhrif á Youngs stuðullinn sem mældur er með ACM43 nanóinndrátt. Annar flækjandi þáttur er skortur á stöðluðum prófunarefnum með afar lágum stuðli og frjálsum prófunaraðferðum. Þetta gerir það mjög erfitt að fá nákvæmar niðurstöður með öryggi. Hins vegar er aðferðin mjög gagnleg fyrir hlutfallslegar mælingar og samanburðarmat á milli svipaðra sýnategunda, til dæmis með því að nota AFM nanóinndrátt til að greina á milli eðlilegra frumna frá krabbameinsfrumum 44, 45.
Þegar mjúk efni eru prófuð með AFM nanóinndrátt er almenn þumalputtaregla að nota mæli með lágum fjaðurstuðli (k) sem passar vel við sýnisstuðulinn og hálfkúlulaga/hringlaga oddi svo að fyrsti mælirinn stungist ekki í gegnum yfirborð sýnisins við fyrstu snertingu við mjúk efni. Það er einnig mikilvægt að sveigjumerkið sem mælirinn myndar sé nógu sterkt til að leysigeislakerfið geti greint það24,34,46,47. Þegar um er að ræða afar mjúkar ólíkar frumur, vefi og gel er önnur áskorun að sigrast á viðloðunarkraftinum milli mælisins og yfirborðs sýnisins til að tryggja endurtakanlegar og áreiðanlegar mælingar48,49,50. Þangað til nýlega hefur mest vinna við AFM nanóinndrátt beinst að rannsóknum á vélrænni hegðun líffræðilegra frumna, vefja, gel, vetnisgela og lífsameinda með því að nota tiltölulega stóra kúlulaga mælitæki, almennt kallað kolloidal mælitæki (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Þessir oddar hafa radíus frá 1 til 50 µm og eru almennt gerðir úr bórsílíkatgleri, pólýmetýlmetakrýlati (PMMA), pólýstýreni (PS), kísildíoxíði (SiO2) og demantslíku kolefni (DLC). Þó að CP-AFM nanóinndráttur sé oft fyrsti kosturinn við greiningu á mjúkum sýnum, hefur hann sín eigin vandamál og takmarkanir. Notkun stórra, míkrómetra-stórra kúlulaga odds eykur heildar snertiflatarmál oddsins við sýnið og leiðir til verulegs taps á rúmfræðilegri upplausn. Fyrir mjúk, óeinsleit sýni, þar sem vélrænir eiginleikar staðbundinna þátta geta verið verulega frábrugðnir meðaltali yfir stærra svæði, getur CP-inndráttur falið alla óeinsleitni í eiginleikum á staðbundnum skala52. Kolloidal rannsakendur eru venjulega gerðir með því að festa míkrómetra-stórar kolloidalkúlur við oddilausar sjálfsfestingar með epoxy-lími. Framleiðsluferlið sjálft er fullt af vandamálum og getur leitt til ósamræmis í kvörðunarferli rannsakandans. Að auki hefur stærð og massi kolloidal agna bein áhrif á helstu kvörðunarbreytur útkragans, svo sem ómsveiflutíðni, stífleika fjöðranna og næmi fyrir sveigju56,57,58. Þannig geta algengar aðferðir fyrir hefðbundnar AFM rannsakar, svo sem hitastigskvörðun, ekki veitt nákvæma kvörðun fyrir CP, og aðrar aðferðir gætu verið nauðsynlegar til að framkvæma þessar leiðréttingar57, 59, 60, 61. Dæmigerðar CP inndráttartilraunir nota stór frávik í útkraganum til að rannsaka eiginleika mjúkra sýna, sem skapar annað vandamál þegar ólínuleg hegðun útkragans er kvörðuð við tiltölulega stór frávik62,63,64. Nútímalegar inndráttaraðferðir fyrir kolloidal rannsaka taka venjulega tillit til rúmfræði útkragans sem notaður er til að kvarða rannsakandann, en hunsa áhrif kolloidal agna, sem skapar aukna óvissu í nákvæmni aðferðarinnar38,61. Á sama hátt eru teygjustuðull reiknaður með snertilíkanaaðlögun beint háður rúmfræði inndráttarprófarans og ósamræmi milli eiginleika oddis og yfirborðs sýnisins getur leitt til ónákvæmni27, 65, 66, 67, 68. Í nýlegum rannsóknum eftir Spencer o.fl. er lögð áhersla á þá þætti sem taka ætti tillit til við greiningu mjúkra fjölliðubursta með CP-AFM nanóinndráttaraðferðinni. Þeir greindu frá því að varðveisla seigfljótandi vökva í fjölliðuburstum sem fall af hraða leiðir til aukinnar álags á haus og þar af leiðandi mismunandi mælinga á hraðaháðum eiginleikum30,69,70,71.
Í þessari rannsókn höfum við lýst yfirborðsstuðlinum (e. yeautum modulus) hins afar mjúka, mjög teygjanlega efnis lehfilcon A CL með því að nota breytta AFM nanóinndráttaraðferð. Miðað við eiginleika og nýja uppbyggingu þessa efnis er næmnisvið hefðbundinnar inndráttaraðferðar greinilega ófullnægjandi til að lýsa stuðlinum í þessu afar mjúka efni, þannig að það er nauðsynlegt að nota AFM nanóinndráttaraðferð með hærri næmni og lægri næmni. Eftir að hafa skoðað galla og vandamál núverandi kolloidal AFM nanóinndráttaraðferða, sýnum við fram á hvers vegna við völdum minni, sérsniðna AFM mæli til að útrýma næmi, bakgrunnshávaða, nákvæmum snertipunkti, mæla hraðastuðul mjúkra, ólíkgerðra efna eins og vökvasöfnunarháðni og nákvæmri magngreiningu. Að auki gátum við mælt nákvæmlega lögun og stærð inndráttaroddsins, sem gerir okkur kleift að nota keilu-kúlu líkanið til að ákvarða teygjanleikastuðulinn án þess að meta snertiflatarmál oddins við efnið. Tvær óbeinar forsendur sem eru magngreindar í þessari vinnu eru eiginleikar efnisins að fullu teygjanleiki og stuðullinn sem er óháður inndráttardýpt. Með þessari aðferð prófuðum við fyrst ofurmjúka staðla með þekktri stuðull til að magngreina aðferðina og notuðum síðan þessa aðferð til að lýsa yfirborði tveggja mismunandi snertilinsuefna. Þessi aðferð til að lýsa AFM nanóinndráttarfleti með aukinni næmni er væntanlega nothæf fyrir fjölbreytt lífhermandi ólík, ofurmjúk efni með mögulega notkun í lækningatækjum og lífeðlisfræðilegum tilgangi.
Lehfilcon A snertilinsur (Alcon, Fort Worth, Texas, Bandaríkin) og sílikonhýdrógel undirlag þeirra voru valin fyrir nanóinndráttartilraunir. Sérhönnuð linsufesting var notuð í tilrauninni. Til að setja linsuna upp fyrir prófunina var hún vandlega sett á hvelfðan stand, gengið úr skugga um að engar loftbólur kæmust inn í hana og síðan fest með brúnunum. Gat í festingunni efst á linsufestingunni veitir aðgang að sjónrænum miðju linsunnar fyrir nanóinndráttartilraunir á meðan vökvanum er haldið á sínum stað. Þetta heldur linsunum fullkomlega vökvuðum. 500 μl af umbúðalausn fyrir snertilinsur var notuð sem prófunarlausn. Til að staðfesta megindlegar niðurstöður voru fáanleg óvirk pólýakrýlamíð (PAAM) hýdrógel, sem eru fáanleg í verslunum, útbúin úr pólýakrýlamíð-kó-metýlen-bísakrýlamíð samsetningu (100 mm Petrisoft Petri skálar, Matrigen, Irvine, Kaliforníu, Bandaríkin), með þekktan teygjustuðul upp á 1 kPa. Notið 4-5 dropa (u.þ.b. 125 µl) af fosfatlausn með stuðpúða (PBS frá Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, Bandaríkjunum) og 1 dropa af OPTI-FREE Puremoist snertilinsulausn (Alcon, Vaud, TX, Bandaríkjunum) á millifleti AFM hýdrógelsins og rannsakandans.
Sýni af Lehfilcon A CL og SiHy undirlögum voru sýnd með FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) kerfi útbúið með skönnunargeislunar rafeindasmásjá (STEM) skynjara. Til að undirbúa sýnin voru linsurnar fyrst þvegnar með vatni og skornar í bökulaga sneiðar. Til að ná fram mismunandi birtuskilum milli vatnssækinna og vatnsfælinna þátta sýnanna var 0,10% stöðug lausn af RuO4 notuð sem litarefni, sem sýnin voru dýft í í 30 mínútur. Lehfilcon A CL RuO4 litunin er mikilvæg ekki aðeins til að ná fram bættum mismunandi birtuskilum, heldur hjálpar einnig til við að varðveita uppbyggingu greinóttra fjölliðubursta í upprunalegri mynd, sem síðan sést á STEM myndum. Þeir voru síðan þvegnir og þurrkaðir í röð af etanól/vatnsblöndum með vaxandi etanólstyrk. Sýnin voru síðan steypt með EMBed 812/Araldite epoxy, sem herti yfir nótt við 70°C. Sýnishorn af blokkum sem fengust með plastefnisfjölliðun voru skorin með öfgaörmum (ultramicrotome) og þunnu sneiðarnar sem mynduðust voru sýndar með STEM skynjara í lágt lofttæmisham við 30 kV hröðunarspennu. Sama SEM kerfi var notað til að greina ítarlega PFQNM-LC-A-CAL AFM rannsakann (Bruker Nano, Santa Barbara, Kaliforníu, Bandaríkjunum). SEM myndir af AFM rannsakanum voru teknar í dæmigerðu háu lofttæmisham með 30 kV hröðunarspennu. Myndir voru teknar úr mismunandi sjónarhornum og með mismunandi stækkun til að skrá allar upplýsingar um lögun og stærð AFM rannsakandaoddsins. Allar oddvíddir sem um ræðir á myndunum voru mældar stafrænt.
Notað var Dimension FastScan Bio Icon atómkraftssmásjá (Bruker Nano, Santa Barbara, Kaliforníu, Bandaríkjunum) með „PeakForce QNM in Fluid“ stillingu til að sjá og nanóinnrengja lehfilcon A CL, SiHy hvarfefni og PAAm hýdrógel sýni. Fyrir myndgreiningartilraunirnar var PEAKFORCE-HIRS-FA mælitæki (Bruker) með nafngreindum oddiradíus upp á 1 nm notað til að taka hágæða myndir af sýninu við skönnunarhraða 0,50 Hz. Allar myndir voru teknar í vatnslausn.
Tilraunir með AFM nanóinndrátt voru gerðar með PFQNM-LC-A-CAL rannsaka (Bruker). AFM rannsakinn er með kísilodd á nítríðkantilever sem er 345 nm þykkur, 54 µm langur og 4,5 µm breiður með ómsveiflutíðni 45 kHz. Hann er sérstaklega hannaður til að lýsa og framkvæma megindlegar nanóvélrænar mælingar á mjúkum líffræðilegum sýnum. Skynjararnir eru kvarðaðir hver fyrir sig í verksmiðjunni með forstilltum fjaðurstillingum. Fjaðurstuðlarnir í rannsökunum sem notaðir voru í þessari rannsókn voru á bilinu 0,05–0,1 N/m. Til að ákvarða lögun og stærð oddins nákvæmlega var rannsakinn lýstur í smáatriðum með rafeindasmásjá (SEM). Á mynd 1a sýnir mynd 1a rafeindasmásjármynd með mikilli upplausn og lágri stækkun af PFQNM-LC-A-CAL rannsakanum, sem gefur heildræna sýn á hönnun rannsakans. Á mynd 1b sýnir stækkaða sýn af efri hluta rannsakoddsins, sem veitir upplýsingar um lögun og stærð oddins. Í ysta endanum er nálin hálfkúlulaga, um 140 nm í þvermál (Mynd 1c). Fyrir neðan þetta mjókkar oddurinn í keilulaga lögun og nær mældri lengd upp á um það bil 500 nm. Utan við mjókkandi svæðisins er oddurinn sívalningslaga og endar í heildarlengd odds upp á 1,18 µm. Þetta er aðalhluti mælioddsins. Að auki var stór kúlulaga mælir úr pólýstýreni (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, Bandaríkjunum) með oddþvermál upp á 45 µm og fjaðurstuðul upp á 2 N/m einnig notaður til prófunar sem kolloidal mælir, með PFQNM-LC-A-CAL 140 nm mæli til samanburðar.
Greint hefur verið frá því að vökvi geti festist á milli AFM-rannsóknartækisins og fjölliðuburstabyggingarinnar við nanóinndrátt, sem mun beita uppávið krafti á AFM-rannsóknartækið áður en það snertir yfirborðið69. Þessi seigfljótandi útpressunaráhrif vegna vökvasöfnunar geta breytt sýnilegum snertipunkti og þar með haft áhrif á mælingar á yfirborðsstuðli. Til að rannsaka áhrif lögun rannsóknartækisins og inndráttarhraða á vökvasöfnun voru inndráttarkraftsferlar teiknaðir fyrir lehfilcon A CL sýni með því að nota rannsöku með þvermál 140 nm við fasta tilfærsluhraða 1 µm/s og 2 µm/s. Þvermál rannsökutækisins 45 µm, fastur kraftur 6 nN náðist við 1 µm/s. Tilraunir með rannsöku með þvermál 140 nm voru framkvæmdar við inndráttarhraða 1 µm/s og stilltan kraft 300 pN, valinn til að skapa snertiþrýsting innan lífeðlisfræðilegs bils (1–8 kPa) efra augnloksins. þrýstingur 72. Mjúk tilbúin sýni af PAA vatnsgeli með þrýsting upp á 1 kPa voru prófuð fyrir inndráttarkraft upp á 50 pN við hraðann 1 μm/s með því að nota mælitæki með þvermál 140 nm.
Þar sem lengd keilulaga hluta oddins á PFQNM-LC-A-CAL rannsakandanum er um það bil 500 nm, má með vissu gera ráð fyrir að rúmfræði rannsakandans við inndrátt haldist keilulaga lögun sinni. Að auki er gert ráð fyrir að yfirborð efnisins sem verið er að prófa sýni afturkræfa teygjanlega svörun, sem einnig verður staðfest í eftirfarandi köflum. Þess vegna, eftir lögun og stærð oddins, völdum við keilu-kúlu aðlögunarlíkanið sem þróað var af Briscoe, Sebastian og Adams, sem er aðgengilegt í hugbúnaði framleiðandans, til að vinna úr AFM nanóinndráttartilraunum okkar (NanoScope). Hugbúnaður fyrir greiningu aðskilnaðargagna, Bruker) 73. Líkanið lýsir kraft-færslu sambandinu F(δ) fyrir keilu með kúlulaga toppgalla. Á mynd ... Mynd 2 sýnir snertingargeómetrið við samspil stífrar keilu og kúlulaga oddi, þar sem R er radíus kúlulaga oddins, a er snertiradíusinn, b er snertiradíusinn á enda kúlulaga oddins, δ er snertiradíusinn. Inndráttardýpt, θ er hálfhorn keilunnar. SEM mynd af þessari mælieiningu sýnir greinilega að kúlulaga oddin, sem er 140 nm í þvermál, sameinast snertilega í keilu, þannig að hér er b aðeins skilgreint með R, þ.e. b = R cos θ. Hugbúnaðurinn frá framleiðandanum býður upp á keilu-kúlu samband til að reikna út Youngs stuðull (E) gildi út frá kraftaðskilnaðargögnum að því gefnu að a > ​​b. Samband:
þar sem F er inndráttarkrafturinn, E er stuðull Youngs og ν er Poisson-hlutfallið. Snertistraussinn a má áætla með:
Skýringarmynd af snertingargeómetríu stífrar keilu með kúlulaga oddi sem er þrýst inn í efni Lefilcon snertilinsu með yfirborðslagi úr greinóttum pólýmerburstum.
Ef a ≤ b, þá leiðir sambandið til jöfnunnar fyrir hefðbundinn kúlulaga inndráttarbúnað;
Við teljum að samspil inndráttarmælisins við greinótta uppbyggingu PMPC fjölliðuburstans muni valda því að snertiradíusinn a verði meiri en kúlulaga snertiradíusinn b. Þess vegna notuðum við, fyrir allar megindlegar mælingar á teygjustuðlinum sem framkvæmdar voru í þessari rannsókn, þá fylgni sem fékkst fyrir tilfellið a > ​​b.
Líffræðilegu eftirlíkingarefnin sem rannsökuð voru í þessari rannsókn voru ítarlega mynduð með rafeindasmásjárskoðun (STEM) á þversniði sýnisins og atómkraftssmásjárskoðun (AFM) á yfirborðinu. Þessi ítarlega yfirborðsgreining var framkvæmd sem framlenging á áður birtri vinnu okkar, þar sem við komumst að því að greinótt fjölliðuburstabygging PMPC-breytts lehfilcon A CL yfirborðs sýndi svipaða vélræna eiginleika og náttúrulegur hornhimnuvefur 14. Af þessari ástæðu vísum við til snertilinsuyfirborða sem líffræðilegra eftirlíkingaefna 14. Á mynd 3a og b eru sýnd þversnið af greinóttum PMPC fjölliðuburstabyggingum á yfirborði lehfilcon A CL undirlags og ómeðhöndlaðs SiHy undirlags, talið í sömu röð. Yfirborð beggja sýnanna var frekar greind með hágæða AFM myndum, sem staðfestu enn frekar niðurstöður STEM greiningarinnar (mynd 3c og d). Samanlagt gefa þessar myndir áætlaða lengd greinóttrar fjölliðuburstabyggingar PMPC við 300–400 nm, sem er mikilvægt til að túlka AFM nanóinndráttarmælingar. Önnur lykilathugun sem fengist hefur úr myndunum er að heildaryfirborðsbygging lífhermandi efnisins CL er formfræðilega frábrugðin SiHy undirlagsefninu. Þessi munur á yfirborðsbyggingu þeirra getur komið í ljós við vélræna samskipti þeirra við inndráttar-AFM rannsakandann og síðan í mældum stuðullsgildum.
Þversniðsmyndir af (a) lehfilcon A CL og (b) SiHy undirlagi. Kvarðastika, 500 nm. AFM myndir af yfirborði lehfilcon A CL undirlagsins (c) og grunn SiHy undirlagsins (d) (3 µm × 3 µm).
Líffræðilega innblásin fjölliður og burstabyggingar fjölliða eru í eðli sínu mjúkar og hafa verið mikið rannsakaðar og notaðar í ýmsum lífeðlisfræðilegum tilgangi74,75,76,77. Þess vegna er mikilvægt að nota AFM nanóinndráttaraðferðina, sem getur mælt vélræna eiginleika þeirra nákvæmlega og áreiðanlega. En á sama tíma gera einstakir eiginleikar þessara afar mjúku efna, svo sem afar lágt teygjustuðull, hátt vökvainnihald og mikil teygjanleiki, það oft erfitt að velja rétt efni, lögun og stærð inndráttarrannsóknarinnar. Þetta er mikilvægt svo að inndráttarrannsóknin stungi ekki í gegnum mjúka yfirborð sýnisins, sem gæti leitt til villna við að ákvarða snertipunkt við yfirborðið og snertiflötinn.
Til þess er nauðsynlegt að hafa ítarlega skilning á formgerð ofurmjúkra lífhermandi efna (lehfilcon A CL). Upplýsingar um stærð og uppbyggingu greinóttra fjölliðubursta sem fengust með myndgreiningaraðferðinni veita grunninn að vélrænni greiningu yfirborðsins með AFM nanóinndráttartækni. Í stað míkrómetrastórra kúlulaga kolloidalnagna völdum við PFQNM-LC-A-CAL kísillnítríðnagnarannsóknartæki (Bruker) með 140 nm þvermál, sérstaklega hannað fyrir magnbundna kortlagningu á vélrænum eiginleikum líffræðilegra sýna 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Rökstuðningurinn fyrir því að nota tiltölulega hvassa nagna samanborið við hefðbundnar kolloidalnagna má skýra með byggingareiginleikum efnisins. Ef stærð mælioddsins (~140 nm) er borin saman við greinóttu fjölliðuburstana á yfirborði CL lehfilcon A, sem sýndir eru á mynd 3a, má álykta að oddurinn sé nógu stór til að komast í beina snertingu við þessar burstabyggingar, sem dregur úr líkum á að oddurinn fari í gegnum þær. Til að skýra þetta er á mynd 4 STEM-mynd af lehfilcon A CL og inndregnum odd AFM mælioddsins (teiknaður í réttum hlutföllum).
Skýringarmynd sem sýnir STEM mynd af lehfilcon A CL og ACM inndráttarnema (teiknað í réttum hlutföllum).
Að auki er stærð oddins, 140 nm, nógu lítil til að forðast hættuna á klístruðum útdráttaráhrifum sem áður hafa verið greint frá fyrir fjölliðubursta sem framleiddir eru með CP-AFM nanóinndráttaraðferðinni69,71. Við gerum ráð fyrir að vegna sérstakrar keilulaga lögunar og tiltölulega lítillar stærðar þessa AFM oddis (Mynd 1), muni eðli kraftferilsins sem myndast við lehfilcon A CL nanóinndrátt ekki ráðast af inndráttarhraða eða hleðslu-/losunarhraða. Þess vegna hefur hún ekki áhrif á poroelastísk áhrif. Til að prófa þessa tilgátu voru lehfilcon A CL sýni inndregin með föstum hámarksafli með því að nota PFQNM-LC-A-CAL mælitæki, en við tvo mismunandi hraða, og tog- og afturdráttarkraftsferlarnir sem mynduðust voru notaðir til að teikna kraftinn (nN) í aðskilnaði (µm) sem sýndur er á mynd 5a. Það er ljóst að kraftferlarnir við hleðslu og affermingu skarast algjörlega og engar skýrar vísbendingar eru um að kraftklippingin við núll inndráttardýpi eykst með inndráttarhraða á myndinni, sem bendir til þess að einstakir burstaþættir hafi verið einkenndir án poroelastískra áhrifa. Aftur á móti eru áhrif vökvasöfnunar (seigjuþrýstingur og poroelastígniáhrif) augljós fyrir 45 µm þvermál AFM rannsaka við sama inndráttarhraða og eru auðkennd með sveiflunni milli teygju- og afturdráttarkúrfanna, eins og sýnt er á mynd 5b. Þessar niðurstöður styðja tilgátuna og benda til þess að rannsakar með 140 nm þvermál séu góður kostur til að einkenna slíka mjúka fleti.
lehfilcon A CL inndráttarkraftskúrfur með ACM; (a) með því að nota mæli með 140 nm þvermál við tvo álagshraða, sem sýnir fram á að engin poroelastísk áhrif eru til staðar við yfirborðsdrátt; (b) með því að nota mæli með 45 µm og 140 nm þvermál. s sýna áhrif seigfljótandi útdráttar og poroelasticity fyrir stóra mæli samanborið við minni mæli.
Til að greina ofurmjúk yfirborð verða AFM nanóinndráttaraðferðir að hafa besta mælitækið til að rannsaka eiginleika efnisins sem verið er að rannsaka. Auk lögunar og stærðar oddins gegna næmi AFM skynjarakerfisins, næmi fyrir sveigju oddins í prófunarumhverfinu og stífleiki sjálfsfestingar mikilvægu hlutverki við að ákvarða nákvæmni og áreiðanleika nanóinndráttarmælinga. Fyrir AFM kerfið okkar er greiningarmörk staðsetningarnæms skynjarans (PSD) um það bil 0,5 mV og byggjast á forkvarðaðri fjaðurhraða og útreiknuðu vökvasveigjunæmi PFQNM-LC-A-CAL mælitækisins, sem samsvarar fræðilegri álagsnæmi. er minna en 0,1 pN. Þess vegna gerir þessi aðferð kleift að mæla lágmarks inndráttarkraft ≤ 0,1 pN án nokkurs jaðarhávaðaþáttar. Hins vegar er nær ómögulegt fyrir AFM kerfi að draga úr jaðarhávaða niður í þetta stig vegna þátta eins og vélræns titrings og vökvaaflfræði. Þessir þættir takmarka heildarnæmi AFM nanóinndráttaraðferðarinnar og leiða einnig til bakgrunnssuðs sem er um það bil ≤ 10 pN. Til að greina yfirborð voru lehfilcon A CL og SiHy undirlagssýni inndregið við fullkomlega vökvaðar aðstæður með því að nota 140 nm mælitæki fyrir SEM-greiningu og kraftferlarnir sem mynduðust voru lagðir ofan á milli krafts (pN) og þrýstings. Aðskilnaðarritið (µm) er sýnt á mynd 6a. Í samanburði við SiHy grunnundirlagið sýnir lehfilcon A CL kraftferillinn greinilega umbreytingarfasa sem hefst við snertipunktinn við gaffalkennda fjölliðuburstann og endar með snörpri breytingu á halla sem markar snertingu oddins við undirliggjandi efni. Þessi umbreytingarhluti kraftferilsins undirstrikar sannarlega teygjanlega hegðun greinótta fjölliðuburstans á yfirborðinu, eins og sést á þjöppunarferlinum sem fylgir náið spennukúrfunni og andstæðunum í vélrænum eiginleikum milli burstabyggingarinnar og fyrirferðarmikils SiHy efnis. Við samanburð á lefilcon. Aðgreining á meðallengd greinótts fjölliðubursta á STEM-mynd PCS (mynd 3a) og kraftkúrfu hans meðfram abscissu á mynd 3a. 6a sýnir að aðferðin getur greint oddinn og greinótta fjölliðuna sem nær alveg upp á yfirborðið. Snerting milli burstabygginga. Að auki bendir náin skörun kraftkúrfanna til þess að engin áhrif séu á vökvasöfnun. Í þessu tilfelli er engin viðloðun milli nálarinnar og yfirborðs sýnisins. Efstu hlutar kraftkúrfanna fyrir sýnin tvö skarast, sem endurspeglar líkt vélræna eiginleika undirlagsefnanna.
(a) AFM nanóinndráttarkraftsferlar fyrir lehfilcon A CL undirlag og SiHy undirlag, (b) kraftferlar sem sýna mat á snertipunkti með því að nota bakgrunnshávaðaþröskuldsaðferð.
Til að rannsaka fínni upplýsingar um kraftferilinn er spennukúrfan fyrir lehfilcon A CL sýnið teiknuð upp á nýtt á mynd 6b með hámarkskrafti upp á 50 pN eftir y-ásnum. Þetta línurit veitir mikilvægar upplýsingar um upprunalega bakgrunnshávaðann. Hávaðinn er á bilinu ±10 pN, sem er notaður til að ákvarða snertipunktinn nákvæmlega og reikna út dýpt inndráttarins. Eins og greint hefur verið frá í fræðiritum er auðkenning snertipunkta mikilvæg til að meta efniseiginleika eins og sveigjanleikastuðul85 nákvæmlega. Aðferð sem felur í sér sjálfvirka vinnslu á gögnum úr kraftferilnum hefur sýnt fram á betri aðlögun milli gagnaaðlögunar og megindlegra mælinga fyrir mjúk efni86. Í þessari vinnu er val okkar á snertipunktum tiltölulega einfalt og hlutlægt, en það hefur sínar takmarkanir. Íhaldssöm aðferð okkar við að ákvarða snertipunktinn gæti leitt til örlítið ofmetinna sveigjanleikastuðulsgilda fyrir minni dýpt inndráttar (< 100 nm). Notkun reikniritsbundinnar snertipunktagreiningar og sjálfvirkrar gagnavinnslu gæti verið framhald af þessari vinnu í framtíðinni til að bæta aðferð okkar enn frekar. Þannig, fyrir innri bakgrunnshávaða af stærðargráðunni ±10 pN, skilgreinum við snertipunktinn sem fyrsta gagnapunktinn á x-ásnum á mynd 6b með gildi ≥10 pN. Síðan, í samræmi við hávaðaþröskuldinn 10 pN, markar lóðrétt lína á stigi ~0,27 µm snertipunktinn við yfirborðið, eftir það heldur teygjukúrfan áfram þar til undirlagið nær inndráttardýpt ~270 nm. Athyglisvert er að miðað við stærð greinóttra fjölliðuburstaeiginleikanna (300–400 nm) sem mældir voru með myndgreiningaraðferðinni, er inndráttardýpt CL lehfilcon A sýnisins sem skoðað var með bakgrunnshávaðaþröskuldsaðferðinni um 270 nm, sem er mjög nálægt mælingarstærðinni með STEM. Þessar niðurstöður staðfesta enn frekar samhæfni og notagildi lögunar og stærðar AFM mælioddsins fyrir inndrátt þessarar mjög mjúku og teygjanlegu greinóttu fjölliðuburstabyggingar. Þessi gögn veita einnig sterkar vísbendingar til að styðja aðferð okkar við að nota bakgrunnshávaða sem þröskuld til að ákvarða snertipunkta. Þannig ættu allar megindlegar niðurstöður sem fengnar eru úr stærðfræðilegri líkönum og aðlögun kraftkúrfa að vera tiltölulega nákvæmar.
Megindlegar mælingar með AFM nanóinndráttaraðferðum eru algjörlega háðar stærðfræðilíkönum sem notuð eru við gagnaval og síðari greiningu. Því er mikilvægt að taka tillit til allra þátta sem tengjast vali á inndráttarbúnaði, efniseiginleikum og aflfræði samspils þeirra áður en tiltekin líkan er valið. Í þessu tilviki var lögun oddins vandlega lýst með SEM smásjármyndum (Mynd 1) og byggt á niðurstöðunum er AFM nanóinndráttarmælir með 140 nm þvermál og harðkeilulaga oddi góður kostur til að lýsa lehfilcon A CL79 sýnum. Annar mikilvægur þáttur sem þarf að meta vandlega er teygjanleiki fjölliðuefnisins sem verið er að prófa. Þó að upphafsgögn um nanóinndrátt (Myndir 5a og 6a) sýni greinilega fram á eiginleika skörunar tog- og þjöppunarferlanna, þ.e. algjöra teygjanleikabata efnisins, er afar mikilvægt að staðfesta eingöngu teygjanleika snertifletisins. Í þessu skyni voru tvær inndráttaraðgerðir framkvæmdar á sama stað á yfirborði lehfilcon A CL sýnisins með inndráttarhraða 1 µm/s við fullkomna vökvunarskilyrði. Gögnin um kraftkúrfuna eru sýnd á mynd 7 og, eins og búist var við, eru útþenslu- og þjöppunarferlarnir fyrir prentanirnar tvær nánast eins, sem undirstrikar mikla teygjanleika greinóttu fjölliðuburstabyggingarinnar.
Tvær inndráttarkraftskúrfur á sama stað á yfirborði lehfilcon A CL gefa til kynna kjörteygjanleika linsuyfirborðsins.
Byggt á upplýsingum sem fengust úr SEM og STEM myndum af mælioddinum og lehfilcon A CL yfirborðinu, talið í sömu röð, er keilulaga líkanið sanngjörn stærðfræðileg framsetning á víxlverkuninni milli AFM mælioddsins og mjúka fjölliðuefnisins sem verið er að prófa. Að auki, fyrir þessa keilulaga líkan, gilda grundvallarforsendur um teygjanleika innprentaða efnisins fyrir þetta nýja lífhermandi efni og eru notaðar til að magngreina teygjanleikastuðulinn.
Eftir ítarlegt mat á AFM nanóinndráttaraðferðinni og íhlutum hennar, þar á meðal eiginleikum inndráttarnema (lögun, stærð og stífleiki fjaðurs), næmi (bakgrunnshávaði og mat á snertipunkti) og gagnaaðlögunarlíkön (magnmælingar á einingarstuðli), var aðferðin notuð til að greina fáanleg ultra-mjúk sýni til að staðfesta megindlegar niðurstöður. Polyacrylamíð (PAAM) hýdrógel, sem er fáanlegt í verslunum, með teygjanleikastuðul upp á 1 kPa var prófað við vökvuð skilyrði með 140 nm nemanda. Nánari upplýsingar um einingarprófanir og útreikninga eru veittar í viðbótarupplýsingum. Niðurstöðurnar sýndu að meðalteygjan sem mældur var var 0,92 kPa og %RSD og prósentuhlutfall (%) frávik frá þekktum stuðli voru minni en 10%. Þessar niðurstöður staðfesta nákvæmni og endurtekningarhæfni AFM nanóinndráttaraðferðarinnar sem notuð var í þessari vinnu til að mæla einingar ultra-mjúkra efna. Yfirborð lehfilcon A CL sýnanna og SiHy grunnundirlagsins voru frekar greind með sömu AFM nanóinndráttaraðferð til að rannsaka sýnilegan snertistuðul ultra-mjúka yfirborðsins sem fall af inndráttardýpt. Kraftskiptingarferlar fyrir inndráttarkraft voru búnir til fyrir þrjú sýni af hvorri gerð (n = 3; ein inndráttur á hvert sýni) við kraft upp á 300 pN, hraða upp á 1 µm/s og fulla vökvun. Kraftskiptingarferillinn fyrir inndráttarkraftinn var nálgaður með keilulaga líkani. Til að fá kraftstuðul sem er háður inndráttardýpt var 40 nm breiður hluti kraftferilsins stilltur við hverja 20 nm hækkun frá snertipunkti og gildi stuðullsins mæld á hverju skrefi kraftferilsins. Spin Cy o.fl. Svipuð aðferð hefur verið notuð til að lýsa stuðullshalla pólý(laurýlmetakrýlat) (P12MA) fjölliðubursta með því að nota kolloidal AFM rannsaka nanóinndrátt, og þær eru í samræmi við gögn sem nota Hertz snertingarlíkanið. Þessi aðferð sýnir graf af sýnilegum snertistuðli (kPa) á móti inndráttardýpt (nm), eins og sýnt er á mynd 8, sem sýnir sýnilegan snertistuðul/dýptarhalla. Útreiknaður teygjustuðull CL lehfilcon A sýnisins er á bilinu 2–3 kPa innan efri 100 nm sýnisins, en fer að aukast með dýptinni yfir það bil. Hins vegar, þegar SiHy grunn undirlagið er prófað án burstalaga himnu á yfirborðinu, er hámarks inndráttardýptin sem náðst hefur við kraft upp á 300 pN minni en 50 nm, og teygjustuðullinn sem fæst út frá gögnunum er um 400 kPa, sem er sambærilegt við Youngs teygjustuðul fyrir lausefni.
Sýnilegur snertistuðull (kPa) samanborið við inndráttardýpt (nm) fyrir lehfilcon A CL og SiHy undirlag með AFM nanóinndráttaraðferð með keilulaga rúmfræði til að mæla stuðull.
Efsta yfirborð nýju lífhermandi greinótta fjölliðuburstbyggingarinnar sýnir afar lágan teygjanleikastuðul (2–3 kPa). Þetta mun passa við fríhangandi enda gaffalkennda fjölliðuburstans eins og sést á STEM myndinni. Þó að einhverjar vísbendingar séu um teygjanleikastuðul við ytri brún CL, þá hefur aðal undirlagið með háan teygjanleikastuðul meiri áhrif. Hins vegar eru efstu 100 nm yfirborðsins innan við 20% af heildarlengd greinótta fjölliðuburstans, þannig að það er sanngjarnt að gera ráð fyrir að mæld gildi teygjanleikastuðulsins á þessu dýptarbili séu tiltölulega nákvæm og ekki mjög háð áhrifum neðsta hlutarins.
Vegna einstakrar lífhermandi hönnunar lehfilcon A snertilinsa, sem samanstanda af greinóttum PMPC fjölliðuburstbyggingum sem eru græddar á yfirborð SiHy undirlags, er mjög erfitt að lýsa áreiðanlega vélrænum eiginleikum yfirborðsbyggingar þeirra með hefðbundnum mæliaðferðum. Hér kynnum við háþróaða AFM nanóinndráttaraðferð til að lýsa nákvæmlega afar mjúkum efnum eins og lefilcon A með hátt vatnsinnihald og afar mikla teygjanleika. Þessi aðferð byggist á notkun AFM mælis þar sem stærð og lögun oddins er vandlega valin til að passa við byggingarvíddir þeirra afar mjúku yfirborðseiginleika sem á að prenta. Þessi samsetning vídda milli mælis og byggingar veitir aukna næmni, sem gerir okkur kleift að mæla lágan teygjanleikastuðul og meðfædda teygjanleika eiginleika greinóttra fjölliðuburstaþátta, óháð áhrifum á poroelastic. Niðurstöðurnar sýndu að einstöku greinóttu PMPC fjölliðuburstarnir sem einkenna yfirborð linsunnar höfðu afar lágan teygjanleikastuðul (allt að 2 kPa) og mjög mikla teygjanleika (næstum 100%) þegar þeir voru prófaðir í vatnskenndu umhverfi. Niðurstöður AFM nanóinndráttar gera okkur einnig kleift að lýsa sýnilegum snertistuðli/dýptarhalla (30 kPa/200 nm) á yfirborði lífhermandi linsunnar. Þessi halli gæti stafað af mismuninum á stuðli milli greinóttra fjölliðubursta og SiHy undirlagsins, eða greinóttri uppbyggingu/þéttleika fjölliðuburstanna, eða samsetningu þessara. Hins vegar er þörf á frekari ítarlegri rannsóknum til að skilja að fullu sambandið milli uppbyggingar og eiginleika, sérstaklega áhrif greininga bursta á vélræna eiginleika. Svipaðar mælingar geta hjálpað til við að lýsa vélrænum eiginleikum yfirborðs annarra afar mjúkra efna og lækningatækja.
Gagnasöfn sem voru búin til og/eða greind í þessari rannsókn eru aðgengileg frá viðkomandi höfundum ef óskað er eftir þeim á sanngjarnan hátt.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. og Haugen, HJ Líffræðileg viðbrögð við eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum yfirborða lífefna. Chemical. society. Ritstj. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM og Liu, X. Umbætur á lífefnum sem eru unnin úr mönnum fyrir vefjaverkfræði. Forritun. Fjölliða. Vísindin. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. o.fl. Hönnun, klínísk framkvæmd og ónæmissvörun lífefna í endurnýjandi læknisfræði. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK og Farr GM. Bætt aðferð til að ákvarða hörku og teygjanleika með því að nota inndráttartilraunir með álags- og tilfærslumælingum. J. Alma mater. storage tank. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Sögulegur uppruni inndráttarhörkuprófana. Alma Mater. Vísindin. Tækni. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Mælingar á inndráttarhörku á stór-, ör- og nanóskala: Gagnrýnin úttekt. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD og Clapperich, SM. Villur í yfirborðsgreiningu leiða til ofmats á sveigjanleikastuðli í nanóinndrátt mjúkra efna. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR og Yahya M.Yu. Mat á nanóinndráttaraðferð til að ákvarða vélræna eiginleika ólíkgerðra nanósamsetninga með tilrauna- og tölvureikniaðferðum. vísindin. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, og Owart, TS Vélræn greining á mjúkum seigfljótandi gelefnum með inndrátt og bestunarbyggðri öfugri þáttagreiningu. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J og Chaneler D. Bestun á seigjuteygjanleikaákvörðun með samhæfðum mælikerfum. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. og Pellillo, E. Nanóinndráttur á fjölliðufletum. J. Eðlisfræði. D. Sækja um eðlisfræði. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. og Van Vliet KJ. Lýsing á seigjuteygjanlegum vélrænum eiginleikum mjög teygjanlegra fjölliða og líffræðilegra vefja með því að nota höggþrýsting. *Journal of Biomaterials*. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Mat á teygjanleika og viðloðunarvinnu mjúkra efna með því að nota útvíkkaða Borodich-Galanov (BG) aðferðina og djúpa inndrátt. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. o.fl. Nanóstærðarformgerð og vélrænir eiginleikar lífhermandi fjölliðayfirborða sílikonhýdrógel-linsa. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).