Matur nuwun sampun ngunjungi Nature.com. Panjenengan ngginakaken versi browser kanthi dhukungan CSS winates. Kanggo pengalaman paling apik, disaranake panjenengan ngginakaken browser ingkang sampun dianyari (utawi mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer). Salajengipun, kangge njamin dhukungan ingkang terus-terusan, kita nampilaken situs tanpa gaya lan JavaScript.
Nampilake korsel telung slide sekaligus. Gunakake tombol Sadurunge lan Sabanjure kanggo pindhah ing telung slide sekaligus, utawa gunakake tombol slider ing pungkasan kanggo pindhah ing telung slide sekaligus.
Kanthi pangembangan bahan ultra-lunak anyar kanggo piranti medis lan aplikasi biomedis, karakterisasi komprehensif sifat fisik lan mekanike penting lan tantangan. Teknik nanoindentasi mikroskop gaya atom (AFM) sing dimodifikasi diterapake kanggo menehi ciri modulus permukaan sing sithik banget saka lensa kontak hidrogel silikon biomimetik lehfilcon A anyar sing dilapisi lapisan struktur sikat polimer bercabang. Metode iki ngidini panentu titik kontak sing tepat tanpa efek ekstrusi kental nalika nyedhaki polimer bercabang. Kajaba iku, bisa nemtokake karakteristik mekanik elemen sikat individu tanpa efek poroelastisitas. Iki ditindakake kanthi milih probe AFM kanthi desain (ukuran ujung, geometri lan laju pegas) sing cocog banget kanggo ngukur sifat bahan alus lan sampel biologis. Metode iki nambah sensitivitas lan akurasi kanggo pangukuran akurat bahan alus banget lehfilcon A, sing duwe modulus elastisitas sing sithik banget ing area permukaan (nganti 2 kPa) lan elastisitas sing dhuwur banget ing lingkungan banyu internal (meh 100%). Asil saka panliten permukaan ora mung nuduhake sifat permukaan ultra-alus saka lensa lehfilcon A, nanging uga nuduhake yen modulus sikat polimer bercabang bisa dibandhingake karo substrat silikon-hidrogen. Teknik karakterisasi permukaan iki bisa diterapake ing bahan ultra-alus liyane lan piranti medis.
Sifat mekanik bahan sing dirancang kanggo kontak langsung karo jaringan urip asring ditemtokake dening lingkungan biologis. Cocog sing sampurna saka sifat bahan kasebut mbantu entuk karakteristik klinis sing dikarepake saka bahan kasebut tanpa nyebabake respon seluler sing ala1,2,3. Kanggo bahan homogen massal, karakterisasi sifat mekanik relatif gampang amarga kasedhiyan prosedur standar lan metode uji (contone, mikroindentasi4,5,6). Nanging, kanggo bahan ultra-alus kayata gel, hidrogel, biopolimer, sel urip, lan liya-liyane, metode uji iki umume ora bisa ditrapake amarga watesan resolusi pangukuran lan inhomogenitas sawetara bahan7. Sajrone pirang-pirang taun, metode indentasi tradisional wis dimodifikasi lan diadaptasi kanggo menehi ciri macem-macem bahan alus, nanging akeh metode isih nandhang kekurangan serius sing mbatesi panggunaane8,9,10,11,12,13. Kurange metode uji khusus sing bisa kanthi akurat lan andal menehi ciri sifat mekanik bahan superalus lan lapisan permukaan mbatesi panggunaane ing macem-macem aplikasi.
Ing karya sadurunge, kita ngenalake lensa kontak lehfilcon A (CL), bahan heterogen sing alus kanthi kabeh sifat permukaan ultra-alus sing asale saka desain biomimetik sing diilhami dening permukaan kornea mripat. Biomaterial iki dikembangake kanthi nyangkok lapisan polimer poli(2-metakriloyloksietilfosforilkolin (MPC)) (PMPC) sing bercabang lan saling terkait menyang hidrogel silikon (SiHy) 15 sing dirancang kanggo piranti medis adhedhasar. Proses nyangkok iki nggawe lapisan ing permukaan sing kasusun saka struktur sikat polimer bercabang sing alus banget lan elastis banget. Karya sadurunge wis ngonfirmasi manawa struktur biomimetik lehfilcon A CL nyedhiyakake sifat permukaan sing unggul kayata pencegahan pembasahan lan fouling sing luwih apik, pelumasan sing tambah, lan adhesi sel lan bakteri sing suda15,16. Kajaba iku, panggunaan lan pangembangan bahan biomimetik iki uga nuduhake ekspansi luwih lanjut menyang piranti biomedis liyane. Mulane, penting banget kanggo njlentrehake sipat permukaan bahan ultra-alus iki lan mangerteni interaksi mekanik karo mripat supaya bisa nggawe basis kawruh sing lengkap kanggo ndhukung pangembangan lan aplikasi ing mangsa ngarep. Umume lensa kontak SiHy sing kasedhiya sacara komersial kasusun saka campuran homogen polimer hidrofilik lan hidrofobik sing mbentuk struktur bahan sing seragam17. Sawetara panliten wis ditindakake kanggo nyelidiki sipat mekanike nggunakake metode uji kompresi, tarik, lan mikroindentasi tradisional18,19,20,21. Nanging, desain biomimetik anyar lehfilcon A CL ndadekake bahan heterogen sing unik ing ngendi sipat mekanik struktur sikat polimer bercabang beda banget karo substrat dasar SiHy. Mulane, angel banget kanggo ngetung sipat kasebut kanthi akurat nggunakake metode konvensional lan indentasi. Metode sing janjeni nggunakake metode uji nanoindentasi sing ditindakake ing mikroskop gaya atom (AFM), metode sing wis digunakake kanggo nemtokake sipat mekanik bahan viskoelastik alus kayata sel lan jaringan biologis, uga polimer alus22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Ing nanoindentation AFM, dhasar-dhasar uji nanoindentation digabungake karo kemajuan paling anyar ing teknologi AFM kanggo nyedhiyakake sensitivitas pangukuran sing luwih dhuwur lan uji coba macem-macem bahan superlunak sing inheren31,32,33,34,35,36. Kajaba iku, teknologi kasebut nawakake kaluwihan penting liyane liwat panggunaan geometri sing beda. indentor lan probe lan kemungkinan uji coba ing macem-macem media cair.
Nanoindentasi AFM bisa dipérang kanthi kondisional dadi telung komponen utama: (1) peralatan (sensor, detektor, probe, lan liya-liyane); (2) parameter pangukuran (kayata gaya, pamindahan, kecepatan, ukuran ramp, lan liya-liyane); (3) Pangolahan data (koreksi garis dasar, estimasi titik tutul, pas data, pemodelan, lan liya-liyane). Masalah sing signifikan karo metode iki yaiku sawetara panliten ing literatur sing nggunakake nanoindentasi AFM nglaporake asil kuantitatif sing beda banget kanggo jinis sampel/sel/bahan sing padha37,38,39,40,41. Contone, Lekka et al. Pengaruh geometri probe AFM ing modulus Young sing diukur saka sampel hidrogel homogen mekanik lan sel heterogen disinaoni lan dibandhingake. Dheweke nglaporake manawa nilai modulus gumantung banget karo pilihan kantilever lan bentuk pucuk, kanthi nilai paling dhuwur kanggo probe bentuk piramida lan nilai paling endhek 42 kanggo probe bola. Kajaba iku, Selhuber-Unkel et al. Wis dituduhake kepiye kecepatan indentor, ukuran indentor, lan kekandelan sampel poliakrilamida (PAAM) mengaruhi modulus Young sing diukur nganggo nanoindentasi ACM43. Faktor liyane sing ngrumitake yaiku kurang bahan uji modulus standar sing sithik banget lan prosedur uji gratis. Iki ndadekake angel banget kanggo entuk asil sing akurat kanthi yakin. Nanging, metode iki migunani banget kanggo pangukuran relatif lan evaluasi komparatif antarane jinis sampel sing padha, contone nggunakake nanoindentasi AFM kanggo mbedakake sel normal saka sel kanker 44, 45.
Nalika nguji bahan alus nganggo nanoindentasi AFM, aturan umum yaiku nggunakake probe kanthi konstanta pegas rendah (k) sing cocog karo modulus sampel lan pucuk hemisferik/bunder supaya probe pertama ora nembus permukaan sampel nalika kontak pertama karo bahan alus. Penting uga yen sinyal defleksi sing diasilake dening probe cukup kuwat kanggo dideteksi dening sistem detektor laser24,34,46,47. Ing kasus sel, jaringan, lan gel heterogen ultra-lunak, tantangan liyane yaiku ngatasi gaya adesif antarane probe lan permukaan sampel kanggo njamin pangukuran sing bisa direproduksi lan dipercaya48,49,50. Nganti bubar, umume karya babagan nanoindentasi AFM wis fokus ing panliten babagan prilaku mekanik sel biologis, jaringan, gel, hidrogel, lan biomolekul nggunakake probe bola sing relatif gedhe, sing umum diarani probe koloid (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ujung-ujung iki nduweni radius 1 nganti 50 µm lan umume digawe saka kaca borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirena (PS), silikon dioksida (SiO2) lan karbon kaya berlian (DLC). Sanajan nanoindentasi CP-AFM asring dadi pilihan pertama kanggo karakterisasi sampel alus, nanging nduweni masalah lan watesan dhewe. Panggunaan ujung bola sing gedhe lan ukuran mikron nambah total area kontak ujung karo sampel lan nyebabake mundhut resolusi spasial sing signifikan. Kanggo spesimen sing alus lan ora homogen, ing ngendi sifat mekanik unsur lokal bisa beda banget karo rata-rata ing area sing luwih akeh, indentasi CP bisa ndhelikake ketidakhomogenan ing sifat ing skala lokal52. Probe koloid biasane digawe kanthi masang bola koloid ukuran mikron menyang cantilever tanpa ujung nggunakake perekat epoksi. Proses manufaktur dhewe kebak karo akeh masalah lan bisa nyebabake inkonsistensi ing proses kalibrasi probe. Kajaba iku, ukuran lan massa partikel koloid langsung mengaruhi parameter kalibrasi utama cantilever, kayata frekuensi resonansi, kekakuan pegas, lan sensitivitas defleksi56,57,58. Dadi, metode sing umum digunakake kanggo probe AFM konvensional, kayata kalibrasi suhu, bisa uga ora nyedhiyakake kalibrasi sing akurat kanggo CP, lan metode liyane bisa uga dibutuhake kanggo nindakake koreksi kasebut57, 59, 60, 61. Eksperimen indentasi CP khas nggunakake deviasi cantilever sing gedhe kanggo nyinaoni sifat sampel alus, sing nggawe masalah liyane nalika kalibrasi prilaku non-linier cantilever ing deviasi sing relatif gedhe62,63,64. Metode indentasi probe koloid modern biasane nganggep geometri cantilever sing digunakake kanggo kalibrasi probe, nanging ora nggatekake pengaruh partikel koloid, sing nggawe ketidakpastian tambahan ing akurasi metode38,61. Semono uga, moduli elastis sing diitung kanthi pas model kontak gumantung langsung karo geometri probe indentasi, lan ketidakcocokan antarane karakteristik permukaan ujung lan sampel bisa nyebabake ketidakakuratan27, 65, 66, 67, 68. Sawetara karya anyar dening Spencer et al. Faktor-faktor sing kudu digatekake nalika menehi ciri sikat polimer alus nggunakake metode nanoindentasi CP-AFM disorot. Dheweke nglaporake manawa retensi cairan kental ing sikat polimer minangka fungsi kecepatan nyebabake peningkatan beban sirah lan mula pangukuran sifat sing gumantung karo kecepatan sing beda30,69,70,71.
Ing panliten iki, kita wis njlentrehake modulus permukaan bahan ultra-alus sing elastis banget lehfilcon A CL nggunakake metode nanoindentasi AFM sing dimodifikasi. Amarga sifat lan struktur anyar bahan iki, rentang sensitivitas metode indentasi tradisional jelas ora cukup kanggo njlentrehake modulus bahan sing alus banget iki, mula perlu nggunakake metode nanoindentasi AFM kanthi tingkat sensitivitas sing luwih dhuwur lan tingkat sensitivitas sing luwih murah. Sawise nliti kekurangan lan masalah teknik nanoindentasi probe koloid AFM sing ana, kita nuduhake kenapa kita milih probe AFM sing luwih cilik lan dirancang khusus kanggo ngilangi sensitivitas, gangguan latar mburi, nemtokake titik kontak, ngukur modulus kecepatan bahan heterogen alus kayata katergantungan retensi cairan, lan kuantifikasi sing akurat. Kajaba iku, kita bisa ngukur kanthi akurat bentuk lan dimensi ujung indentasi, saengga kita bisa nggunakake model kecocokan cone-sphere kanggo nemtokake modulus elastisitas tanpa netepake area kontak ujung karo bahan kasebut. Rong asumsi implisit sing diukur ing karya iki yaiku sifat bahan sing elastis banget lan modulus indentasi sing ora gumantung karo jerone. Nggunakake metode iki, kita pisanan nguji standar ultra-lunak kanthi modulus sing dikenal kanggo ngukur metode kasebut, banjur nggunakake metode iki kanggo menehi ciri permukaan rong bahan lensa kontak sing beda. Metode kanggo menehi ciri permukaan nanoindentasi AFM kanthi sensitivitas sing tambah iki diarepake bisa ditrapake kanggo macem-macem bahan ultralunak heterogen biomimetik kanthi potensial panggunaan ing piranti medis lan aplikasi biomedis.
Lensa kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) lan substrat hidrogel silikon dipilih kanggo eksperimen nanoindentasi. Dudukan lensa sing dirancang khusus digunakake ing eksperimen kasebut. Kanggo masang lensa kanggo uji coba, lensa kasebut diselehake kanthi ati-ati ing dudukan sing bentuke kubah, mesthekake yen ora ana gelembung udara sing mlebu, banjur dipasang nganggo pinggiran. Bolongan ing fixture ing sisih ndhuwur wadhah lensa nyedhiyakake akses menyang pusat optik lensa kanggo eksperimen nanoindentasi nalika nyekeli cairan ing panggonane. Iki njaga lensa tetep terhidrasi. 500 μl larutan kemasan lensa kontak digunakake minangka larutan uji coba. Kanggo verifikasi asil kuantitatif, hidrogel poliakrilamida non-aktif (PAAM) sing kasedhiya sacara komersial disiapake saka komposisi poliakrilamida-ko-metilena-bisakrilamida (piring Petrisoft Petri 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), modulus elastis sing dikenal yaiku 1 kPa. Gunakna 4-5 tetes (kurang luwih 125 µl) larutan saline buffer fosfat (PBS saka Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) lan 1 tetes larutan lensa kontak OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA). ) ing antarmuka hidrogel-probe AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL lan SiHy divisualisasikake nggunakake sistem Mikroskop Elektron Pindai Emisi Lapangan FEI Quanta 250 (FEG SEM) sing dilengkapi detektor Mikroskop Elektron Transmisi Pindai (STEM). Kanggo nyiapake sampel, lensa dhisik dikumbah nganggo banyu lan dipotong dadi irisan bentuk pai. Kanggo entuk kontras diferensial antarane komponen hidrofilik lan hidrofobik sampel, larutan RuO4 sing distabilisasi 0,10% digunakake minangka pewarna, ing ngendi sampel dicelupake sajrone 30 menit. Pewarnaan lehfilcon A CL RuO4 penting ora mung kanggo entuk kontras diferensial sing luwih apik, nanging uga mbantu njaga struktur sikat polimer bercabang ing bentuk asline, sing banjur katon ing gambar STEM. Banjur dikumbah lan didehidrasi ing serangkaian campuran etanol/banyu kanthi konsentrasi etanol sing saya tambah. Sampel banjur dicor nganggo epoksi EMBed 812/Araldite, sing dikeringake sewengi ing suhu 70°C. Blok sampel sing dipikolehi kanthi polimerisasi resin dipotong nganggo ultramikrotome, lan bagean tipis sing diasilake divisualisasikake nganggo detektor STEM ing mode vakum rendah kanthi voltase akselerasi 30 kV. Sistem SEM sing padha digunakake kanggo karakterisasi rinci probe PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA). Gambar SEM saka probe AFM dipikolehi ing mode vakum dhuwur khas kanthi voltase akselerasi 30 kV. Entuk gambar ing macem-macem sudut lan pembesaran kanggo ngrekam kabeh rincian bentuk lan ukuran ujung probe AFM. Kabeh dimensi ujung sing disenengi ing gambar diukur kanthi digital.
Mikroskop gaya atom Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) nganggo mode "PeakForce QNM in Fluid" digunakake kanggo nggambarake lan nanoindentate sampel lehfilcon A CL, substrat SiHy, lan hidrogel PAAm. Kanggo eksperimen pencitraan, probe PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) kanthi radius ujung nominal 1 nm digunakake kanggo njupuk gambar resolusi dhuwur saka sampel kanthi kecepatan pindai 0,50 Hz. Kabeh gambar dijupuk ing larutan banyu.
Eksperimen nanoindentasi AFM ditindakake nggunakake probe PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Probe AFM duwe pucuk silikon ing kantilever nitrida kanthi kandel 345 nm, dawane 54 µm lan ambane 4,5 µm kanthi frekuensi resonansi 45 kHz. Iki dirancang khusus kanggo menehi ciri lan nindakake pangukuran nanomekanik kuantitatif ing sampel biologis alus. Sensor kasebut dikalibrasi kanthi individu ing pabrik kanthi setelan pegas sing wis dikalibrasi. Konstanta pegas probe sing digunakake ing panliten iki ana ing kisaran 0,05-0,1 N/m. Kanggo nemtokake bentuk lan ukuran pucuk kanthi akurat, probe kasebut dikarakterisasi kanthi rinci nggunakake SEM. Ing gambar 1a nuduhake mikrograf elektron pemindaian resolusi dhuwur, pembesaran rendah saka probe PFQNM-LC-A-CAL, sing nyedhiyakake tampilan holistik saka desain probe. Ing gambar 1b nuduhake tampilan sing luwih gedhe saka pucuk pucuk probe, sing nyedhiyakake informasi babagan bentuk lan ukuran pucuk. Ing pucuk paling dhuwur, jarum kasebut awujud belahan bumi kanthi diameter kira-kira 140 nm (Gambar 1c). Ing ngisor iki, pucuke mudun dadi bentuk kerucut, nganti dawane kira-kira 500 nm. Ing njaba wilayah mudun, pucuke bentuke silinder lan pungkasane dawane pucuk total 1,18 µm. Iki minangka bagean fungsional utama saka pucuk probe. Kajaba iku, probe polistirena (PS) bunder gedhe (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) kanthi diameter pucuk 45 µm lan konstanta pegas 2 N/m uga digunakake kanggo uji coba minangka probe koloid. Kanthi probe PFQNM-LC-A-CAL 140 nm kanggo perbandingan.
Wis dilapurake yen cairan bisa kejebak ing antarane probe AFM lan struktur sikat polimer sajrone nanoindentation, sing bakal ngetokake gaya munggah ing probe AFM sadurunge ndemek permukaan69. Efek ekstrusi kental iki amarga retensi cairan bisa ngganti titik kontak sing katon, saengga mengaruhi pangukuran modulus permukaan. Kanggo nyinaoni efek geometri probe lan kecepatan indentasi ing retensi cairan, kurva gaya indentasi diplot kanggo sampel lehfilcon A CL nggunakake probe diameter 140 nm kanthi tingkat perpindahan konstan 1 µm/s lan 2 µm/s. diameter probe 45 µm, setelan gaya tetep 6 nN sing digayuh ing 1 µm/s. Eksperimen kanthi probe diameter 140 nm ditindakake kanthi kecepatan indentasi 1 µm/s lan gaya sing disetel 300 pN, dipilih kanggo nggawe tekanan kontak ing kisaran fisiologis (1-8 kPa) saka kelopak mata ndhuwur. tekanan 72. Sampel hidrogel PAA sing wis digawe alus kanthi tekanan 1 kPa diuji kanggo gaya lekukan 50 pN kanthi kecepatan 1 μm/s nggunakake probe kanthi diameter 140 nm.
Amarga dawane bagean kerucut saka pucuk probe PFQNM-LC-A-CAL kira-kira 500 nm, kanggo ambane lekukan < 500 nm, bisa dianggep kanthi aman yen geometri probe sajrone lekukan bakal tetep setya karo bentuk kerucute. Kajaba iku, dianggep yen permukaan materi sing diuji bakal nuduhake respon elastis sing bisa dibalik, sing uga bakal dikonfirmasi ing bagean ing ngisor iki. Mulane, gumantung saka bentuk lan ukuran pucuke, kita milih model pas kerucut-bola sing dikembangake dening Briscoe, Sebastian lan Adams, sing kasedhiya ing piranti lunak vendor, kanggo ngolah eksperimen nanoindentasi AFM kita (NanoScope). Piranti lunak analisis data pamisahan, Bruker) 73. Model kasebut nggambarake hubungan gaya-perpindahan F(δ) kanggo kerucut kanthi cacat puncak bola. Ing gambar. Gambar 2 nuduhake geometri kontak sajrone interaksi kerucut kaku karo pucuk sferis, ing ngendi R minangka radius pucuk sferis, a minangka radius kontak, b minangka radius kontak ing pucuk pucuk sferis, δ minangka radius kontak. ambane lekukan, θ minangka setengah sudut kerucut. Gambar SEM saka probe iki kanthi jelas nuduhake yen pucuk sferis diameter 140 nm nyawiji kanthi tangensial menyang kerucut, mula ing kene b mung ditetepake liwat R, yaiku b = R cos θ. Piranti lunak sing disedhiyakake vendor nyedhiyakake hubungan kerucut-sferis kanggo ngetung nilai modulus Young (E) saka data pamisahan gaya kanthi nganggep a > b. Hubungan:
ing ngendi F minangka gaya lekukan, E minangka modulus Young, ν minangka rasio Poisson. Radius kontak a bisa diestimasikake nggunakake:
Skema geometri kontak saka kerucut kaku kanthi pucuk bunder sing dipencet menyang bahan lensa kontak Lefilcon kanthi lapisan permukaan sikat polimer bercabang.
Yen a ≤ b, gegayutane bakal mudhun dadi persamaan kanggo indentor sferis konvensional;
Kita percaya manawa interaksi probe indentasi karo struktur cabang saka sikat polimer PMPC bakal nyebabake radius kontak a luwih gedhe tinimbang radius kontak bola b. Mulane, kanggo kabeh pangukuran kuantitatif modulus elastis sing ditindakake ing panliten iki, kita nggunakake katergantungan sing dipikolehi kanggo kasus a > b.
Bahan biomimetik ultralunak sing ditliti ing panliten iki dicitrakake kanthi komprehensif nggunakake mikroskop elektron transmisi pindai (STEM) saka penampang sampel lan mikroskop gaya atom (AFM) saka permukaan. Karakterisasi permukaan sing rinci iki ditindakake minangka perpanjangan saka karya sing wis diterbitake sadurunge, ing ngendi kita nemtokake manawa struktur sikat polimer bercabang dinamis saka permukaan lehfilcon A CL sing dimodifikasi PMPC nuduhake sifat mekanik sing padha karo jaringan kornea asli 14. Amarga alasan iki, kita nyebutake permukaan lensa kontak minangka bahan biomimetik 14. Ing gambar 3a, b nuduhake penampang struktur sikat polimer PMPC bercabang ing permukaan substrat lehfilcon A CL lan substrat SiHy sing ora diobati. Permukaan loro sampel dianalisis luwih lanjut nggunakake gambar AFM resolusi dhuwur, sing luwih ngonfirmasi asil analisis STEM (Gambar 3c, d). Dijupuk bebarengan, gambar kasebut menehi dawa kira-kira struktur sikat polimer bercabang PMPC ing 300-400 nm, sing penting kanggo interpretasi pangukuran nanoindentasi AFM. Pengamatan penting liyane sing dijupuk saka gambar kasebut yaiku struktur permukaan sakabèhé saka bahan biomimetik CL béda sacara morfologis karo bahan substrat SiHy. Bentenane morfologi permukaan iki bisa katon nalika interaksi mekanik karo probe AFM sing mlebu lan sabanjuré ing nilai modulus sing diukur.
Gambar STEM potongan melintang saka (a) lehfilcon A CL lan (b) substrat SiHy. Bar skala, 500 nm. Gambar AFM saka permukaan substrat lehfilcon A CL (c) lan substrat SiHy dhasar (d) (3 µm × 3 µm).
Polimer bioinspirasi lan struktur sikat polimer iku alus lan wis ditliti lan digunakake sacara wiyar ing macem-macem aplikasi biomedis74,75,76,77. Mulane, penting kanggo nggunakake metode nanoindentasi AFM, sing bisa ngukur sifat mekanik kanthi akurat lan andal. Nanging ing wektu sing padha, sifat unik saka bahan ultra-alus iki, kayata modulus elastis sing sithik banget, kandungan cairan sing dhuwur lan elastisitas sing dhuwur, asring nggawe angel milih bahan, bentuk, lan ukuran probe indentasi sing pas. Iki penting supaya indentor ora nembus permukaan alus sampel, sing bakal nyebabake kesalahan nalika nemtokake titik kontak karo permukaan lan area kontak.
Kanggo iki, pangerten sing lengkap babagan morfologi bahan biomimetik ultra-alus (lehfilcon A CL) iku penting banget. Informasi babagan ukuran lan struktur sikat polimer bercabang sing dipikolehi nggunakake metode pencitraan nyedhiyakake dhasar kanggo karakterisasi mekanik permukaan nggunakake teknik nanoindentasi AFM. Tinimbang probe koloid bola ukuran mikron, kita milih probe silikon nitrida PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) kanthi diameter pucuk 140 nm, sing dirancang khusus kanggo pemetaan kuantitatif sifat mekanik sampel biologis 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 Alasan kanggo nggunakake probe sing relatif landhep dibandhingake karo probe koloid konvensional bisa diterangake dening fitur struktural materi kasebut. Mbandhingaké ukuran pucuk probe (~140 nm) karo sikat polimer cabang ing lumahing CL lehfilcon A, sing dituduhake ing Gambar 3a, bisa disimpulaké yèn pucuké cukup gedhé kanggo kontak langsung karo struktur sikat iki, sing nyuda kemungkinan pucuk nembus liwat struktur kasebut. Kanggo nggambaraké titik iki, ing Gambar 4 ana gambar STEM saka lehfilcon A CL lan pucuk indentasi probe AFM (digambar miturut skala).
Skema sing nuduhake gambar STEM saka lehfilcon A CL lan probe lekukan ACM (digambar miturut skala).
Kajaba iku, ukuran pucuk 140 nm cukup cilik kanggo ngindhari risiko efek ekstrusi lengket sing wis dilapurake sadurunge kanggo sikat polimer sing diasilake dening metode nanoindentasi CP-AFM69,71. Kita nganggep manawa amarga bentuk bola kerucut khusus lan ukuran pucuk AFM iki sing relatif cilik (Gambar 1), sifat kurva gaya sing diasilake dening nanoindentasi lehfilcon A CL ora bakal gumantung ing kecepatan indentasi utawa kecepatan pemuatan/pembongkaran. Mulane, ora kena pengaruh efek poroelastik. Kanggo nguji hipotesis iki, sampel lehfilcon A CL diindentasi kanthi gaya maksimum tetep nggunakake probe PFQNM-LC-A-CAL, nanging kanthi rong kecepatan sing beda, lan kurva gaya tarik lan tarik sing diasilake digunakake kanggo nggambar gaya (nN) ing pamisahan (µm) sing dituduhake ing Gambar 5a. Cetha yen kurva gaya sajrone pemuatan lan pembongkaran tumpang tindih banget, lan ora ana bukti sing jelas yen geser gaya ing jerone indentasi nol mundhak karo kecepatan indentasi ing gambar kasebut, sing nuduhake yen elemen sikat individu dicirikake tanpa efek poroelastik. Kosok baline, efek retensi cairan (efek ekstrusi kental lan poroelastisitas) katon kanggo probe AFM diameter 45 µm kanthi kecepatan indentasi sing padha lan disorot dening histeresis antarane kurva regangan lan retraksi, kaya sing dituduhake ing Gambar 5b. Asil kasebut ndhukung hipotesis lan nuduhake yen probe diameter 140 nm minangka pilihan sing apik kanggo menehi ciri permukaan alus kasebut.
Kurva gaya lekukan lehfilcon A CL nggunakake ACM; (a) nggunakake probe kanthi diameter 140 nm ing rong tingkat pemuatan, nuduhake ora ana efek poroelastik sajrone lekukan permukaan; (b) nggunakake probe kanthi diameter 45 µm lan 140 nm. s nuduhake efek ekstrusi kental lan poroelastisitas kanggo probe gedhe dibandhingake karo probe sing luwih cilik.
Kanggo menehi ciri permukaan sing ultra alus, metode nanoindentasi AFM kudu duwe probe paling apik kanggo nyinaoni sifat-sifat materi sing ditliti. Saliyane bentuk lan ukuran pucuk, sensitivitas sistem detektor AFM, sensitivitas kanggo defleksi pucuk ing lingkungan uji, lan kekakuan kantilever nduweni peran penting kanggo nemtokake akurasi lan linuwih pangukuran nanoindentasi. Kanggo sistem AFM kita, watesan deteksi Position Sensitive Detector (PSD) kira-kira 0,5 mV lan adhedhasar tingkat pegas sing wis dikalibrasi lan sensitivitas defleksi cairan sing diitung saka probe PFQNM-LC-A-CAL, sing cocog karo sensitivitas beban teoretis. kurang saka 0,1 pN. Mulane, metode iki ngidini pangukuran gaya indentasi minimal ≤ 0,1 pN tanpa komponen gangguan periferal. Nanging, meh ora mungkin kanggo sistem AFM kanggo nyuda gangguan periferal menyang level iki amarga faktor-faktor kayata getaran mekanik lan dinamika fluida. Faktor-faktor iki mbatesi sensitivitas sakabèhé saka metode nanoindentasi AFM lan uga ngasilaké sinyal gangguan latar mburi kira-kira ≤ 10 pN. Kanggo karakterisasi permukaan, sampel substrat lehfilcon A CL lan SiHy diindentasi ing kondisi terhidrasi kanthi lengkap nggunakake probe 140 nm kanggo karakterisasi SEM, lan kurva gaya sing diasilake ditumpangake antarane gaya (pN) lan tekanan. Plot pamisahan (µm) dituduhake ing Gambar 6a. Dibandhingake karo substrat dasar SiHy, kurva gaya lehfilcon A CL kanthi jelas nuduhake fase transisi sing diwiwiti ing titik kontak karo sikat polimer bercabang lan dipungkasi kanthi owah-owahan sing cetha ing kontak tandha lereng pucuk karo bahan sing ndasari. Bagean transisi saka kurva gaya iki nyoroti prilaku elastis sing sejati saka sikat polimer bercabang ing permukaan, kaya sing dibuktekake dening kurva kompresi sing cedhak karo kurva tegangan lan kontras ing sifat mekanik antarane struktur sikat lan bahan SiHy sing gedhe. Nalika mbandhingake lefilcon. Pamisahan dawa rata-rata sikat polimer bercabang ing gambar STEM PCS (Gambar 3a) lan kurva gayane ing sadawane absis ing Gambar 3a. 6a nuduhake yen metode kasebut bisa ndeteksi pucuk lan polimer bercabang sing tekan sisih paling ndhuwur permukaan. Kontak antarane struktur sikat. Kajaba iku, tumpang tindih kurva gaya sing cedhak nuduhake ora ana efek retensi cairan. Ing kasus iki, ora ana adhesi antarane jarum lan permukaan sampel. Bagean paling ndhuwur saka kurva gaya kanggo rong sampel tumpang tindih, sing nuduhake kamiripan sifat mekanik bahan substrat.
(a) Kurva gaya nanoindentasi AFM kanggo substrat lehfilcon A CL lan substrat SiHy, (b) kurva gaya sing nuduhake estimasi titik kontak nggunakake metode ambang gangguan latar mburi.
Kanggo nyinaoni rincian kurva gaya sing luwih alus, kurva tegangan sampel lehfilcon A CL diplot ulang ing Gambar 6b ​​kanthi gaya maksimal 50 pN ing sadawane sumbu y. Grafik iki nyedhiyakake informasi penting babagan gangguan latar mburi asli. Gangguan kasebut ana ing kisaran ±10 pN, sing digunakake kanggo nemtokake titik kontak kanthi akurat lan ngetung ambane lekukan. Kaya sing dilapurake ing literatur, identifikasi titik kontak penting banget kanggo netepake sifat materi kanthi akurat kayata modulus85. Pendekatan sing nglibatake pangolahan data kurva gaya otomatis wis nuduhake kesesuaian sing luwih apik antarane pas data lan pangukuran kuantitatif kanggo bahan alus86. Ing karya iki, pilihan titik kontak kita relatif prasaja lan objektif, nanging nduweni watesan. Pendekatan konservatif kita kanggo nemtokake titik kontak bisa nyebabake nilai modulus sing rada kakehan kanggo ambane lekukan sing luwih cilik (<100 nm). Panggunaan deteksi titik tutul berbasis algoritma lan pangolahan data otomatis bisa dadi terusan saka karya iki ing mangsa ngarep kanggo luwih ningkatake metode kita. Dadi, kanggo gangguan latar mburi intrinsik kanthi urutan ±10 pN, kita netepake titik kontak minangka titik data pertama ing sumbu x ing Gambar 6b ​​kanthi nilai ≥10 pN. Banjur, miturut ambang gangguan 10 pN, garis vertikal ing tingkat ~0,27 µm nandhani titik kontak karo permukaan, sawise kurva peregangan terus nganti substrat ketemu karo ambane indentasi ~270 nm. Menariknya, adhedhasar ukuran fitur sikat polimer bercabang (300-400 nm) sing diukur nggunakake metode pencitraan, ambane indentasi CL lehfilcon Sampel sing diamati nggunakake metode ambang gangguan latar mburi yaiku udakara 270 nm, sing cedhak banget karo ukuran pangukuran karo STEM. Asil kasebut luwih ngonfirmasi kompatibilitas lan penerapan bentuk lan ukuran ujung probe AFM kanggo indentasi struktur sikat polimer bercabang sing alus banget lan elastis banget iki. Data iki uga menehi bukti sing kuwat kanggo ndhukung metode kita nggunakake gangguan latar mburi minangka ambang kanggo nemtokake titik kontak. Dadi, asil kuantitatif sing dipikolehi saka pemodelan matematika lan pas kurva gaya kudune relatif akurat.
Pangukuran kuantitatif nganggo metode nanoindentasi AFM gumantung banget karo model matematika sing digunakake kanggo pemilihan data lan analisis sabanjure. Mulane, penting kanggo nimbang kabeh faktor sing ana gandhengane karo pilihan indentor, sifat materi, lan mekanika interaksine sadurunge milih model tartamtu. Ing kasus iki, geometri pucuk dikarakterisasi kanthi teliti nggunakake mikrograf SEM (Gambar 1), lan adhedhasar asil kasebut, probe nanoindentasi AFM diameter 140 nm kanthi kerucut atos lan geometri pucuk bola minangka pilihan sing apik kanggo ngarakterisasi sampel lehfilcon A CL79. Faktor penting liyane sing kudu dievaluasi kanthi teliti yaiku elastisitas bahan polimer sing diuji. Sanajan data awal nanoindentasi (Gambar 5a lan 6a) kanthi jelas nggambarake fitur tumpang tindih kurva tegangan lan kompresi, yaiku, pemulihan elastis lengkap materi, penting banget kanggo ngonfirmasi sifat elastis murni saka kontak kasebut. Kanggo tujuan iki, rong lekukan berturut-turut ditindakake ing lokasi sing padha ing permukaan sampel lehfilcon A CL kanthi tingkat lekukan 1 µm/s ing kondisi hidrasi lengkap. Data kurva gaya sing diasilake dituduhake ing gambar 7 lan, kaya sing dikarepake, kurva ekspansi lan kompresi saka rong cetakan kasebut meh padha, sing nuduhake elastisitas dhuwur saka struktur sikat polimer bercabang.
Rong kurva gaya lekukan ing lokasi sing padha ing permukaan lehfilcon. A CL nuduhake elastisitas ideal saka permukaan lensa.
Adhedhasar informasi sing dipikolehi saka gambar SEM lan STEM saka pucuk probe lan permukaan lehfilcon A CL, model bola kerucut minangka perwakilan matematika sing cukup masuk akal saka interaksi antarane pucuk probe AFM lan bahan polimer alus sing diuji. Kajaba iku, kanggo model bola kerucut iki, asumsi dhasar babagan sifat elastis bahan sing dicetak tetep bener kanggo bahan biomimetik anyar iki lan digunakake kanggo ngukur modulus elastis.
Sawise evaluasi lengkap babagan metode nanoindentasi AFM lan komponen-komponen kasebut, kalebu sifat probe indentasi (bentuk, ukuran, lan kekakuan pegas), sensitivitas (swara latar mburi lan estimasi titik kontak), lan model pas data (pangukuran modulus kuantitatif), metode kasebut digunakake. Karakterisasi sampel ultra-lunak sing kasedhiya sacara komersial kanggo verifikasi asil kuantitatif. Hidrogel poliakrilamida komersial (PAAM) kanthi modulus elastis 1 kPa diuji ing kahanan terhidrasi nggunakake probe 140 nm. Rincian pengujian modul lan perhitungan diwenehake ing Informasi Tambahan. Asil kasebut nuduhake yen modulus rata-rata sing diukur yaiku 0,92 kPa, lan %RSD lan persentase (%) deviasi saka modulus sing dikenal kurang saka 10%. Asil kasebut ngonfirmasi akurasi lan reprodusibilitas metode nanoindentasi AFM sing digunakake ing karya iki kanggo ngukur moduli bahan ultralunak. Permukaan sampel lehfilcon A CL lan substrat dasar SiHy luwih lanjut dikarakterisasi nggunakake metode nanoindentasi AFM sing padha kanggo nyinaoni modulus kontak sing katon saka permukaan ultrasoft minangka fungsi saka jerone lekukan. Kurva pamisahan gaya indentasi digawe kanggo telung spesimen saben jinis (n = 3; siji lekukan saben spesimen) kanthi gaya 300 pN, kecepatan 1 µm/s, lan hidrasi lengkap. Kurva pembagian gaya indentasi diaproksimasi nggunakake model bola kerucut. Kanggo entuk modulus sing gumantung ing jerone lekukan, bagean kurva gaya sing ambane 40 nm disetel ing saben kenaikan 20 nm wiwit saka titik kontak, lan ngukur nilai modulus ing saben langkah kurva gaya. Spin Cy et al. Pendekatan sing padha wis digunakake kanggo ngarakterisasi gradien modulus sikat polimer poli(lauril metakrilat) (P12MA) nggunakake nanoindentasi probe koloid AFM, lan padha konsisten karo data nggunakake model kontak Hertz. Pendekatan iki nyedhiyakake plot modulus kontak katon (kPa) versus ambane indentasi (nm), kaya sing dituduhake ing Gambar 8, sing nggambarake modulus kontak katon/gradien ambane. Modulus elastis sing diitung saka sampel CL lehfilcon A ana ing kisaran 2-3 kPa ing njero 100 nm ndhuwur sampel, sing ngluwihi iku wiwit mundhak karo ambane. Ing sisih liya, nalika nguji substrat dasar SiHy tanpa film kaya sikat ing permukaan, ambane indentasi maksimum sing digayuh kanthi gaya 300 pN kurang saka 50 nm, lan nilai modulus sing dipikolehi saka data kasebut udakara 400 kPa, sing bisa dibandhingake karo nilai modulus Young kanggo bahan curah.
Modulus kontak semu (kPa) vs. jerone lekukan (nm) kanggo substrat lehfilcon A CL lan SiHy nggunakake metode nanoindentasi AFM kanthi geometri kerucut-bola kanggo ngukur modulus.
Permukaan paling ndhuwur saka struktur sikat polimer cabang biomimetik anyar nuduhake modulus elastisitas sing sithik banget (2-3 kPa). Iki bakal cocog karo ujung gantung bebas saka sikat polimer bercabang kaya sing dituduhake ing gambar STEM. Sanajan ana sawetara bukti gradien modulus ing pinggir njaba CL, substrat modulus utama sing dhuwur luwih berpengaruh. Nanging, 100 nm ndhuwur permukaan ana ing 20% ​​saka total dawa sikat polimer bercabang, mula cukup masuk akal kanggo nganggep manawa nilai modulus sing diukur ing kisaran ambane indentasi iki relatif akurat lan ora gumantung banget karo efek saka obyek ngisor.
Amarga desain biomimetik unik lensa kontak lehfilcon A, sing kasusun saka struktur sikat polimer PMPC bercabang sing dicangkokake ing permukaan substrat SiHy, angel banget kanggo menehi ciri khas sifat mekanik struktur permukaan kanthi akurat nggunakake metode pangukuran tradisional. Ing kene kita nampilake metode nanoindentasi AFM sing canggih kanggo menehi ciri khas bahan ultra-alus kanthi akurat kayata lefilcon A kanthi kandungan banyu sing dhuwur lan elastisitas sing dhuwur banget. Metode iki adhedhasar panggunaan probe AFM sing ukuran pucuk lan geometrine dipilih kanthi teliti kanggo cocog karo dimensi struktural fitur permukaan ultra-alus sing bakal dicetak. Kombinasi dimensi antarane probe lan struktur iki nyedhiyakake sensitivitas sing tambah, sing ngidini kita ngukur modulus sing kurang lan sifat elastis sing ana ing elemen sikat polimer bercabang, preduli saka efek poroelastik. Asil kasebut nuduhake yen sikat polimer PMPC bercabang unik sing dadi ciri khas permukaan lensa duwe modulus elastis sing kurang banget (nganti 2 kPa) lan elastisitas sing dhuwur banget (meh 100%) nalika diuji ing lingkungan banyu. Asil saka nanoindentasi AFM uga ngidini kita kanggo menehi ciri modulus kontak sing katon/gradien jerone (30 kPa/200 nm) saka permukaan lensa biomimetik. Gradien iki bisa uga amarga beda modulus antarane sikat polimer bercabang lan substrat SiHy, utawa struktur/kapadhetan bercabang saka sikat polimer, utawa kombinasi saka iku. Nanging, panliten sing luwih jero dibutuhake kanggo mangerteni kanthi lengkap hubungan antarane struktur lan sifat, utamane efek percabangan sikat ing sifat mekanik. Pangukuran sing padha bisa mbantu menehi ciri sifat mekanik saka permukaan bahan ultra-lunak lan piranti medis liyane.
Set data sing digawe lan/utawa dianalisis sajrone panliten saiki kasedhiya saka penulis masing-masing yen ana panyuwunan sing cukup.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. lan Haugen, HJ Reaksi biologis marang sifat fisik lan kimia saka permukaan biomaterial. Chemical. society. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM lan Liu, X. Peningkatan biomaterial sing asale saka manungsa kanggo rekayasa jaringan. pemrograman. polimer. ilmu pengetahuan. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Desain, implementasi klinis, lan respon imun biomaterial ing kedokteran regeneratif. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK lan Farr GM Cara sing luwih apik kanggo nemtokake kekerasan lan modulus elastis nggunakake eksperimen lekukan kanthi pangukuran beban lan perpindahan. J. Alma mater. tangki panyimpenan. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Asal-usul sejarah uji kekerasan indentasi. almamater. ilmu pengetahuan. teknologi. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Pangukuran Kekerasan Indentasi ing Skala Makro, Mikro, lan Nano: Tinjauan Kritis. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD lan Clapperich, SM Kasalahan deteksi permukaan nyebabake modulus overestimasi ing nanoindentation bahan alus. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. almamater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR lan Yahya M.Yu. Evaluasi metode nanoindentasi kanggo nemtokake karakteristik mekanik nanokomposit heterogen nggunakake metode eksperimental lan komputasi. ilmu pengetahuan. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, lan Owart, TS Karakterisasi mekanik gel viskoelastik alus kanthi indentasi lan analisis unsur hingga inversi berbasis optimasi. J. Mecha. Prilaku. Ilmu Biomedis. almamater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J lan Chaneler D. Optimalisasi penentuan viskoelastisitas nggunakake sistem pangukuran sing kompatibel. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. lan Pellillo, E. Nanoindentasi permukaan polimer. J. Physics. D. Aplikasi kanggo fisika. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. lan Van Vliet KJ Karakterisasi sifat mekanik viskoelastik saka polimer sing elastis banget lan jaringan biologis nggunakake indentasi kejut. Jurnal Biomaterial. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluasi modulus elastis lan karya adhesi bahan alus nggunakake metode Borodich-Galanov (BG) sing diperpanjang lan lekukan jero. fur. almamater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Morfologi nanoskala lan sifat mekanik permukaan polimer biomimetik lensa kontak hidrogel silikon. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).