გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს. თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით. საუკეთესო გამოცდილებისთვის გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში). გარდა ამისა, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილებისა და JavaScript-ის გარეშე.
ერთდროულად სამი სლაიდის კარუსელის ჩვენება. ერთდროულად სამ სლაიდს შორის გადასაადგილებლად გამოიყენეთ „წინა“ და „შემდეგი“ ღილაკები, ან ერთდროულად სამ სლაიდს შორის გადასაადგილებლად გამოიყენეთ ბოლოში არსებული სლაიდერის ღილაკები.
სამედიცინო მოწყობილობებისა და ბიოსამედიცინო აპლიკაციებისთვის ახალი ულტრარბილი მასალების შემუშავებასთან ერთად, მათი ფიზიკური და მექანიკური თვისებების ყოვლისმომცველი დახასიათება როგორც მნიშვნელოვანი, ასევე რთული ამოცანაა. ახალი ლეჰფილკონ A ბიომიმეტური სილიკონის ჰიდროგელური კონტაქტური ლინზის უკიდურესად დაბალი ზედაპირული მოდულის დასახასიათებლად გამოყენებული იქნა მოდიფიცირებული ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) ნანოინტენცირების ტექნიკა, რომელიც დაფარული იყო განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურების ფენით. ეს მეთოდი საშუალებას იძლევა ზუსტად განისაზღვროს კონტაქტის წერტილები განშტოებულ პოლიმერებთან მიახლოებისას ბლანტი ექსტრუზიის ეფექტების გარეშე. გარდა ამისა, ის შესაძლებელს ხდის ინდივიდუალური ფუნჯის ელემენტების მექანიკური მახასიათებლების დადგენას ფოროელასტიურობის ეფექტის გარეშე. ეს მიიღწევა AFM ზონდის შერჩევით, რომლის დიზაინი (წვერის ზომა, გეომეტრია და ზამბარის სიჩქარე) განსაკუთრებით შესაფერისია რბილი მასალებისა და ბიოლოგიური ნიმუშების თვისებების გასაზომად. ეს მეთოდი აუმჯობესებს მგრძნობელობას და სიზუსტეს ძალიან რბილი მასალის ლეჰფილკონ A-ს ზუსტი გაზომვისთვის, რომელსაც აქვს ზედაპირის ფართობზე ელასტიურობის უკიდურესად დაბალი მოდული (2 კპა-მდე) და უკიდურესად მაღალი ელასტიურობა შიდა (თითქმის 100%) წყლიან გარემოში. ზედაპირის შესწავლის შედეგებმა არა მხოლოდ გამოავლინა lehfilcon A ლინზის ულტრარბილი ზედაპირის თვისებები, არამედ აჩვენა, რომ განშტოებული პოლიმერული ფუნჯების მოდული შედარებადი იყო სილიციუმ-წყალბადის სუბსტრატის მოდულთან. ზედაპირის დახასიათების ეს ტექნიკა შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ულტრარბილ მასალებსა და სამედიცინო მოწყობილობებზე.
ცოცხალ ქსოვილთან პირდაპირი კონტაქტისთვის განკუთვნილი მასალების მექანიკური თვისებები ხშირად განისაზღვრება ბიოლოგიური გარემოთი. ამ მასალის თვისებების იდეალური შესაბამისობა ხელს უწყობს მასალის სასურველი კლინიკური მახასიათებლების მიღწევას არასასურველი უჯრედული რეაქციების გამოწვევის გარეშე1,2,3. მოცულობითი ერთგვაროვანი მასალებისთვის, მექანიკური თვისებების დახასიათება შედარებით მარტივია სტანდარტული პროცედურებისა და ტესტირების მეთოდების ხელმისაწვდომობის გამო (მაგ., მიკროინტენცია4,5,6). თუმცა, ულტრარბილი მასალებისთვის, როგორიცაა გელები, ჰიდროგელები, ბიოპოლიმერები, ცოცხალი უჯრედები და ა.შ., ეს ტესტირების მეთოდები ზოგადად არ გამოიყენება გაზომვის გარჩევადობის შეზღუდვებისა და ზოგიერთი მასალის არაერთგვაროვნების გამო7. წლების განმავლობაში, ტრადიციული ინტენციის მეთოდები მოდიფიცირებული და ადაპტირებული იქნა რბილი მასალების ფართო სპექტრის დასახასიათებლად, მაგრამ ბევრ მეთოდს კვლავ აქვს სერიოზული ნაკლოვანებები, რომლებიც ზღუდავს მათ გამოყენებას8,9,10,11,12,13. სპეციალიზებული ტესტირების მეთოდების ნაკლებობა, რომლებსაც შეუძლიათ ზუსტად და საიმედოდ დაახასიათონ ზერბილი მასალებისა და ზედაპირული ფენების მექანიკური თვისებები, მნიშვნელოვნად ზღუდავს მათ გამოყენებას სხვადასხვა დანიშნულებაში.
ჩვენს წინა ნაშრომში ჩვენ წარმოვადგინეთ lehfilcon A (CL) კონტაქტური ლინზა, რბილი ჰეტეროგენული მასალა, რომელსაც აქვს ყველა ულტრარბილი ზედაპირის თვისება, რომელიც მიღებულია პოტენციურად ბიომიმეტიკური დიზაინიდან, რომელიც შთაგონებულია თვალის რქოვანას ზედაპირით. ეს ბიომასალა შემუშავდა პოლი(2-მეტაკრილოლოქსიეთილფოსფორილქოლინის (MPC)) (PMPC) განშტოებული, ჯვარედინად დაკავშირებული პოლიმერული ფენის სილიკონის ჰიდროგელზე (SiHy) 15 დატანით, რომელიც შექმნილია სამედიცინო მოწყობილობებისთვის, რომლებიც დაფუძნებულია. ეს დამყნობის პროცესი ქმნის ფენას ზედაპირზე, რომელიც შედგება ძალიან რბილი და მაღალელასტიური განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურისგან. ჩვენმა წინა ნაშრომმა დაადასტურა, რომ lehfilcon A CL-ის ბიომიმეტიკური სტრუქტურა უზრუნველყოფს უმაღლეს ზედაპირულ თვისებებს, როგორიცაა გაუმჯობესებული დასველებისა და დაბინძურების პრევენცია, გაზრდილი შეზეთვა და უჯრედებისა და ბაქტერიების შემცირებული ადჰეზია 15,16. გარდა ამისა, ამ ბიომიმეტიკური მასალის გამოყენება და განვითარება ასევე გვთავაზობს შემდგომ გაფართოებას სხვა ბიოსამედიცინო მოწყობილობებზე. ამიტომ, უმნიშვნელოვანესია ამ ულტრარბილი მასალის ზედაპირული თვისებების დახასიათება და თვალთან მისი მექანიკური ურთიერთქმედების გაგება, რათა შეიქმნას ყოვლისმომცველი ცოდნის ბაზა მომავალი განვითარებისა და გამოყენების მხარდასაჭერად. კომერციულად ხელმისაწვდომი SiHy კონტაქტური ლინზების უმეტესობა შედგება ჰიდროფილური და ჰიდროფობიური პოლიმერების ერთგვაროვანი ნარევისგან, რომლებიც ქმნიან ერთგვაროვან მასალის სტრუქტურას17. ჩატარდა რამდენიმე კვლევა მათი მექანიკური თვისებების შესასწავლად ტრადიციული შეკუმშვის, დაჭიმვისა და მიკროინტენციის ტესტირების მეთოდების გამოყენებით18,19,20,21. თუმცა, lehfilcon A CL-ის ახალი ბიომიმეტიკური დიზაინი მას უნიკალურ ჰეტეროგენულ მასალად აქცევს, რომელშიც განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურების მექანიკური თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება SiHy ბაზის სუბსტრატისგან. ამიტომ, ძალიან რთულია ამ თვისებების ზუსტად რაოდენობრივი განსაზღვრა ტრადიციული და ინტენციის მეთოდების გამოყენებით. პერსპექტიული მეთოდი იყენებს ატომური ძალის მიკროსკოპიაში (AFM) დანერგილ ნანოინტენციის ტესტირების მეთოდს, მეთოდს, რომელიც გამოიყენება რბილი ვისკოელასტიური მასალების, როგორიცაა ბიოლოგიური უჯრედები და ქსოვილები, ასევე რბილი პოლიმერების მექანიკური თვისებების დასადგენად22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. AFM ნანოინტენცირებისას, ნანოინტენცირების ტესტირების საფუძვლები შერწყმულია AFM ტექნოლოგიის უახლეს მიღწევებთან, რათა უზრუნველყოფილი იყოს გაზომვის მგრძნობელობის გაზრდა და თანდაყოლილი ზერბილი მასალების ფართო სპექტრის ტესტირება31,32,33,34,35,36. გარდა ამისა, ტექნოლოგია გვთავაზობს სხვა მნიშვნელოვან უპირატესობებს სხვადასხვა გეომეტრიის, ინდენტერისა და ზონდის გამოყენებისა და სხვადასხვა თხევად გარემოში ტესტირების შესაძლებლობის გამო.
AFM ნანოინტენტაცია პირობითად შეიძლება დაიყოს სამ ძირითად კომპონენტად: (1) აღჭურვილობა (სენსორები, დეტექტორები, ზონდები და ა.შ.); (2) გაზომვის პარამეტრები (როგორიცაა ძალა, გადაადგილება, სიჩქარე, დახრილობის ზომა და ა.შ.); (3) მონაცემთა დამუშავება (საბაზისო კორექცია, შეხების წერტილის შეფასება, მონაცემთა მორგება, მოდელირება და ა.შ.). ამ მეთოდის მნიშვნელოვანი პრობლემა ის არის, რომ ლიტერატურაში AFM ​​ნანოინტენტაციის გამოყენებით ჩატარებული რამდენიმე კვლევა ერთი და იგივე ნიმუშის/უჯრედის/მასალის ტიპისთვის ძალიან განსხვავებულ რაოდენობრივ შედეგებს იძლევა37,38,39,40,41. მაგალითად, ლეკა და სხვ. შესწავლილი და შედარებული იქნა AFM ზონდის გეომეტრიის გავლენა მექანიკურად ერთგვაროვანი ჰიდროგელის და ჰეტეროგენული უჯრედების ნიმუშების გაზომილ იუნგის მოდულზე. ისინი იუწყებიან, რომ მოდულის მნიშვნელობები მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული კონსოლის შერჩევასა და წვერის ფორმაზე, ყველაზე მაღალი მნიშვნელობით პირამიდის ფორმის ზონდისთვის და ყველაზე დაბალი მნიშვნელობით 42 სფერული ზონდისთვის. ანალოგიურად, სელჰუბერ-უნკელი და სხვ. ნაჩვენებია, თუ როგორ მოქმედებს პოლიაკრილამიდის (PAAM) ნიმუშების ინდენტერის სიჩქარე, ინდენტერის ზომა და სისქე ACM43 ნანოინტენციით გაზომილ იანგის მოდულზე. კიდევ ერთი გართულებული ფაქტორია სტანდარტული უკიდურესად დაბალი მოდულის სატესტო მასალების და უფასო სატესტო პროცედურების არარსებობა. ეს ძალიან ართულებს ზუსტი შედეგების მიღებას დარწმუნებით. თუმცა, მეთოდი ძალიან სასარგებლოა მსგავსი ტიპის ნიმუშებს შორის ფარდობითი გაზომვებისა და შედარებითი შეფასებებისთვის, მაგალითად, AFM ნანოინტენციაციის გამოყენებით ნორმალური უჯრედების კიბოს უჯრედებისგან განასხვავებლად 44, 45.
რბილი მასალების AFM ნანოინტენცირების გამოყენებით ტესტირებისას, ზოგადი წესია გამოვიყენოთ ზონდი დაბალი ზამბარის მუდმივით (k), რომელიც ზუსტად შეესაბამება ნიმუშის მოდულს და ნახევარსფეროსებრი/მრგვალი წვერით, რათა პირველი ზონდი რბილ მასალებთან პირველი შეხებისას არ გახვრიტოს ნიმუშის ზედაპირები. ასევე მნიშვნელოვანია, რომ ზონდის მიერ გენერირებული გადახრის სიგნალი საკმარისად ძლიერი იყოს ლაზერული დეტექტორის სისტემის მიერ აღმოსაჩენად24,34,46,47. ულტრარბილი ჰეტეროგენული უჯრედების, ქსოვილებისა და გელების შემთხვევაში, კიდევ ერთი გამოწვევაა ზონდსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის ადჰეზიური ძალის დაძლევა, რათა უზრუნველყოფილი იყოს რეპროდუცირებადი და საიმედო გაზომვები48,49,50. ბოლო დრომდე, AFM ნანოინტენცირებაზე მუშაობის უმეტესობა ფოკუსირებული იყო ბიოლოგიური უჯრედების, ქსოვილების, გელების, ჰიდროგელების და ბიომოლეკულების მექანიკური ქცევის შესწავლაზე შედარებით დიდი სფერული ზონდების გამოყენებით, რომლებსაც ჩვეულებრივ კოლოიდურ ზონდებს (CP) უწოდებენ. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. ამ წვერებს აქვთ 1-დან 50 µm-მდე რადიუსი და ჩვეულებრივ დამზადებულია ბოროსილიკატური მინისგან, პოლიმეთილ მეტაკრილატისგან (PMMA), პოლისტიროლისგან (PS), სილიციუმის დიოქსიდისგან (SiO2) და ალმასის მსგავსი ნახშირბადისგან (DLC). მიუხედავად იმისა, რომ CP-AFM ნანოინტენცია ხშირად პირველი არჩევანია რბილი ნიმუშის დახასიათებისთვის, მას აქვს საკუთარი პრობლემები და შეზღუდვები. დიდი, მიკრონის ზომის სფერული წვერების გამოყენება ზრდის წვერის ნიმუშთან კონტაქტის საერთო ფართობს და იწვევს სივრცითი გარჩევადობის მნიშვნელოვან დაკარგვას. რბილი, არაერთგვაროვანი ნიმუშებისთვის, სადაც ლოკალური ელემენტების მექანიკური თვისებები შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს საშუალო მაჩვენებლისგან უფრო ფართო არეალში, CP ინტენციას შეუძლია დამალოს თვისებების ნებისმიერი არაერთგვაროვნება ლოკალურ მასშტაბში52. კოლოიდური ზონდები, როგორც წესი, მზადდება მიკრონის ზომის კოლოიდური სფეროების ეპოქსიდური წებოვანი ნივთიერებების გამოყენებით უწვერო კონსოლებზე მიმაგრებით. თავად წარმოების პროცესი სავსეა მრავალი პრობლემით და შეიძლება გამოიწვიოს შეუსაბამობები ზონდის კალიბრაციის პროცესში. გარდა ამისა, კოლოიდური ნაწილაკების ზომა და მასა პირდაპირ გავლენას ახდენს კონსოლის ძირითად კალიბრაციის პარამეტრებზე, როგორიცაა რეზონანსული სიხშირე, ზამბარის სიმტკიცე და გადახრის მგრძნობელობა56,57,58. ამრიგად, ჩვეულებრივი AFM ​​ზონდებისთვის ხშირად გამოყენებული მეთოდები, როგორიცაა ტემპერატურის კალიბრაცია, შეიძლება არ უზრუნველყოფდეს CP-ის ზუსტ კალიბრაციას და ამ კორექტირების შესასრულებლად შეიძლება საჭირო გახდეს სხვა მეთოდები57, 59, 60, 61. ტიპიური CP ინდენტაციის ექსპერიმენტები იყენებს დიდი გადახრების კონსოლს რბილი ნიმუშების თვისებების შესასწავლად, რაც ქმნის კიდევ ერთ პრობლემას კონსოლის არაწრფივი ქცევის შედარებით დიდი გადახრების დროს კალიბრაციისას62,63,64. თანამედროვე კოლოიდური ზონდის ინდენტაციის მეთოდები, როგორც წესი, ითვალისწინებს ზონდის კალიბრაციისთვის გამოყენებული კონსოლის გეომეტრიას, მაგრამ უგულებელყოფენ კოლოიდური ნაწილაკების გავლენას, რაც ქმნის დამატებით გაურკვევლობას მეთოდის სიზუსტეში38,61. ანალოგიურად, კონტაქტური მოდელის მორგებით გამოთვლილი ელასტიურობის მოდულები პირდაპირ დამოკიდებულია ჩაღრმავების ზონდის გეომეტრიაზე და წვერისა და ნიმუშის ზედაპირის მახასიათებლებს შორის შეუსაბამობამ შეიძლება გამოიწვიოს უზუსტობები27, 65, 66, 67, 68. სპენსერის და სხვების ბოლოდროინდელ ნაშრომში ხაზგასმულია ფაქტორები, რომლებიც გასათვალისწინებელია CP-AFM ნანოჩაღრმავების მეთოდის გამოყენებით რბილი პოლიმერული ფუნჯების დახასიათებისას. მათ აღნიშნეს, რომ პოლიმერულ ფუნჯებში სიბლანტის სითხის შეკავება სიჩქარის ფუნქციის მიხედვით იწვევს თავის დატვირთვის ზრდას და შესაბამისად, სიჩქარეზე დამოკიდებული თვისებების განსხვავებულ გაზომვებს30,69,70,71.
ამ კვლევაში, ჩვენ დავახასიათეთ ულტრარბილი, მაღალელასტიური მასალის, ლეჰფილკონ A CL-ის, ზედაპირის მოდული, მოდიფიცირებული AFM ​​ნანოინტენცირების მეთოდის გამოყენებით. ამ მასალის თვისებებისა და ახალი სტრუქტურის გათვალისწინებით, ტრადიციული ინტენცირების მეთოდის მგრძნობელობის დიაპაზონი აშკარად არასაკმარისია ამ უკიდურესად რბილი მასალის მოდულის დასახასიათებლად, ამიტომ აუცილებელია AFM ნანოინტენცირების მეთოდის გამოყენება უფრო მაღალი და დაბალი მგრძნობელობით. არსებული კოლოიდური AFM ​​ზონდის ნანოინტენცირების ტექნიკის ნაკლოვანებებისა და პრობლემების განხილვის შემდეგ, ჩვენ ვაჩვენებთ, თუ რატომ ავირჩიეთ უფრო პატარა, სპეციალურად შემუშავებული AFM ​​ზონდი მგრძნობელობის, ფონური ხმაურის აღმოსაფხვრელად, კონტაქტის წერტილის ზუსტად დასადგენად, რბილი ჰეტეროგენული მასალების სიჩქარის მოდულის გასაზომად, როგორიცაა სითხის შეკავების დამოკიდებულება, და ზუსტი რაოდენობრივი განსაზღვრისთვის. გარდა ამისა, ჩვენ შევძელით ინტენცირების წვერის ფორმისა და ზომების ზუსტად გაზომვა, რაც საშუალებას გვაძლევს გამოვიყენოთ კონუს-სფეროს მორგების მოდელი ელასტიურობის მოდულის დასადგენად მასალასთან წვერის კონტაქტის ფართობის შეფასების გარეშე. ამ ნაშრომში რაოდენობრივად განსაზღვრული ორი იმპლიციტური ვარაუდია სრულად ელასტიური მასალის თვისებები და ინტენცირების სიღრმისგან დამოუკიდებელი მოდული. ამ მეთოდის გამოყენებით, მეთოდის რაოდენობრივი განსაზღვრისთვის, თავდაპირველად გამოვცადეთ ულტრარბილი სტანდარტები ცნობილი მოდულით, შემდეგ კი ეს მეთოდი გამოვიყენეთ ორი განსხვავებული კონტაქტური ლინზის მასალის ზედაპირების დასახასიათებლად. გაზრდილი მგრძნობელობის მქონე AFM ნანოინტენციური ზედაპირების დახასიათების ეს მეთოდი, სავარაუდოდ, გამოყენებული იქნება ბიომიმეტური ჰეტეროგენული ულტრარბილი მასალების ფართო სპექტრისთვის, რომელთა გამოყენებაც პოტენციურად შესაძლებელია სამედიცინო მოწყობილობებსა და ბიოსამედიცინო აპლიკაციებში.
ნანოინტენცირების ექსპერიმენტებისთვის შეირჩა Lehfilcon A-ს კონტაქტური ლინზები (Alcon, ფორტ უორზი, ტეხასი, აშშ) და მათი სილიკონის ჰიდროგელის სუბსტრატები. ექსპერიმენტში გამოყენებული იქნა სპეციალურად შექმნილი ლინზის სამაგრი. ტესტირებისთვის ლინზის დასაყენებლად, ის ფრთხილად მოათავსეს გუმბათის ფორმის სადგამზე, რათა დარწმუნებულიყვნენ, რომ შიგნით ჰაერის ბუშტები არ მოხვედრილიყო, შემდეგ კი კიდეებით დააფიქსირეს. ლინზის დამჭერის ზედა ნაწილში არსებული ნახვრეტი უზრუნველყოფს ლინზის ოპტიკურ ცენტრთან წვდომას ნანოინტენცირების ექსპერიმენტებისთვის, სითხის ადგილზე შენარჩუნებით. ეს ლინზებს სრულად ჰიდრატაციას უნარჩუნებს. სატესტო ხსნარად გამოყენებული იქნა კონტაქტური ლინზების შესაფუთი ხსნარის 500 μl. რაოდენობრივი შედეგების დასადასტურებლად, პოლიაკრილამიდ-კო-მეთილენ-ბისაკრილამიდის შემადგენლობისგან (100 მმ Petrisoft Petri-ს თეფშები, Matrigen, ირვინი, კალიფორნია, აშშ) მომზადდა კომერციულად ხელმისაწვდომი არააქტიური პოლიაკრილამიდის (PAAM) ჰიდროგელები, ცნობილი ელასტიურობის მოდულით 1 kPa. AFM ჰიდროგელ-ზონდის ინტერფეისზე გამოიყენეთ ფოსფატ-ბუფერული ფიზიოლოგიური ხსნარის 4-5 წვეთი (დაახლოებით 125 µლ) (PBS Corning Life Sciences-ისგან, ტიუკსბერი, მასაჩუსეტსი, აშშ) და OPTI-FREE Puremoist კონტაქტური ლინზების ხსნარის 1 წვეთი (Alcon, Vaud, TX, აშშ).
Lehfilcon A CL და SiHy სუბსტრატების ნიმუშები ვიზუალიზებული იქნა FEI Quanta 250 ველის ემისიის სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (FEG SEM) სისტემის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია სკანირების გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპის (STEM) დეტექტორით. ნიმუშების მოსამზადებლად, ლინზები თავდაპირველად წყლით გაირეცხა და ღვეზელის ფორმის ნაჭრებად დაიჭრა. ნიმუშების ჰიდროფილურ და ჰიდროფობულ კომპონენტებს შორის დიფერენციალური კონტრასტის მისაღწევად, საღებავის სახით გამოყენებული იქნა RuO4-ის 0.10%-იანი სტაბილიზებული ხსნარი, რომელშიც ნიმუშები 30 წუთის განმავლობაში იყო ჩაძირული. lehfilcon A CL RuO4 შეღებვა მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ დიფერენციალური კონტრასტის გაუმჯობესების მისაღწევად, არამედ ხელს უწყობს განშტოებული პოლიმერული ფუნჯების სტრუქტურის შენარჩუნებას თავდაპირველი სახით, რომლებიც შემდეგ ჩანს STEM სურათებზე. შემდეგ ისინი გაირეცხა და გაუწყლოდა ეთანოლის/წყლის ნარევებში ეთანოლის კონცენტრაციის ზრდით. შემდეგ ნიმუშები ჩამოისხა EMBed 812/Araldite ეპოქსიდით, რომელიც გაშრა ღამით 70°C ტემპერატურაზე. ფისოვანი პოლიმერიზაციით მიღებული ნიმუშის ბლოკები დაიჭრა ულტრამიკროტომით და მიღებული თხელი მონაკვეთები ვიზუალიზებული იქნა STEM დეტექტორით დაბალი ვაკუუმის რეჟიმში 30 კვ აჩქარების ძაბვით. იგივე SEM სისტემა გამოყენებული იქნა PFQNM-LC-A-CAL AFM ზონდის (Bruker Nano, სანტა ბარბარა, კალიფორნია, აშშ) დეტალური დახასიათებისთვის. AFM ზონდის SEM გამოსახულებები მიღებული იქნა ტიპური მაღალი ვაკუუმის რეჟიმში 30 კვ აჩქარების ძაბვით. AFM ზონდის წვერის ფორმისა და ზომის ყველა დეტალის ჩასაწერად, გადაიღეთ გამოსახულებები სხვადასხვა კუთხითა და გადიდებით. სურათებში საინტერესო წვერის ყველა ზომა გაიზომა ციფრულად.
lehfilcon A CL-ის, SiHy სუბსტრატის და PAAm ჰიდროგელის ნიმუშების ვიზუალიზაციისა და ნანოინტენსირებისთვის გამოყენებული იქნა Dimension FastScan Bio Icon ატომური ძალის მიკროსკოპი (Bruker Nano, სანტა ბარბარა, კალიფორნია, აშშ) „PeakForce QNM in Fluid“ რეჟიმით. ვიზუალიზაციის ექსპერიმენტებისთვის, ნიმუშის მაღალი გარჩევადობის სურათების გადასაღებად 0.50 ჰც სკანირების სიჩქარით გამოყენებული იქნა PEAKFORCE-HIRS-FA ზონდი (Bruker) 1 ნმ ნომინალური წვერის რადიუსით. ყველა სურათი გადაღებულია წყალხსნარში.
AFM ნანოინტენცირების ექსპერიმენტები ჩატარდა PFQNM-LC-A-CAL ზონდის (Bruker) გამოყენებით. AFM ზონდს აქვს სილიკონის წვერი ნიტრიდულ კონსოლად, რომლის სისქეა 345 ნმ, სიგრძე 54 მკმ და სიგანე 4.5 მკმ, რეზონანსული სიხშირე 45 კჰც. ის სპეციალურად შექმნილია რბილი ბიოლოგიური ნიმუშების დასახასიათებლად და რაოდენობრივი ნანომექანიკური გაზომვების შესასრულებლად. სენსორები ინდივიდუალურად დაკალიბრებულია ქარხანაში წინასწარ დაკალიბრებული ზამბარის პარამეტრებით. ამ კვლევაში გამოყენებული ზონდების ზამბარის მუდმივები იყო 0.05–0.1 ნ/მ დიაპაზონში. წვერის ფორმისა და ზომის ზუსტად დასადგენად, ზონდი დეტალურად დახასიათდა SEM-ის გამოყენებით. ნახ. 1ა-ზე ნაჩვენებია PFQNM-LC-A-CAL ზონდის მაღალი გარჩევადობის, დაბალი გადიდების სკანირების ელექტრონული მიკროგრაფია, რომელიც იძლევა ზონდის დიზაინის ჰოლისტურ ხედს. ნახ. 1ბ-ზე ნაჩვენებია ზონდის წვერის ზედა ნაწილის გადიდებული ხედი, რომელიც იძლევა ინფორმაციას წვერის ფორმისა და ზომის შესახებ. უკიდურეს ბოლოში, ნემსი წარმოადგენს ნახევარსფეროს, რომლის დიამეტრი დაახლოებით 140 ნმ-ია (სურ. 1გ). მის ქვემოთ, წვერი კონუსურ ფორმას იღებს და დაახლოებით 500 ნმ გაზომილ სიგრძეს აღწევს. შევიწროების არეალის გარეთ, წვერი ცილინდრულია და მთავრდება წვერის საერთო სიგრძით 1.18 µm. ეს არის ზონდის წვერის მთავარი ფუნქციური ნაწილი. გარდა ამისა, კოლოიდური ზონდის სახით ტესტირებისთვის ასევე გამოყენებული იქნა დიდი სფერული პოლისტიროლის (PS) ზონდი (Novascan Technologies, Inc., ბუნი, აიოვა, აშშ), რომლის წვერის დიამეტრი 45 µm და ზამბარის მუდმივა 2 N/m იყო. შედარებისთვის, PFQNM-LC-A-CAL 140 ნმ ზონდი.
არსებობს ინფორმაცია, რომ ნანოჩაღრმავების დროს სითხე შეიძლება გაიჭედოს AFM ზონდსა და პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურას შორის, რაც AFM ზონდზე ზედაპირთან შეხებამდე ზევით მიმართულ ძალას ახდენს69. სითხის შეკავების გამო ეს ბლანტი ექსტრუზიის ეფექტი შეიძლება ცვლიდეს შეხების აშკარა წერტილს, რითაც გავლენას ახდენს ზედაპირის მოდულის გაზომვებზე. ზონდის გეომეტრიისა და ჩაღრმავების სიჩქარის სითხის შეკავებაზე გავლენის შესასწავლად, lehfilcon A CL ნიმუშებისთვის ჩაღრმავების ძალის მრუდები აიგო 140 ნმ დიამეტრის ზონდის გამოყენებით 1 µm/s და 2 µm/s მუდმივი გადაადგილების სიჩქარით. ზონდის დიამეტრი 45 µm, ფიქსირებული ძალის პარამეტრი 6 nN, მიღწეული 1 µm/s-ზე. ექსპერიმენტები 140 ნმ დიამეტრის ზონდით ჩატარდა 1 µm/s ჩაღრმავების სიჩქარით და 300 pN ფიქსირებული ძალით, რომელიც შერჩეული იყო ზედა ქუთუთოს ფიზიოლოგიურ დიაპაზონში (1–8 კპა) კონტაქტური წნევის შესაქმნელად. წნევა 72. PAA ჰიდროგელის რბილი, მზა ნიმუშები 1 კპა წნევით გამოიცადა 50 pN ჩაღრმავების ძალაზე 1 μm/s სიჩქარით 140 ნმ დიამეტრის მქონე ზონდის გამოყენებით.
ვინაიდან PFQNM-LC-A-CAL ზონდის წვერის კონუსური ნაწილის სიგრძე დაახლოებით 500 ნმ-ია, ნებისმიერი ჩაღრმავების სიღრმისთვის < 500 ნმ, შეგვიძლია დარწმუნებით ვივარაუდოთ, რომ ჩაღრმავების დროს ზონდის გეომეტრია მისი კონუსის ფორმის შესაბამისი დარჩება. გარდა ამისა, ვივარაუდებთ, რომ ტესტირებული მასალის ზედაპირი შექცევად ელასტიურ რეაქციას გამოავლენს, რაც ასევე დადასტურდება შემდეგ ნაწილებში. ამიტომ, წვერის ფორმისა და ზომის მიხედვით, ჩვენი AFM ​​ნანოჩაღრმავების ექსპერიმენტების (NanoScope) დასამუშავებლად ავირჩიეთ ბრისკოს, სებასტიანისა და ადამსის მიერ შემუშავებული კონუს-სფეროს მორგების მოდელი, რომელიც ხელმისაწვდომია მომწოდებლის პროგრამულ უზრუნველყოფაში. გამოყოფის მონაცემთა ანალიზის პროგრამული უზრუნველყოფა, Bruker) 73. მოდელი აღწერს ძალა-გადაადგილების F(δ) დამოკიდებულებას სფერული წვეროს დეფექტის მქონე კონუსისთვის. ნახ. სურათი 2 გვიჩვენებს კონტაქტის გეომეტრიას ხისტი კონუსის სფერულ წვერთან ურთიერთქმედების დროს, სადაც R არის სფერული წვერის რადიუსი, a არის კონტაქტის რადიუსი, b არის კონტაქტის რადიუსი სფერული წვერის ბოლოში, δ არის კონტაქტის რადიუსი. ჩაღრმავების სიღრმე, θ არის კონუსის ნახევარკუთხე. ამ ზონდის SEM გამოსახულება ნათლად აჩვენებს, რომ 140 ნმ დიამეტრის სფერული წვერი ტანგენციალურად ერწყმის კონუსს, ამიტომ აქ b განისაზღვრება მხოლოდ R-ის მეშვეობით, ანუ b = R cos θ. მომწოდებლის მიერ მოწოდებული პროგრამული უზრუნველყოფა იძლევა კონუს-სფეროს ურთიერთობას ძალის განცალკევების მონაცემებიდან იანგის მოდულის (E) მნიშვნელობების გამოსათვლელად, იმ ვარაუდით, რომ a > b. ურთიერთობა:
სადაც F არის ჩაღრმავების ძალა, E არის იანგის მოდული, ν არის პუასონის თანაფარდობა. კონტაქტის რადიუსი a შეიძლება შეფასდეს შემდეგი გამოყენებით:
ლეფილკონის კონტაქტური ლინზის მასალაში განშტოებული პოლიმერული ფუნჯების ზედაპირული ფენით დაპრესილი სფერული წვერით მყარი კონუსის კონტაქტური გეომეტრიის სქემა.
თუ a ≤ b, დამოკიდებულება ჩვეულებრივი სფერული ჩაღრმავების განტოლებამდე დაიყვანება;
ჩვენი აზრით, ჩაღრმავებული ზონდის ურთიერთქმედება PMPC პოლიმერული ფუნჯის განშტოებულ სტრუქტურასთან გამოიწვევს კონტაქტის რადიუსის a სფერულ კონტაქტის რადიუსზე b მეტს. ამიტომ, ამ კვლევაში ჩატარებული ელასტიურობის მოდულის ყველა რაოდენობრივი გაზომვისთვის გამოვიყენეთ a > b შემთხვევისთვის მიღებული დამოკიდებულება.
ამ კვლევაში შესწავლილი ულტრარბილი ბიომიმეტიკური მასალები ყოვლისმომცველად იქნა გამოსახული ნიმუშის განივი კვეთის სკანირების ტრანსმისიული ელექტრონული მიკროსკოპიის (STEM) და ზედაპირის ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) გამოყენებით. ზედაპირის ეს დეტალური დახასიათება ჩატარდა ჩვენი ადრე გამოქვეყნებული ნაშრომის გაგრძელების სახით, რომელშიც ჩვენ დავადგინეთ, რომ PMPC-მოდიფიცირებული ლეჰფილკონ A CL ზედაპირის დინამიურად განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურა ავლენდა მსგავს მექანიკურ თვისებებს ბუნებრივი რქოვანას ქსოვილის 14. ამ მიზეზით, ჩვენ კონტაქტური ლინზების ზედაპირებს ბიომიმეტურ მასალებს ვუწოდებთ14. ნახ. 3ა, ბ-ზე ნაჩვენებია განშტოებული PMPC პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურების განივი კვეთები, შესაბამისად, ლეჰფილკონ A CL სუბსტრატის და დაუმუშავებელი SiHy სუბსტრატის ზედაპირზე. ორივე ნიმუშის ზედაპირები დამატებით გაანალიზდა მაღალი გარჩევადობის AFM სურათების გამოყენებით, რამაც კიდევ უფრო დაადასტურა STEM ანალიზის შედეგები (ნახ. 3გ, დ). ერთად აღებული, ეს სურათები იძლევა PMPC განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის დაახლოებით სიგრძეს 300–400 ნმ-ზე, რაც კრიტიკულია AFM ნანოინტენციის გაზომვების ინტერპრეტაციისთვის. სურათებიდან მიღებული კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი დაკვირვება არის ის, რომ CL ბიომიმეტიკური მასალის საერთო ზედაპირული სტრუქტურა მორფოლოგიურად განსხვავდება SiHy სუბსტრატის მასალისგან. მათი ზედაპირის მორფოლოგიაში ეს განსხვავება შეიძლება აშკარა გახდეს ჩაღრმავებულ AFM ზონდთან მექანიკური ურთიერთქმედების დროს და შემდგომში გაზომილი მოდულის მნიშვნელობებში.
(ა) ლეჰფილკონ A CL-ის და (ბ) SiHy სუბსტრატის STEM-ის განივი კვეთის სურათები. მასშტაბის ზოლი, 500 ნმ. ლეჰფილკონ A CL სუბსტრატის (გ) და SiHy-ის ფუძე სუბსტრატის (დ) ზედაპირის AFM სურათები (3 µm × 3 µm).
ბიოინსპირირებული პოლიმერები და პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურები თავისი ბუნებით რბილია და ფართოდ არის შესწავლილი და გამოყენებული სხვადასხვა ბიოსამედიცინო გამოყენებაში74,75,76,77. ამიტომ, მნიშვნელოვანია AFM ნანოინტენცირების მეთოდის გამოყენება, რომელსაც შეუძლია ზუსტად და საიმედოდ გაზომოს მათი მექანიკური თვისებები. თუმცა, ამავდროულად, ამ ულტრარბილი მასალების უნიკალური თვისებები, როგორიცაა უკიდურესად დაბალი ელასტიურობის მოდული, მაღალი სითხის შემცველობა და მაღალი ელასტიურობა, ხშირად ართულებს ინტენდერის ზონდის სწორი მასალის, ფორმისა და ზომის არჩევას. ეს მნიშვნელოვანია იმისათვის, რომ ინტენტერმა არ გახვრიტოს ნიმუშის რბილი ზედაპირი, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს შეცდომები ზედაპირთან შეხების წერტილის და შეხების არეალის განსაზღვრისას.
ამისათვის აუცილებელია ულტრარბილი ბიომიმეტიკური მასალების (lehfilcon A CL) მორფოლოგიის ყოვლისმომცველი გაგება. ვიზუალიზაციის მეთოდით მიღებული განშტოებული პოლიმერული ფუნჯების ზომისა და სტრუქტურის შესახებ ინფორმაცია წარმოადგენს ზედაპირის მექანიკური დახასიათების საფუძველს AFM ნანოინტენცირების ტექნიკის გამოყენებით. მიკრონის ზომის სფერული კოლოიდური ზონდების ნაცვლად, ჩვენ ავირჩიეთ PFQNM-LC-A-CAL სილიციუმის ნიტრიდის ზონდი (Bruker) 140 ნმ წვერის დიამეტრით, რომელიც სპეციალურად შექმნილია ბიოლოგიური ნიმუშების მექანიკური თვისებების რაოდენობრივი რუკის შესაქმნელად 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. შედარებით ბასრი ზონდების გამოყენების რაციონალურობა ჩვეულებრივ კოლოიდურ ზონდებთან შედარებით შეიძლება აიხსნას მასალის სტრუქტურული მახასიათებლებით. ზონდის წვერის ზომის (~140 ნმ) შედარებისას CL lehfilcon A-ს ზედაპირზე განშტოებულ პოლიმერულ ჯაგრისებთან, რომლებიც ნაჩვენებია ნახ. 3ა-ზე, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ წვერი საკმარისად დიდია ამ ჯაგრის სტრუქტურებთან პირდაპირი კონტაქტისთვის, რაც ამცირებს წვერის მათში გახვრეტის ალბათობას. ამ წერტილის საილუსტრაციოდ, ნახ. 4-ზე წარმოდგენილია lehfilcon A CL-ის და AFM ზონდის ჩაღრმავებული წვერის STEM გამოსახულება (მასშტაბში დახატული).
სქემატური გამოსახულება, რომელიც აჩვენებს ლეჰფილკონ A CL-ის STEM გამოსახულებას და ACM ჩაღრმავების ზონდს (მასშტაბში დახატული).
გარდა ამისა, 140 ნმ წვერის ზომა საკმარისად მცირეა იმისათვის, რომ თავიდან იქნას აცილებული წებოვანი ექსტრუზიის ეფექტების რისკი, რომლებიც ადრე იყო აღწერილი CP-AFM ნანოინტენცირების მეთოდით წარმოებული პოლიმერული ჯაგრისებისთვის69,71. ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ამ AFM წვერის განსაკუთრებული კონუსურ-სფერული ფორმისა და შედარებით მცირე ზომის გამო (სურ. 1), lehfilcon A CL ნანოინტენცირების შედეგად წარმოქმნილი ძალის მრუდის ბუნება არ იქნება დამოკიდებული ინტენცირების სიჩქარეზე ან ჩატვირთვა/გადმოტვირთვის სიჩქარეზე. ამიტომ, მასზე გავლენას არ ახდენს ფოროელასტიური ეფექტები. ამ ჰიპოთეზის შესამოწმებლად, lehfilcon A CL ნიმუშები ჩაღრმავდა ფიქსირებული მაქსიმალური ძალით PFQNM-LC-A-CAL ზონდის გამოყენებით, მაგრამ ორი განსხვავებული სიჩქარით, და შედეგად მიღებული დაჭიმვისა და შეკუმშვის ძალის მრუდები გამოყენებული იქნა ძალის (nN) გამოსახატავად განცალკევებაში (µm), რაც ნაჩვენებია სურათ 5ა-ში. ცხადია, რომ დატვირთვისა და გადმოტვირთვის დროს ძალის მრუდები მთლიანად გადაფარავს ერთმანეთს და ნახაზზე არ არსებობს მკაფიო მტკიცებულება იმისა, რომ ნულოვანი ჩაღრმავების სიღრმეზე ძალის ძვრა იზრდება ჩაღრმავების სიჩქარის ზრდასთან ერთად, რაც იმაზე მიუთითებს, რომ ცალკეული ფუნჯის ელემენტები დახასიათებულია ფოროელასტიური ეფექტის გარეშე. ამის საპირისპიროდ, სითხის შეკავების ეფექტები (ბლანტი ექსტრუზია და ფოროელასტიური ეფექტები) აშკარაა 45 µm დიამეტრის AFM ზონდისთვის იმავე ჩაღრმავების სიჩქარით და ხაზგასმულია გაჭიმვისა და შეკუმშვის მრუდებს შორის ჰისტერეზისით, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 5b-ზე. ეს შედეგები ადასტურებს ჰიპოთეზას და მიუთითებს, რომ 140 ნმ დიამეტრის ზონდები კარგი არჩევანია ასეთი რბილი ზედაპირების დასახასიათებლად.
lehfilcon A CL ჩაღრმავების ძალის მრუდები ACM-ის გამოყენებით; (ა) 140 ნმ დიამეტრის მქონე ზონდის გამოყენებით ორი დატვირთვის სიჩქარით, რაც აჩვენებს ზედაპირის ჩაღრმავების დროს ფოროელასტიური ეფექტის არარსებობას; (ბ) 45 µm და 140 ნმ დიამეტრის მქონე ზონდების გამოყენებით. s აჩვენებს ვისკოზური ექსტრუზიის და ფოროელასტიური ეფექტის ეფექტებს დიდი ზონდებისთვის პატარა ზონდებთან შედარებით.
ულტრარბილი ზედაპირების დასახასიათებლად, AFM ნანოინტენცირების მეთოდებს უნდა ჰქონდეთ საუკეთესო ზონდი შესწავლილი მასალის თვისებების შესასწავლად. წვერის ფორმისა და ზომის გარდა, AFM დეტექტორის სისტემის მგრძნობელობა, ტესტირების გარემოში წვერის გადახრის მიმართ მგრძნობელობა და კონსოლის სიმტკიცე მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ნანოინტენცირების გაზომვების სიზუსტისა და სანდოობის განსაზღვრაში. ჩვენი AFM ​​სისტემისთვის, პოზიციის მგრძნობიარე დეტექტორის (PSD) აღმოჩენის ზღვარი დაახლოებით 0.5 mV-ია და ეფუძნება წინასწარ დაკალიბრებულ ზამბარის სიჩქარეს და PFQNM-LC-A-CAL ზონდის გამოთვლილ სითხის გადახრის მგრძნობელობას, რომელიც შეესაბამება თეორიულ დატვირთვის მგრძნობელობას. ეს მეთოდი საშუალებას იძლევა გაზომოთ მინიმალური ინტენცირების ძალა ≤ 0.1 pN პერიფერიული ხმაურის კომპონენტის გარეშე. თუმცა, AFM სისტემისთვის თითქმის შეუძლებელია პერიფერიული ხმაურის ამ დონემდე შემცირება ისეთი ფაქტორების გამო, როგორიცაა მექანიკური ვიბრაცია და სითხის დინამიკა. ეს ფაქტორები ზღუდავს AFM ნანოინტენცირების მეთოდის საერთო მგრძნობელობას და ასევე იწვევს დაახლოებით ≤ 10 pN ფონური ხმაურის სიგნალს. ზედაპირის დახასიათებისთვის, lehfilcon A CL და SiHy სუბსტრატის ნიმუშები ჩაინტენცირებული იქნა სრულად ჰიდრატირებულ პირობებში, SEM დახასიათებისთვის 140 ნმ ზონდის გამოყენებით, და შედეგად მიღებული ძალის მრუდები გადაფარა ძალას (pN) და წნევას შორის. გამოყოფის დიაგრამა (µm) ნაჩვენებია ნახაზ 6a-ზე. SiHy ფუძე სუბსტრატთან შედარებით, lehfilcon A CL ძალის მრუდი აშკარად აჩვენებს გარდამავალ ფაზას, რომელიც იწყება გაორმაგებულ პოლიმერულ ფუნჯთან კონტაქტის წერტილიდან და მთავრდება დახრილობის მკვეთრი ცვლილებით, რაც აღნიშნავს წვერის კონტაქტს ქვედა მასალასთან. ძალის მრუდის ეს გარდამავალი ნაწილი ხაზს უსვამს განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის ჭეშმარიტად ელასტიურ ქცევას ზედაპირზე, რასაც ადასტურებს შეკუმშვის მრუდი, რომელიც მჭიდროდ მიჰყვება დაჭიმვის მრუდს და მექანიკური თვისებების კონტრასტი ფუნჯის სტრუქტურასა და მოცულობითი SiHy მასალას შორის. lefilcon-ის შედარებისას. PCS-ის STEM გამოსახულებაზე (სურ. 3ა) განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის საშუალო სიგრძისა და სურათ 3ა.6ა-ზე აბსცისას გასწვრივ მისი ძალის მრუდის გამოყოფა აჩვენებს, რომ მეთოდს შეუძლია ზედაპირის ყველაზე მწვერვალამდე მიმავალი წვერისა და განშტოებული პოლიმერის აღმოჩენა. ფუნჯის სტრუქტურებს შორის კონტაქტი. გარდა ამისა, ძალის მრუდების მჭიდრო გადაფარვა მიუთითებს სითხის შეკავების ეფექტის არარსებობაზე. ამ შემთხვევაში, ნემსსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის აბსოლუტურად არ არის ადჰეზია. ორი ნიმუშის ძალის მრუდების ზედა მონაკვეთები გადაფარავს ერთმანეთს, რაც ასახავს სუბსტრატის მასალების მექანიკური თვისებების მსგავსებას.
(ა) AFM ნანოინტენცირების ძალის მრუდები lehfilcon A CL სუბსტრატებისთვის და SiHy სუბსტრატებისთვის, (ბ) ძალის მრუდები, რომლებიც აჩვენებს კონტაქტის წერტილის შეფასებას ფონური ხმაურის ზღურბლის მეთოდის გამოყენებით.
ძალის მრუდის უფრო დახვეწილი დეტალების შესასწავლად, lehfilcon A CL ნიმუშის დაჭიმულობის მრუდი ხელახლაა გამოსახული ნახ. 6b-ზე მაქსიმალური ძალით 50 pN y ღერძის გასწვრივ. ეს გრაფიკი მნიშვნელოვან ინფორმაციას გვაწვდის საწყისი ფონური ხმაურის შესახებ. ხმაური ±10 pN დიაპაზონშია, რომელიც გამოიყენება შეხების წერტილის ზუსტად დასადგენად და ჩაღრმავების სიღრმის გამოსათვლელად. როგორც ლიტერატურაშია აღნიშნული, შეხების წერტილების იდენტიფიცირება კრიტიკულად მნიშვნელოვანია მასალის ისეთი თვისებების ზუსტად შესაფასებლად, როგორიცაა მოდული85. ძალის მრუდის მონაცემების ავტომატურ დამუშავებას მოიცავდა მიდგომა, რომელმაც აჩვენა გაუმჯობესებული შესაბამისობა რბილი მასალების მონაცემთა შესაბამისობასა და რაოდენობრივ გაზომვებს შორის86. ამ ნაშრომში, შეხების წერტილების ჩვენი არჩევანი შედარებით მარტივი და ობიექტურია, მაგრამ მას აქვს თავისი შეზღუდვები. შეხების წერტილის განსაზღვრისადმი ჩვენმა კონსერვატიულმა მიდგომამ შეიძლება გამოიწვიოს მოდულის ოდნავ გადაჭარბებული მნიშვნელობები უფრო მცირე ჩაღრმავების სიღრმეებისთვის (< 100 ნმ). ალგორითმზე დაფუძნებული შეხების წერტილის აღმოჩენისა და მონაცემთა ავტომატიზირებული დამუშავების გამოყენება შეიძლება იყოს ამ ნაშრომის გაგრძელება მომავალში ჩვენი მეთოდის შემდგომი გასაუმჯობესებლად. ამგვარად, ±10 pN რიგის შინაგანი ფონური ხმაურისთვის, ჩვენ განვსაზღვრავთ კონტაქტის წერტილს, როგორც ნახაზ 6b-ზე x ღერძზე პირველ მონაცემთა წერტილს ≥10 pN მნიშვნელობით. შემდეგ, 10 pN ხმაურის ზღურბლის შესაბამისად, ~0.27 µm დონეზე ვერტიკალური ხაზი აღნიშნავს ზედაპირთან კონტაქტის წერტილს, რის შემდეგაც გაჭიმვის მრუდი გრძელდება მანამ, სანამ სუბსტრატი არ მიაღწევს ~270 ნმ ჩაღრმავების სიღრმეს. საინტერესოა, რომ ვიზუალიზაციის მეთოდით გაზომილი განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის მახასიათებლების ზომის (300–400 ნმ) საფუძველზე, ფონური ხმაურის ზღურბლის მეთოდით დაკვირვებული CL lehfilcon A ნიმუშის ჩაღრმავების სიღრმე დაახლოებით 270 ნმ-ია, რაც ძალიან ახლოსაა STEM-ით გაზომვის ზომასთან. ეს შედეგები კიდევ ერთხელ ადასტურებს AFM ზონდის წვერის ფორმისა და ზომის თავსებადობას და გამოყენებადობას ამ ძალიან რბილი და მაღალელასტიური განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის ჩაღრმავებისთვის. ეს მონაცემები ასევე წარმოადგენს ძლიერ მტკიცებულებას, რომელიც ადასტურებს ჩვენს მეთოდს, რომელიც ფონური ხმაურის, როგორც ზღურბლის გამოყენებას კონტაქტური წერტილების ზუსტად დასადგენად იყენებს. ამგვარად, მათემატიკური მოდელირებითა და ძალის მრუდის მორგებით მიღებული ნებისმიერი რაოდენობრივი შედეგი შედარებით ზუსტი უნდა იყოს.
AFM ნანოინტენცირების მეთოდებით რაოდენობრივი გაზომვები მთლიანად დამოკიდებულია მონაცემთა შერჩევისა და შემდგომი ანალიზისთვის გამოყენებულ მათემატიკურ მოდელებზე. ამიტომ, კონკრეტული მოდელის არჩევამდე მნიშვნელოვანია გავითვალისწინოთ ყველა ფაქტორი, რომელიც დაკავშირებულია ინდენტერის არჩევანთან, მასალის თვისებებთან და მათი ურთიერთქმედების მექანიკასთან. ამ შემთხვევაში, წვერის გეომეტრია ფრთხილად დახასიათდა SEM მიკროგრაფიების გამოყენებით (სურ. 1) და შედეგების საფუძველზე, 140 ნმ დიამეტრის AFM ნანოინტენცირების ზონდი მყარი კონუსისა და სფერული წვერის გეომეტრიით კარგი არჩევანია lehfilcon A CL79 ნიმუშების დასახასიათებლად. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც ყურადღებით უნდა შეფასდეს, არის ტესტირებადი პოლიმერული მასალის ელასტიურობა. მიუხედავად იმისა, რომ ნანოინტენცირების საწყისი მონაცემები (სურ. 5ა და 6ა) მკაფიოდ ასახავს დაჭიმვისა და შეკუმშვის მრუდების გადაფარვის თავისებურებებს, ანუ მასალის სრულ ელასტიურ აღდგენას, უაღრესად მნიშვნელოვანია კონტაქტების წმინდა ელასტიური ბუნების დადასტურება. ამ მიზნით, სრული ჰიდრატაციის პირობებში, lehfilcon A CL ნიმუშის ზედაპირზე ერთსა და იმავე ადგილას, 1 µm/s ჩაღრმავების სიჩქარით, თანმიმდევრულად ორი ჩაღრმავება განხორციელდა. შედეგად მიღებული ძალის მრუდის მონაცემები ნაჩვენებია ნახ. 7-ში და, როგორც მოსალოდნელი იყო, ორი ანაბეჭდის გაფართოებისა და შეკუმშვის მრუდები თითქმის იდენტურია, რაც ხაზს უსვამს განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის მაღალ ელასტიურობას.
ლეჰფილკონ A CL-ის ზედაპირზე ერთსა და იმავე ადგილას ორი ჩაღრმავების ძალის მრუდი მიუთითებს ლინზის ზედაპირის იდეალურ ელასტიურობაზე.
ზონდის წვერისა და lehfilcon A CL ზედაპირის SEM და STEM სურათებიდან მიღებული ინფორმაციის საფუძველზე, შესაბამისად, კონუს-სფეროს მოდელი წარმოადგენს AFM ზონდის წვერსა და შესამოწმებელ რბილ პოლიმერულ მასალას შორის ურთიერთქმედების გონივრულ მათემატიკურ წარმოდგენას. გარდა ამისა, ამ კონუს-სფეროს მოდელისთვის, ამ ახალი ბიომიმეტური მასალისთვის ჭეშმარიტია დაბეჭდილი მასალის ელასტიური თვისებების შესახებ ფუნდამენტური დაშვებები და გამოიყენება ელასტიურობის მოდულის რაოდენობრივი განსაზღვრისთვის.
AFM ნანოინტენცირების მეთოდისა და მისი კომპონენტების ყოვლისმომცველი შეფასების შემდეგ, მათ შორის ინტენცირების ზონდის თვისებების (ფორმა, ზომა და ზამბარის სიმტკიცე), მგრძნობელობის (ფონური ხმაური და კონტაქტის წერტილის შეფასება) და მონაცემთა მორგების მოდელების (რაოდენობრივი მოდულის გაზომვები) ყოვლისმომცველი შეფასების შემდეგ, გამოყენებული იქნა მეთოდი. რაოდენობრივი შედეგების დასადასტურებლად დახასიათდა კომერციულად ხელმისაწვდომი ულტრარბილი ნიმუშები. 1 კპა ელასტიურობის მოდულით კომერციული პოლიაკრილამიდის (PAAM) ჰიდროგელი გამოიცადა ჰიდრატირებულ პირობებში 140 ნმ ზონდის გამოყენებით. მოდულის ტესტირებისა და გამოთვლების დეტალები მოცემულია დამატებით ინფორმაციაში. შედეგებმა აჩვენა, რომ საშუალოდ გაზომილი მოდული იყო 0.92 კპა, ხოლო %RSD და პროცენტული (%) გადახრა ცნობილი მოდულიდან 10%-ზე ნაკლები იყო. ეს შედეგები ადასტურებს ამ ნაშრომში გამოყენებული AFM ​​ნანოინტენცირების მეთოდის სიზუსტეს და რეპროდუცირებადობას ულტრარბილი მასალების მოდულების გასაზომად. lehfilcon A CL ნიმუშების ზედაპირები და SiHy ფუძე სუბსტრატი შემდგომში დახასიათდა იმავე AFM ნანოინტენცირების მეთოდით, რათა შესწავლილიყო ულტრარბილი ზედაპირის აშკარა კონტაქტური მოდული, როგორც ინდენტაციის სიღრმის ფუნქცია. ინდენტაციის ძალის განცალკევების მრუდები გენერირებული იქნა თითოეული ტიპის სამი ნიმუშისთვის (n = 3; ერთი ინტენცია თითო ნიმუშზე) 300 pN ძალის, 1 µm/s სიჩქარის და სრული ჰიდრატაციის დროს. ინდენტაციის ძალის გაზიარების მრუდი დაახლოებით გამოითვალა კონუს-სფეროს მოდელის გამოყენებით. ინდენტაციის სიღრმეზე დამოკიდებული მოდულის მისაღებად, ძალის მრუდის 40 ნმ სიგანის ნაწილი დაყენებული იქნა 20 ნმ-ის თითოეულ ინკრემენტზე, კონტაქტის წერტილიდან დაწყებული, და მოდულის მნიშვნელობები გაიზომა ძალის მრუდის თითოეულ საფეხურზე. Spin Cy და სხვ. მსგავსი მიდგომა გამოყენებული იქნა პოლი(ლაურილ მეტაკრილატის) (P12MA) პოლიმერული ჯაგრისების მოდულის გრადიენტის დასახასიათებლად კოლოიდური AFM ​​ზონდის ნანოინტენცირების გამოყენებით და ისინი შეესაბამება ჰერცის კონტაქტური მოდელის გამოყენებით გამოყენებულ მონაცემებს. ეს მიდგომა იძლევა ხილული კონტაქტის მოდულის (კპა) და ჩაღრმავების სიღრმის (ნმ) დიაგრამას, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზ 8-ში, რომელიც ასახავს ხილულ კონტაქტის მოდულს/სიღრმის გრადიენტს. CL lehfilcon A ნიმუშის გამოთვლილი ელასტიურობის მოდული ნიმუშის ზედა 100 ნმ-ში 2-3 კპა დიაპაზონშია, რომლის მიღმაც ის იწყებს ზრდას სიღრმის მატებასთან ერთად. მეორეს მხრივ, SiHy ფუძე სუბსტრატის ზედაპირზე ფუნჯის მსგავსი აპკის გარეშე ტესტირებისას, 300 pN ძალის გამოყენებით მიღწეული მაქსიმალური ჩაღრმავების სიღრმე 50 ნმ-ზე ნაკლებია, ხოლო მონაცემებიდან მიღებული მოდულის მნიშვნელობა დაახლოებით 400 კპა-ა, რაც შედარებადია იანგის მოდულის მნიშვნელობებთან მოცულობითი მასალებისთვის.
lehfilcon A CL და SiHy სუბსტრატებისთვის ხილული კონტაქტის მოდული (კპა) ინდენტაციის სიღრმის (ნმ) მიმართებაში, მოდულის გასაზომად კონუს-სფეროს გეომეტრიით AFM ნანოინდენტაციის მეთოდის გამოყენებით.
ახალი ბიომიმეტური განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის ზედა ზედაპირს ელასტიურობის უკიდურესად დაბალი მოდული (2–3 კპა) აქვს. ეს შეესაბამება STEM გამოსახულებაზე ნაჩვენები ორად გაყოფილი პოლიმერული ფუნჯის თავისუფალ ჩამოკიდებულ ბოლოს. მიუხედავად იმისა, რომ CL-ის გარეთა კიდეზე მოდულის გრადიენტის გარკვეული ნიშნებია, მთავარი მაღალი მოდულის სუბსტრატი უფრო გავლენიანია. თუმცა, ზედაპირის ზედა 100 ნმ განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის მთლიანი სიგრძის 20%-ის ფარგლებშია, ამიტომ გონივრულია ვივარაუდოთ, რომ ამ ჩაღრმავების სიღრმის დიაპაზონში მოდულის გაზომილი მნიშვნელობები შედარებით ზუსტია და დიდად არ არის დამოკიდებული ქვედა ობიექტის ეფექტზე.
ლეჰფილკონ A კონტაქტური ლინზების უნიკალური ბიომიმეტიკური დიზაინის გამო, რომლებიც შედგება SiHy სუბსტრატების ზედაპირზე დამყნობილი განშტოებული PMPC პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურებისგან, ძალიან რთულია მათი ზედაპირული სტრუქტურების მექანიკური თვისებების საიმედოდ დახასიათება ტრადიციული გაზომვის მეთოდების გამოყენებით. აქ წარმოგიდგენთ AFM ნანოინტენცირების მოწინავე მეთოდს ულტრარბილი მასალების, როგორიცაა ლეფილკონ A, ზუსტად დასახასიათებლად, მაღალი წყლის შემცველობით და უკიდურესად მაღალი ელასტიურობით. ეს მეთოდი ეფუძნება AFM ზონდის გამოყენებას, რომლის წვერის ზომა და გეომეტრია ფრთხილად არის შერჩეული, რათა შეესაბამებოდეს დასაბეჭდი ულტრარბილი ზედაპირის მახასიათებლების სტრუქტურულ ზომებს. ზონდსა და სტრუქტურას შორის ზომების ეს კომბინაცია უზრუნველყოფს გაზრდილ მგრძნობელობას, რაც საშუალებას გვაძლევს გავზომოთ განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის ელემენტების დაბალი მოდული და თანდაყოლილი ელასტიურობის თვისებები, ფოროელასტიური ეფექტების მიუხედავად. შედეგებმა აჩვენა, რომ ლინზის ზედაპირისთვის დამახასიათებელ უნიკალურ განშტოებულ PMPC პოლიმერულ ფუნჯებს ჰქონდათ უკიდურესად დაბალი ელასტიურობის მოდული (2 კპა-მდე) და ძალიან მაღალი ელასტიურობა (თითქმის 100%), როდესაც ისინი წყლიან გარემოში იქნა ტესტირებული. AFM ნანოინტენცირების შედეგებმა ასევე საშუალება მოგვცა დაგვეხასიათებინა ბიომიმეტური ლინზის ზედაპირის აშკარა კონტაქტის მოდული/სიღრმის გრადიენტი (30 კპა/200 ნმ). ეს გრადიენტი შეიძლება გამოწვეული იყოს განშტოებული პოლიმერული ფუნჯებისა და SiHy სუბსტრატის მოდულის სხვაობით, ან პოლიმერული ფუნჯების განშტოებული სტრუქტურით/სიმკვრივით, ან მათი კომბინაციით. თუმცა, სტრუქტურასა და თვისებებს შორის ურთიერთობის სრულად გასაგებად, განსაკუთრებით ფუნჯის განშტოების მექანიკურ თვისებებზე გავლენის შესახებ, საჭიროა შემდგომი სიღრმისეული კვლევები. მსგავსი გაზომვები ხელს შეუწყობს სხვა ულტრარბილი მასალებისა და სამედიცინო მოწყობილობების ზედაპირის მექანიკური თვისებების დახასიათებას.
მიმდინარე კვლევის დროს გენერირებული და/ან გაანალიზებული მონაცემთა ნაკრებები ხელმისაწვდომია შესაბამისი ავტორებისგან გონივრული მოთხოვნის შემთხვევაში.
რაჰმატი, მ., სილვა, ე.ა., რეზელანდი, ჯ.ე., ჰეივორდი, კ. და ჰაუგენი, ჰ.ჯ. ბიომასალების ზედაპირების ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებზე ბიოლოგიური რეაქციები. ქიმიური საზოგადოება. რედ. 49, 5178–5224 (2020).
ჩენი, ფ.მ. და ლიუ, შ. ქსოვილების ინჟინერიისთვის ადამიანის მიერ მიღებული ბიომასალების გაუმჯობესება. პროგრამირება. პოლიმერი. მეცნიერება. 53, 86 (2016).
სადტლერი, კ. და სხვ. ბიომასალების დიზაინი, კლინიკური დანერგვა და იმუნური პასუხი რეგენერაციულ მედიცინაში. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
ოლივერ ვ.კ. და ფარ გ.მ. სიმტკიცისა და ელასტიურობის მოდულის განსაზღვრის გაუმჯობესებული მეთოდი დატვირთვისა და გადაადგილების გაზომვებით ჩაღრმავების ექსპერიმენტების გამოყენებით. J. Alma mater. შენახვის ავზი. 7, 1564–1583 (2011).
უოლი, ს.მ. ჩაღრმავების სიმტკიცის ტესტირების ისტორიული წარმოშობა. ალმა მატერი. მეცნიერება. ტექნოლოგიები. 28, 1028–1044 (2012).
ბროიტმანი, ე. ჩაღრმავების სიმტკიცის გაზომვები მაკრო-, მიკრო- და ნანომასშტაბიან დიაპაზონში: კრიტიკული მიმოხილვა. ტრიბი. რაიტი. 65, 1–18 (2017).
კაუფმანი, ჯ.დ. და კლაპერიხი, ს.მ. ზედაპირის აღმოჩენის შეცდომები იწვევს მოდულის გადაჭარბებულ შეფასებას რბილი მასალების ნანოინტენცირებისას. ჯ. მეჩა. ქცევა. ბიოსამედიცინო მეცნიერება. ალმა მატერი. 2, 312–317 (2009).
ქარიმზადე ა., კოლორ სსრ, აიათოლახი მ.რ., ბუშროა ა.რ. და იაჰია მ.იუ. ჰეტეროგენული ნანოკომპოზიტების მექანიკური მახასიათებლების დასადგენად ნანოინტენცირების მეთოდის შეფასება ექსპერიმენტული და გამოთვლითი მეთოდების გამოყენებით. მეცნიერება. სახლი 9, 15763 (2019).
ლიუ, კ., ვანლენდინგემი, მ.რ. და ოვარტი, თ.ს. რბილი ვისკოელასტიური გელების მექანიკური დახასიათება ჩაღრმავებისა და ოპტიმიზაციაზე დაფუძნებული ინვერსიული სასრული ელემენტების ანალიზის გამოყენებით. ჯ. მეჩა. ქცევა. ბიოსამედიცინო მეცნიერება. ალმა მატერი. 2, 355–363 (2009).
ენდრიუს ჯ.ვ., ბოუენ ჯ. და შანელერ დ. ვისკოელასტიურობის განსაზღვრის ოპტიმიზაცია თავსებადი საზომი სისტემების გამოყენებით. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
ბრისკო, ბ.ჯ., ფიორი, ლ. და პელილო, ე. პოლიმერული ზედაპირების ნანოინტენცია. J. Physics. D. Apply for Physics. 31, 2395 (1998).
მიაილოვიჩი ა.ს., ცინ ბ., ფორტუნატო დ. და ვან ვლიტი კ.ჯ. მაღალელასტიური პოლიმერებისა და ბიოლოგიური ქსოვილების ვისკოელასტიური მექანიკური თვისებების დახასიათება დარტყმითი ჩაღრმავების გამოყენებით. ბიომასალების ჟურნალი. 71, 388–397 (2018).
პერეპელკინი ნ.ვ., კოვალევი ა.ე., გორბ ს.ნ., ბოროდიჩი ფ.მ. რბილი მასალების ელასტიურობის მოდულისა და ადჰეზიის სამუშაოს შეფასება გაფართოებული ბოროდიჩ-გალანოვის (BG) მეთოდისა და ღრმა ჩაღრმავების გამოყენებით. ბეწვი. ალმა მატერი. 129, 198–213 (2019).
ში, X. და სხვ. სილიკონ-ჰიდროგელის კონტაქტური ლინზების ბიომიმეტური პოლიმერული ზედაპირების ნანომასშტაბიანი მორფოლოგია და მექანიკური თვისებები. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).