Nature.com сайтына киргениңиз үчүн рахмат. Сиз CSS колдоосу чектелген браузер версиясын колдонуп жатасыз. Эң жакшы тажрыйба алуу үчүн, биз сизге жаңыртылган браузерди колдонууну сунуштайбыз (же Internet Explorerде Шайкештик режимин өчүрүңүз). Мындан тышкары, үзгүлтүксүз колдоону камсыз кылуу үчүн, биз сайтты стилдерсиз жана JavaScriptсиз көрсөтөбүз.
Бир эле учурда үч слайддын каруселин көрсөтөт. Бир убакта үч слайддын арасынан жылуу үчүн "Мурунку" жана "Кийинки" баскычтарын колдонуңуз же бир убакта үч слайддын арасынан жылуу үчүн аягындагы жылдыргыч баскычтарын колдонуңуз.
Медициналык шаймандар жана биомедициналык колдонмолор үчүн жаңы ультра жумшак материалдардын иштелип чыгышы менен, алардын физикалык жана механикалык касиеттерин комплекстүү мүнөздөө маанилүү жана татаал болуп саналат. Бутакталган полимер щетка структураларынын катмары менен капталган жаңы lehfilcon A биомиметикалык силикон гидрогел контакт линзасынын өтө төмөн беттик модулун мүнөздөө үчүн модификацияланган атомдук күч микроскопиясы (AFM) наноиндентация ыкмасы колдонулган. Бул ыкма бутакталган полимерлерге жакындаганда илешкектүү экструзиянын таасирисиз байланыш чекиттерин так аныктоого мүмкүндүк берет. Мындан тышкары, ал пороэластикалык таасирисиз жеке щетка элементтеринин механикалык мүнөздөмөлөрүн аныктоого мүмкүндүк берет. Буга жумшак материалдардын жана биологиялык үлгүлөрдүн касиеттерин өлчөө үчүн өзгөчө ылайыктуу конструкциясы (учунун өлчөмү, геометриясы жана пружинанын ылдамдыгы) бар AFM зондун тандоо аркылуу жетишилет. Бул ыкма беттик аянтында өтө төмөн ийкемдүүлүк модулуна (2 кПага чейин) жана ички (дээрлик 100%) суу чөйрөсүндө өтө жогорку ийкемдүүлүккө ээ болгон өтө жумшак lehfilcon A материалын так өлчөө үчүн сезгичтикти жана тактыкты жакшыртат. Беттик изилдөөнүн жыйынтыктары lehfilcon A линзасынын өтө жумшак беттик касиеттерин гана ачып бербестен, ошондой эле тармакталган полимер щеткаларынын модулу кремний-суутек субстратынын модулуна окшош экенин көрсөттү. Бул беттик мүнөздөмө ыкмасын башка өтө жумшак материалдарга жана медициналык шаймандарга колдонсо болот.
Тирүү ткандар менен түздөн-түз байланышуу үчүн иштелип чыккан материалдардын механикалык касиеттери көбүнчө биологиялык чөйрө менен аныкталат. Бул материалдык касиеттердин кемчиликсиз дал келиши материалдын каалаган клиникалык мүнөздөмөлөрүнө клеткалык терс реакцияларды жаратпастан жетүүгө жардам берет1,2,3. Көлөмдүү бир тектүү материалдар үчүн механикалык касиеттерди мүнөздөө стандарттуу процедуралардын жана сыноо ыкмаларынын (мисалы, микрочөкмөлөө4,5,6) болушунан улам салыштырмалуу оңой. Бирок, гельдер, гидрогельдер, биополимерлер, тирүү клеткалар ж.б. сыяктуу өтө жумшак материалдар үчүн бул сыноо ыкмалары өлчөө чечиминин чектөөлөрүнөн жана кээ бир материалдардын бир тектүү эместигинен улам жалпысынан колдонулбайт7. Жылдар бою салттуу чөкмөлөө ыкмалары жумшак материалдардын кеңири чөйрөсүн мүнөздөө үчүн өзгөртүлүп жана ылайыкташтырылган, бирок көптөгөн ыкмалар дагы эле аларды колдонууну чектеген олуттуу кемчиликтерден жапа чегип келет8,9,10,11,12,13. Өтө жумшак материалдардын жана беттик катмарлардын механикалык касиеттерин так жана ишенимдүү мүнөздөй алган адистештирилген сыноо ыкмаларынын жоктугу аларды ар кандай колдонмолордо колдонууну кескин чектейт.
Мурунку ишибизде биз көздүн чел кабыгынын бетинен шыктанган потенциалдуу биомиметикалык дизайндардан алынган бардык ультра жумшак беттик касиеттерге ээ жумшак гетерогендик материал болгон lehfilcon A (CL) контакт линзасын сунуштаганбыз. Бул биоматериал медициналык аппараттар үчүн иштелип чыккан силикон гидрогелине (SiHy) 15 поли(2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолин (MPC)) (PMPC) бутактанган, кайчылаш байланышкан полимер катмарын кыйыштыруу жолу менен иштелип чыккан. Бул кыйыштыруу процесси бетинде өтө жумшак жана жогорку ийкемдүү бутактанган полимердик щетка түзүлүшүнөн турган катмарды түзөт. Мурунку ишибиз lehfilcon A CL биомиметикалык түзүлүшү нымдуулукту жана кирдөөнү алдын алууну жакшыртуу, майлоочулугун жогорулатуу жана клеткалардын жана бактериялардын адгезиясын азайтуу сыяктуу жогорку беттик касиеттерди камсыз кылаарын тастыктады15,16. Мындан тышкары, бул биомиметикалык материалды колдонуу жана иштеп чыгуу башка биомедициналык аппараттарга дагы кеңейтүүнү да көрсөтүп турат. Ошондуктан, келечектеги иштеп чыгууларды жана колдонмолорду колдоо үчүн комплекстүү билим базасын түзүү максатында, бул өтө жумшак материалдын беттик касиеттерин мүнөздөө жана анын көз менен механикалык өз ара аракеттенүүсүн түшүнүү абдан маанилүү. Коммерциялык жактан жеткиликтүү SiHy контакт линзаларынын көпчүлүгү бирдиктүү материалдык түзүлүштү түзгөн гидрофилдик жана гидрофобдук полимерлердин бир тектүү аралашмасынан турат17. Алардын механикалык касиеттерин салттуу кысуу, чоюлуу жана микроиндентация сыноо ыкмаларын колдонуу менен изилдөө үчүн бир нече изилдөөлөр жүргүзүлдү18,19,20,21. Бирок, lehfilcon A CLдин жаңы биомиметикалык дизайны аны бутактуу полимер щетка структураларынын механикалык касиеттери SiHy негиздик субстратынын механикалык касиеттеринен олуттуу айырмаланган уникалдуу гетерогендик материалга айлантат. Ошондуктан, бул касиеттерди салттуу жана индентация ыкмаларын колдонуу менен так сандык баалоо өтө кыйын. Келечектүү ыкма атомдук күч микроскопиясында (AFM) ишке ашырылган наноиндентация сыноо ыкмасын колдонот, бул ыкма биологиялык клеткалар жана ткандар сыяктуу жумшак вискоэластикалык материалдардын, ошондой эле жумшак полимерлердин механикалык касиеттерин аныктоо үчүн колдонулган22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. AFM наноинденциясында наноинденцияны текшерүүнүн негиздери AFM технологиясындагы эң акыркы жетишкендиктер менен айкалышып, өлчөө сезгичтигин жогорулатат жана табиятынан өтө жумшак материалдардын кеңири түрүн сыноону камсыз кылат31,32,33,34,35,36. Мындан тышкары, технология ар кандай геометрияларды, мисалы, индентерди жана зонддорду колдонуу жана ар кандай суюк чөйрөлөрдө сыноо мүмкүнчүлүгү аркылуу башка маанилүү артыкчылыктарды сунуштайт.
AFM наноиндештирүүсүн шарттуу түрдө үч негизги компонентке бөлүүгө болот: (1) жабдуулар (сенсорлор, детекторлор, зонддор ж.б.); (2) өлчөө параметрлери (күч, жылышуу, ылдамдык, пандус өлчөмү ж.б.); (3) Маалыматтарды иштетүү (баштапкы коррекция, тийүү чекитин баалоо, маалыматтарды тууралоо, моделдөө ж.б.). Бул ыкманын олуттуу көйгөйү, адабияттагы AFM наноиндештирүүсүн колдонгон бир нече изилдөөлөр бирдей үлгү/клетка/материал түрү үчүн абдан ар башка сандык натыйжаларды берет37,38,39,40,41. Мисалы, Лекка ж.б. Механикалык жактан бир тектүү гидрогель жана гетерогендик клеткалардын үлгүлөрүнүн өлчөнгөн Янг модулуна AFM зонд геометриясынын таасири изилденип, салыштырылган. Алар модулдук маанилер консоль тандоосуна жана учтун формасына абдан көз каранды экенин, пирамида формасындагы зонд үчүн эң жогорку маани жана сфералык зонд үчүн эң төмөнкү маани 42 экенин билдиришет. Ошо сыяктуу эле, Селхубер-Ункель ж.б. Полиакриламид (PAAM) үлгүлөрүнүн индентердин ылдамдыгы, индентердин өлчөмү жана калыңдыгы ACM43 наноинденциясы менен өлчөнгөн Янг модулуна кандай таасир этери көрсөтүлгөн. Дагы бир татаалдаштыруучу фактор - бул өтө төмөн модулдук стандарттуу сыноо материалдарынын жана акысыз сыноо процедураларынын жоктугу. Бул ишенимдүү түрдө так натыйжаларды алууну абдан кыйындатат. Бирок, бул ыкма салыштырмалуу өлчөөлөр жана окшош үлгү түрлөрүнүн ортосундагы салыштырмалуу баалоо үчүн абдан пайдалуу, мисалы, кадимки клеткаларды рак клеткаларынан айырмалоо үчүн AFM наноинденциясын колдонуу 44, 45.
Жумшак материалдарды AFM наноинденциясы менен сыноодо, жалпы эреже боюнча, үлгү модулуна жакын дал келген төмөн пружина туруктуусу (k) жана жарым шар/тегерек учу бар зондду колдонуу керек, ошондо биринчи зонд жумшак материалдар менен биринчи жолу тийгенде үлгүнүн беттерин тешип кетпейт. Ошондой эле, зонд тарабынан түзүлгөн бурулуш сигналы лазердик детектор системасы тарабынан аныктала тургандай күчтүү болушу маанилүү24,34,46,47. Өтө жумшак гетерогендүү клеткалар, ткандар жана гельдер учурунда, дагы бир кыйынчылык - кайталануучу жана ишенимдүү өлчөөлөрдү камсыз кылуу үчүн зонд менен үлгүнүн бетинин ортосундагы жабышчаак күчтү жеңүү48,49,50. Жакынкы убакка чейин AFM наноинденциясы боюнча иштердин көпчүлүгү салыштырмалуу чоң сфералык зонддорду, адатта коллоиддик зонддорду (CPs) колдонуу менен биологиялык клеткалардын, ткандардын, гелдердин, гидрогелдердин жана биомолекулалардын механикалык жүрүм-турумун изилдөөгө багытталган. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Бул учтардын радиусу 1ден 50 мкмге чейин жана көбүнчө боросиликат айнегинен, полиметилметакрилаттан (PMMA), полистиролдон (PS), кремний диоксидинен (SiO2) жана алмаз сымал көмүртектен (DLC) жасалат. CP-AFM наноинденциясы көбүнчө жумшак үлгүнү мүнөздөө үчүн биринчи тандоо болгону менен, анын өзүнүн көйгөйлөрү жана чектөөлөрү бар. Чоң, микрон өлчөмүндөгү сфералык учтарды колдонуу учтун үлгү менен жалпы байланыш аянтын көбөйтөт жана мейкиндик чечилишинин олуттуу жоголушуна алып келет. Жергиликтүү элементтердин механикалык касиеттери кеңири аймактагы орточо көрсөткүчтөн бир топ айырмаланышы мүмкүн болгон жумшак, бир тектүү эмес үлгүлөр үчүн CP идентификатору жергиликтүү масштабдагы касиеттердеги ар кандай бир тектүү эместикти жашыра алат52. Коллоиддик зонддор, адатта, микрон өлчөмүндөгү коллоиддик сфераларды эпоксиддик желимдерди колдонуп учсуз консольдорго бекитүү аркылуу жасалат. Өндүрүш процессинин өзү көптөгөн көйгөйлөргө толгон жана зондду калибрлөө процессинде карама-каршылыктарга алып келиши мүмкүн. Мындан тышкары, коллоиддик бөлүкчөлөрдүн өлчөмү жана массасы консолдун негизги калибрлөө параметрлерине, мисалы, резонанстык жыштыкка, пружина катуулугуна жана деформация сезгичтигине түздөн-түз таасир этет56,57,58. Ошентип, кадимки AFM зонддору үчүн кеңири колдонулган ыкмалар, мисалы, температураны калибрлөө, CP үчүн так калибрлөөнү камсыз кылбашы мүмкүн жана бул оңдоолорду жүргүзүү үчүн башка ыкмалар талап кылынышы мүмкүн57, 59, 60, 61. Типтүү CP чегүү эксперименттеринде жумшак үлгүлөрдүн касиеттерин изилдөө үчүн чоң четтөөлөр консолун колдонот, бул салыштырмалуу чоң четтөөлөрдө консолдун сызыктуу эмес жүрүм-турумун калибрлөөдө дагы бир көйгөй жаратат62,63,64. Заманбап коллоиддик зондду чегүү ыкмалары, адатта, зондду калибрлөө үчүн колдонулган консолдун геометриясын эске алат, бирок коллоиддик бөлүкчөлөрдүн таасирин этибарга албайт, бул ыкманын тактыгында кошумча белгисиздикти жаратат38,61. Ошо сыяктуу эле, контакттык моделди орнотуу менен эсептелген серпилгичтик модулдары оюк зондун геометриясына түздөн-түз көз каранды, ал эми уч менен үлгүнүн бетинин мүнөздөмөлөрүнүн ортосундагы дал келбестик так эместиктерге алып келиши мүмкүн27, 65, 66, 67, 68. Спенсер ж.б. тарабынан жасалган акыркы эмгектер. CP-AFM наноинденция ыкмасын колдонуп, жумшак полимер щеткаларын мүнөздөөдө эске алынышы керек болгон факторлор баса белгиленет. Алар полимер щеткаларында ылдамдыктын функциясы катары илешкек суюктуктун кармалышы баштын жүктөмүнүн көбөйүшүнө жана демек, ылдамдыкка көз каранды касиеттердин ар кандай өлчөөлөрүнө алып келерин билдиришкен30,69,70,71.
Бул изилдөөдө биз ультра жумшак, жогорку ийкемдүү lehfilcon A CL материалынын беттик модулун модификацияланган AFM наноинденция ыкмасын колдонуу менен мүнөздөдүк. Бул материалдын касиеттерин жана жаңы түзүлүшүн эске алганда, салттуу чөктүрүү ыкмасынын сезгичтик диапазону бул өтө жумшак материалдын модулун мүнөздөө үчүн жетишсиз экени айдан ачык, андыктан жогорку сезгичтикке жана төмөнкү сезгичтикке ээ AFM наноинденция ыкмасын колдонуу зарыл. Коллоиддик AFM зондунун наноинденция ыкмаларынын кемчиликтерин жана көйгөйлөрүн карап чыккандан кийин, биз эмне үчүн сезгичтикти, фондук ызы-чууну, так байланыш чекитин, суюктукту кармап турууга көз карандылык сыяктуу жумшак гетерогендик материалдардын ылдамдык модулун өлчөө жана так сандык баалоону жок кылуу үчүн кичирээк, атайын иштелип чыккан AFM зондду тандап алганыбызды көрсөтөбүз. Мындан тышкары, биз чөктүрүү учунун формасын жана өлчөмдөрүн так өлчөй алдык, бул бизге учтун материал менен байланыш аянтын баалабастан ийкемдүүлүк модулун аныктоо үчүн конус-сфералык тууралоо моделин колдонууга мүмкүндүк берди. Бул иште сандык жактан аныкталган эки кыйыр божомол - бул толук ийкемдүү материалдын касиеттери жана чөктүрүү тереңдигинен көз карандысыз модуль. Бул ыкманы колдонуу менен, биз алгач ыкманы сандык жактан аныктоо үчүн белгилүү модулу бар ультра жумшак стандарттарды сынап көрдүк, андан кийин бул ыкманы эки башка контакт линза материалынын беттерин мүнөздөө үчүн колдондук. Сезгичтиги жогорулаган AFM наноинденция беттерин мүнөздөөчү бул ыкма медициналык шаймандарда жана биомедициналык колдонмолордо колдонулушу мүмкүн болгон биомиметикалык гетерогендик ультра жумшак материалдардын кеңири чөйрөсүнө колдонулат деп күтүлүүдө.
Наноинденция эксперименттери үчүн Lehfilcon A контакт линзалары (Alcon, Форт-Уэрт, Техас, АКШ) жана алардын силикон гидрогелдик субстраттары тандалып алынган. Экспериментте атайын иштелип чыккан линза бекиткичи колдонулган. Сыноо үчүн линзаны орнотуу үчүн, ал аба көбүкчөлөрүнүн кирбегендигин текшерип, күмбөз формасындагы стендге кылдаттык менен коюлган, андан кийин четтери менен бекитилген. Линза кармагычтын үстүнкү жагындагы бекиткичтеги тешик суюктукту ордунда кармап турганда наноинденция эксперименттери үчүн линзанын оптикалык борборуна жетүүнү камсыз кылат. Бул линзаларды толук нымдандырат. Сыноо эритмеси катары 500 мкл контакт линзаларын таңгактоочу эритме колдонулган. Сандык жыйынтыктарды текшерүү үчүн, коммерциялык жактан жеткиликтүү болгон активдештирилбеген полиакриламид (PAAM) гидрогелдери полиакриламид-ко-метилен-бисакриламиддик курамдан (100 мм Petrisoft Petri dishes, Matrigen, Irvine, CA, АКШ), белгилүү 1 кПа ийкемдүүлүк модулунан даярдалган. AFM гидрогель-зонд интерфейсине 4-5 тамчы (болжол менен 125 мкл) фосфат буферленген туздуу эритмесин (Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, АКШдан алынган PBS) жана 1 тамчы OPTI-FREE Puremoist контакт линза эритмесин (Alcon, Vaud, TX, АКШ) колдонуңуз.
Lehfilcon A CL жана SiHy субстраттарынын үлгүлөрү сканерлөөчү трансмиссиялык электрондук микроскоп (STEM) детектору менен жабдылган FEI Quanta 250 талаа эмиссиясын сканерлөөчү электрондук микроскоп (FEG SEM) системасы аркылуу көрсөтүлдү. Үлгүлөрдү даярдоо үчүн линзалар алгач суу менен жуулуп, пирог сымал кесимдерге кесилген. Үлгүлөрдүн гидрофилдик жана гидрофобдук компоненттеринин ортосундагы дифференциалдык контрастка жетүү үчүн, боёк катары 0,10% турукташтырылган RuO4 эритмеси колдонулган, ага үлгүлөр 30 мүнөт чөмүлдүрүлгөн. Lehfilcon A CL RuO4 боёгу дифференциалдык контрастты жакшыртуу үчүн гана эмес, ошондой эле тармакталган полимер щеткаларынын түзүлүшүн баштапкы түрүндө сактоого жардам берет, алар андан кийин STEM сүрөттөрүндө көрүнөт. Андан кийин алар этанолдун концентрациясынын жогорулашы менен бир катар этанол/суу аралашмаларында жуулуп, кургатылган. Андан кийин үлгүлөр 70°C температурада түнү бою катып калган EMBed 812/Araldite эпоксиди менен куюлган. Чайыр полимерлөө жолу менен алынган үлгү блоктору ультрамикротом менен кесилген, ал эми алынган жука кесилиштер STEM детектору менен 30 кВ ылдамдаткыч чыңалууда төмөн вакуумдук режимде визуалдаштырылган. PFQNM-LC-A-CAL AFM зондун (Bruker Nano, Санта-Барбара, Калифорния, АКШ) деталдуу мүнөздөө үчүн ошол эле SEM системасы колдонулган. AFM зондунун SEM сүрөттөрү 30 кВ ылдамдаткыч чыңалуу менен типтүү жогорку вакуумдук режимде алынган. AFM зондун учунун формасынын жана өлчөмүнүн бардык деталдарын жазуу үчүн ар кандай бурчтарда жана чоңойтууларда сүрөттөрдү алыңыз. Сүрөттөгү кызыктырган учтун бардык өлчөмдөрү санариптик түрдө өлчөнгөн.
Лехфилкон А CL, SiHy субстраты жана PAAm гидрогелинин үлгүлөрүн визуалдаштыруу жана наноиндентациялоо үчүн Dimension FastScan Bio Icon атомдук күч микроскобу (Bruker Nano, Санта-Барбара, Калифорния, АКШ) “PeakForce QNM in Fluid” режиминде колдонулган. Сүрөткө тартуу эксперименттери үчүн үлгүнүн жогорку чечилиштеги сүрөттөрүн 0,50 Гц сканерлөө жыштыгында тартуу үчүн номиналдык уч радиусу 1 нм болгон PEAKFORCE-HIRS-FA зонду (Bruker) колдонулган. Бардык сүрөттөр суу эритмесинде тартылган.
AFM наноинденция эксперименттери PFQNM-LC-A-CAL зондун (Bruker) колдонуу менен жүргүзүлдү. AFM зондунда калыңдыгы 345 нм, узундугу 54 мкм жана туурасы 4,5 мкм, резонанстык жыштыгы 45 кГц болгон нитриддик кантилеверде кремний учу бар. Ал жумшак биологиялык үлгүлөрдө сандык наномеханикалык өлчөөлөрдү мүнөздөө жана жүргүзүү үчүн атайын иштелип чыккан. Сенсорлор заводдо алдын ала калибрленген пружина жөндөөлөрү менен өзүнчө калибрленет. Бул изилдөөдө колдонулган зонддордун пружина константалары 0,05–0,1 Н/м диапазонунда болгон. Учтун формасын жана өлчөмүн так аныктоо үчүн зонд SEMди колдонуу менен деталдуу мүнөздөлгөн. 1а-сүрөттө PFQNM-LC-A-CAL зондунун жогорку чечилиштеги, төмөнкү чоңойтулган сканерлөөчү электрондук микрографиясы көрсөтүлгөн, ал зонддун дизайнынын комплекстүү көрүнүшүн берет. 1б-сүрөттө зонддун учунун үстүнкү бөлүгүнүн чоңойтулган көрүнүшү көрсөтүлгөн, ал учтун формасы жана өлчөмү жөнүндө маалымат берет. Эң четинде ийне диаметри болжол менен 140 нм болгон жарым шар болуп саналат (1c-сүрөт). Андан төмөн жагында учу конус формасында ичкерип, болжол менен 500 нм өлчөнгөн узундукка жетет. Ичкерүү аймагынын сыртында учу цилиндр формасында жана жалпы учунун узундугу 1,18 мкм менен аяктайт. Бул зонддун учунун негизги функционалдык бөлүгү. Мындан тышкары, коллоиддик зонд катары сыноо үчүн учунун диаметри 45 мкм жана пружина константасы 2 Н/м болгон чоң тоголок полистирол (PS) зонд (Novascan Technologies, Inc., Бун, Айова, АКШ) да колдонулган. Салыштыруу үчүн PFQNM-LC-A-CAL 140 нм зонд колдонулган.
Наноиндештирүү учурунда AFM зонду менен полимер щеткасынын структурасынын ортосунда суюктук кармалып калышы мүмкүн экени кабарланган, бул AFM зонду бетине тийгенге чейин ага өйдө карай күч берет69. Суюктукту кармап калуудан улам пайда болгон бул илешкектүү экструзия эффектиси тийүүнүн көрүнгөн чекитин өзгөртүп, ошону менен беттик модулдун өлчөөлөрүнө таасир этиши мүмкүн. Зонддун геометриясынын жана ийилүү ылдамдыгынын суюктукту кармап калууга тийгизген таасирин изилдөө үчүн, 1 мкм/с жана 2 мкм/с туруктуу жылышуу ылдамдыгында 140 нм диаметрдеги зондду колдонуу менен lehfilcon A CL үлгүлөрү үчүн ийилүү күчүнүн ийри сызыктары тартылган. Зонддун диаметри 45 мкм, 1 мкм/с ылдамдыгында 6 нН туруктуу күч жөндөөсүнө жетишилген. Диаметри 140 нм болгон зонд менен эксперименттер 1 мкм/с ийилүү ылдамдыгында жана 300 пН белгиленген күч менен жүргүзүлдү, бул жогорку кабактын физиологиялык диапазонунда (1–8 кПа) байланыш басымын түзүү үчүн тандалып алынган. басым 72. 1 кПа басымдагы PAA гидрогелинин жумшак даяр үлгүлөрү диаметри 140 нм болгон зондду колдонуу менен 1 мкм/с ылдамдыкта 50 пН чөгүү күчү боюнча сыналган.
PFQNM-LC-A-CAL зондунун учунун конус сымал бөлүгүнүн узундугу болжол менен 500 нм болгондуктан, оюк тереңдиги < 500 нм үчүн оюк учурунда зонддун геометриясы конустун формасына туура келет деп ишенимдүү түрдө болжолдоого болот. Мындан тышкары, сыналып жаткан материалдын бети кайтарымдуу серпилгичтик реакциясын көрсөтөт деп болжолдонууда, бул төмөнкү бөлүмдөрдө да тастыкталат. Ошондуктан, учтун формасына жана өлчөмүнө жараша, биз AFM наноинденция эксперименттерибизди (NanoScope) иштетүү үчүн Бриско, Себастьян жана Адамс тарабынан иштелип чыккан, сатуучунун программалык камсыздоосунда жеткиликтүү болгон конус-сфералык фитинг моделин тандап алдык. Бөлүү маалыматтарын талдоо программасы, Bruker) 73. Модель сфералык чокусундагы кемчилиги бар конус үчүн күч-жылышуу байланышын F(δ) сүрөттөйт. Сүрөттө көрсөтүлгөн. 2-сүрөттө катуу конустун сфералык учу менен өз ара аракеттенүүсүндөгү контакт геометриясы көрсөтүлгөн, мында R - сфералык учтун радиусу, a - контакт радиусу, b - сфералык учтун учундагы контакт радиусу, δ - контакт радиусу. Оюлуу тереңдиги, θ - конустун жарым бурчу. Бул зонддун SEM сүрөтү диаметри 140 нм болгон сфералык уч конуска тангенциалдык түрдө биригип кетерин ачык көрсөтүп турат, ошондуктан бул жерде b R аркылуу гана аныкталат, б.а. b = R cos θ. Жеткирүүчү тарабынан берилген программалык камсыздоо a > b деп эсептеп, күчтөрдү бөлүү маалыматтарынан Янгдын модулунун (E) маанилерин эсептөө үчүн конус-сфера байланышын камсыз кылат. Байланыш:
мында F – ийилүү күчү, E – Юнг модулу, ν – Пуассондун катышы. Байланыш радиусу a төмөнкү ыкма менен бааланат:
Бутактанган полимер щеткаларынын беттик катмары бар Lefilcon контакт линзасынын материалына басылган тоголок учтуу катуу конустун контакт геометриясынын схемасы.
Эгерде a ≤ b болсо, анда катыш кадимки сфералык индентер үчүн теңдемеден келип чыгат;
Биз оюк зонддун PMPC полимер щеткасынын тармакталган түзүлүшү менен өз ара аракеттенүүсү а байланыш радиусунун сфералык байланыш радиусунан b чоң болушуна алып келет деп эсептейбиз. Ошондуктан, бул изилдөөдө жүргүзүлгөн серпилгичтик модулунун бардык сандык өлчөөлөрү үчүн биз а > b учуру үчүн алынган көз карандылыкты колдондук.
Бул изилдөөдө изилденген ультра жумшак биомиметикалык материалдар үлгүнүн кесилишинин сканерлөөчү өткөрүүчү электрондук микроскопиясы (STEM) жана беттин атомдук күч микроскопиясы (AFM) аркылуу комплекстүү түрдө сүрөткө тартылган. Бул деталдуу беттик мүнөздөмө мурда жарыяланган ишибиздин уландысы катары жүргүзүлдү, анда биз PMPC менен модификацияланган lehfilcon A CL бетинин динамикалык түрдө бутактуу полимердик щетка түзүлүшү көздүн тубаса кабыгынын тканына окшош механикалык касиеттерди көрсөтөөрүн аныктадык 14. Ушул себептен улам, биз контакт линзаларынын беттерин биомиметикалык материалдар деп атайбыз 14. 3a, b сүрөттөрүндө lehfilcon A CL субстратынын жана иштетилбеген SiHy субстратынын бетиндеги бутактуу PMPC полимердик щетка түзүлүштөрүнүн кесилиши көрсөтүлгөн. Эки үлгүнүн тең беттери жогорку чечилиштеги AFM сүрөттөрүн колдонуу менен андан ары талданды, бул STEM анализинин жыйынтыктарын дагы бир жолу тастыктады (3c, d сүрөттөр). Бул сүрөттөр чогуу алганда 300–400 нмдеги PMPC бутактанган полимер щетка структурасынын болжолдуу узундугун берет, бул AFM наноиндентация өлчөөлөрүн чечмелөө үчүн абдан маанилүү. Сүрөттөрдөн алынган дагы бир маанилүү байкоо, CL биомиметикалык материалынын жалпы беттик түзүлүшү SiHy субстрат материалынын морфологиялык жактан айырмаланат. Алардын беттик морфологиясындагы бул айырмачылык алардын ийинге кирген AFM зонду менен механикалык өз ара аракеттенүүсү учурунда жана андан кийин өлчөнгөн модулдук маанилерде айкын болушу мүмкүн.
(a) lehfilcon A CL жана (b) SiHy субстратынын кесилиш STEM сүрөттөрү. Масштаб тилкеси, 500 нм. lehfilcon A CL субстратынын (c) жана негизги SiHy субстратынын (d) бетинин AFM сүрөттөрү (3 мкм × 3 мкм).
Биологиялык жактан шыктандырылган полимерлер жана полимер щеткаларынын структуралары табигый түрдө жумшак жана ар кандай биомедициналык колдонмолордо кеңири изилденип, колдонулган74,75,76,77. Ошондуктан, алардын механикалык касиеттерин так жана ишенимдүү өлчөй турган AFM наноиндентация ыкмасын колдонуу маанилүү. Бирок ошол эле учурда, бул өтө жумшак материалдардын өзгөчө касиеттери, мисалы, өтө төмөн серпилгичтик модулу, жогорку суюктук курамы жана жогорку серпилгичтик, көп учурда ичке зонддун туура материалын, формасын жана формасын тандоону кыйындатат. Бул ичке зонддун өлчөмүн тешип өтпөшү үчүн маанилүү, бул ичке сызык үлгүнүн жумшак бетин тешип өтпөшү үчүн маанилүү, бул бет менен байланыш чекитин жана байланыш аянтын аныктоодо каталарга алып келет.
Бул үчүн өтө жумшак биомиметикалык материалдардын (lehfilcon A CL) морфологиясын ар тараптуу түшүнүү абдан маанилүү. Сүрөткө тартуу ыкмасын колдонуу менен алынган тармакталган полимер щеткаларынын өлчөмү жана түзүлүшү жөнүндөгү маалымат AFM наноиндентация ыкмаларын колдонуу менен беттин механикалык мүнөздөмөсүн түзүү үчүн негиз болуп саналат. Микрон өлчөмүндөгү сфералык коллоиддик зонддордун ордуна, биз биологиялык үлгүлөрдүн механикалык касиеттерин сандык картага түшүрүү үчүн атайын иштелип чыккан, учунун диаметри 140 нм болгон PFQNM-LC-A-CAL кремний нитриддик зондун (Bruker) тандап алдык 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 Кадимки коллоиддик зонддорго салыштырмалуу салыштырмалуу курч зонддорду колдонуунун негиздемесин материалдын структуралык өзгөчөлүктөрү менен түшүндүрсө болот. Зонддун учунун өлчөмүн (~140 нм) 3a-сүрөттө көрсөтүлгөн CL lehfilcon A бетиндеги бутактуу полимер щеткалары менен салыштырып, учу бул щетка структуралары менен түз байланышта болууга жетиштүү чоң деген тыянак чыгарууга болот, бул учтун аларды тешип өтүү мүмкүнчүлүгүн азайтат. Бул ойду көрсөтүү үчүн, 4-сүрөттө lehfilcon A CL жана AFM зондун ичкери карай учунун STEM сүрөтү келтирилген (масштаб боюнча тартылган).
Лефилкон А CL жана ACM чегүү зондун STEM сүрөтүн көрсөткөн схема (масштаб боюнча тартылган).
Мындан тышкары, 140 нм учтун өлчөмү CP-AFM наноиндештирүү ыкмасы менен өндүрүлгөн полимер щеткалары үчүн мурда кабарланган жабышкак экструзиянын кандайдыр бир таасиринин коркунучун болтурбоо үчүн жетиштүү кичинекей69,71. Биз бул AFM учунун атайын конус-сфералык формасына жана салыштырмалуу кичинекей өлчөмүнө байланыштуу (1-сүрөт), lehfilcon A CL наноиндештирүүсү тарабынан пайда болгон күч ийри сызыгынын мүнөзү ийинүү ылдамдыгынан же жүктөө/түшүрүү ылдамдыгынан көз каранды болбойт деп болжолдойбуз. Ошондуктан, ага пороэластикалык таасирлер таасир этпейт. Бул гипотезаны текшерүү үчүн, lehfilcon A CL үлгүлөрү PFQNM-LC-A-CAL зондун колдонуу менен белгиленген максималдуу күч менен, бирок эки башка ылдамдыкта ийинделген жана натыйжада пайда болгон созуу жана артка тартуу күч ийри сызыктары бөлүүдөгү күчтү (nN) (µm) графигин түзүү үчүн колдонулган, бул 5a-сүрөттө көрсөтүлгөн. Жүктөө жана түшүрүү учурундагы күч ийри сызыктары толугу менен дал келери айдан ачык жана сүрөттө нөлдүк тереңдиктеги күч жылышуусунун ичкери кирүү ылдамдыгы менен жогорулаганы жөнүндө эч кандай так далил жок, бул жеке щетка элементтери пороэластикалык эффектсиз мүнөздөлгөнүн көрсөтүп турат. Ал эми, суюктукту кармоо эффекттери (илгичтик экструзиясы жана пороэластикалык эффекттер) диаметри 45 мкм болгон AFM зонд үчүн бирдей ичкерүү ылдамдыгында айкын көрүнүп турат жана 5b-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, созуу жана тартылуу ийри сызыктарынын ортосундагы гистерезис менен баса белгиленет. Бул жыйынтыктар гипотезаны колдойт жана 140 нм диаметрдеги зонддор мындай жумшак беттерди мүнөздөө үчүн жакшы тандоо экенин көрсөтүп турат.
lehfilcon ACM колдонуу менен CLдин оюк күчүнүн ийри сызыктары; (а) эки жүктөө ылдамдыгында диаметри 140 нм болгон зондду колдонуу, беттик оюк учурунда пороэластикалык эффекттин жоктугун көрсөтүү; (б) диаметри 45 мкм жана 140 нм с болгон зонддорду колдонуу. Кичинекей зонддорго салыштырмалуу чоң зонддор үчүн илешкектүү экструзиянын жана пороэластикалыктын таасирин көрсөтөт.
Өтө жумшак беттерди мүнөздөө үчүн, AFM наноинденция ыкмалары изилденип жаткан материалдын касиеттерин изилдөө үчүн эң жакшы зондго ээ болушу керек. Учунун формасынан жана өлчөмүнөн тышкары, AFM детектор системасынын сезгичтиги, сыноо чөйрөсүндө учтун деформациясына сезгичтиги жана консоль катуулугу наноинденция өлчөөлөрүнүн тактыгын жана ишенимдүүлүгүн аныктоодо маанилүү ролду ойнойт. Биздин AFM системабыз үчүн Позицияга Сезгич Детектордун (PSD) аныктоо чеги болжол менен 0,5 мВ түзөт жана алдын ала калибрленген пружина ылдамдыгына жана PFQNM-LC-A-CAL зондун эсептелген суюктуктун деформациясына сезгичтигине негизделген, бул теориялык жүктөмдүн сезгичтигине туура келет. 0,1 пНден аз. Ошондуктан, бул ыкма перифериялык ызы-чуу компоненти жок минималдуу ийинүү күчүн ≤ 0,1 пН өлчөөгө мүмкүндүк берет. Бирок, механикалык титирөө жана суюктук динамикасы сыяктуу факторлордон улам AFM системасынын перифериялык ызы-чууну ушул деңгээлге чейин төмөндөтүшү дээрлик мүмкүн эмес. Бул факторлор AFM наноинденция ыкмасынын жалпы сезгичтигин чектейт жана ошондой эле болжол менен ≤ 10 pN фон ызы-чуусуна алып келет. Беттик мүнөздөмө үчүн, lehfilcon A CL жана SiHy субстрат үлгүлөрү SEM мүнөздөмөсү үчүн 140 нм зондду колдонуу менен толук гидратталган шарттарда оюкталган жана натыйжада пайда болгон күч ийри сызыктары күч (pN) менен басымдын ортосунда жайгаштырылган. Бөлүү графиги (µm) 6a-сүрөттө көрсөтүлгөн. SiHy базалык субстраты менен салыштырганда, lehfilcon A CL күч ийри сызыгы айры полимер щеткасы менен байланыш чекитинен башталып, учтун астыңкы материал менен жантайыңкы белгисинин байланышынын кескин өзгөрүшү менен аяктаган өткөөл фазаны ачык көрсөтөт. Күч ийри сызыгынын бул өткөөл бөлүгү беттеги тармакталган полимер щеткасынын чыныгы ийкемдүү жүрүм-турумун баса белгилейт, муну чыңалуу ийри сызыгынан кийинки кысуу ийри сызыгы жана щетканын түзүлүшү менен көлөмдүү SiHy материалынын ортосундагы механикалык касиеттердеги контраст далилдейт. Лефилконду салыштырганда. PCSтин STEM сүрөтүндөгү бутактанган полимер щеткасынын орточо узундугун (3a-сүрөт) жана анын абцисса боюнча күч ийри сызыгын 3a. 6a-сүрөттөгү абцисса боюнча бөлүү ыкманын учун жана бутактанган полимердин беттин эң жогорку бөлүгүнө жеткенин аныктоого жөндөмдүү экенин көрсөтүп турат. Щетка структураларынын ортосундагы байланыш. Мындан тышкары, күч ийри сызыктарынын тыгыз дал келиши суюктукту кармоо эффектисинин жоктугун көрсөтөт. Бул учурда, ийне менен үлгүнүн бетинин ортосунда эч кандай адгезия жок. Эки үлгүнүн күч ийри сызыктарынын эң жогорку бөлүктөрү дал келет, бул субстрат материалдарынын механикалык касиеттеринин окшоштугун чагылдырат.
(а) Лехфилкон А CL субстраттары жана SiHy субстраттары үчүн AFM наноиндештирүү күч ийри сызыктары, (б) фондук ызы-чуунун босого ыкмасын колдонуу менен байланыш чекитин баалоону көрсөткөн күч ийри сызыктары.
Күч ийри сызыгынын майда-чүйдөсүнө чейин изилдөө үчүн, lehfilcon A CL үлгүсүнүн чыңалуу ийри сызыгы 6b-сүрөттө у огу боюнча максималдуу күчү 50 pN менен кайрадан көрсөтүлгөн. Бул график баштапкы фондук ызы-чуу жөнүндө маанилүү маалымат берет. Ызы-чуу ±10 pN диапазонунда, ал байланыш чекитин так аныктоо жана оюк тереңдигин эсептөө үчүн колдонулат. Адабиятта айтылгандай, байланыш чекиттерин аныктоо модуль сыяктуу материалдык касиеттерди так баалоо үчүн абдан маанилүү85. Күч ийри сызыгынын маалыматтарын автоматтык түрдө иштетүүнү камтыган ыкма жумшак материалдар үчүн маалыматтарды тууралоо менен сандык өлчөөлөрдүн ортосундагы жакшыртылган шайкештикти көрсөттү86. Бул иште биздин байланыш чекиттерин тандообуз салыштырмалуу жөнөкөй жана объективдүү, бирок анын чектөөлөрү бар. Байланыш чекитин аныктоого болгон консервативдүү мамилебиз кичирээк оюк тереңдиктери (<100 нм) үчүн модулдук маанилерди бир аз ашыкча баалоого алып келиши мүмкүн. Алгоритмге негизделген тийүү чекитин аныктоону жана маалыматтарды автоматташтырылган иштетүүнү колдонуу келечекте биздин ыкманы андан ары өркүндөтүү үчүн бул иштин уландысы болушу мүмкүн. Ошентип, ±10 pN тартибиндеги ички фондук ызы-чуу үчүн, биз байланыш чекитин 6b-сүрөттө ≥10 pN мааниси менен x огундагы биринчи маалымат чекити катары аныктайбыз. Андан кийин, 10 pN ызы-чуу босогосуна ылайык, ~0,27 мкм деңгээлиндеги вертикалдык сызык бет менен байланыш чекитин белгилейт, андан кийин созулуу ийри сызыгы субстрат ~270 нм чуңкур тереңдигине жеткенге чейин уланат. Кызыктуусу, сүрөт тартуу ыкмасын колдонуу менен өлчөнгөн бутактанган полимер щеткасынын өзгөчөлүктөрүнүн өлчөмүнө (300–400 нм) негизделгенде, CL lehfilconдун чуңкур тереңдиги болжол менен 270 нмди түзөт, бул STEM менен өлчөө өлчөмүнө абдан жакын. Бул жыйынтыктар бул өтө жумшак жана жогорку ийкемдүү бутактанган полимер щетка структурасын чуңкурлоо үчүн AFM зондунун учунун формасынын жана өлчөмүнүн шайкештигин жана колдонулушун дагы бир жолу тастыктайт. Бул маалыматтар ошондой эле байланыш чекиттерин тактоо үчүн фондук ызы-чууну босого катары колдонуу ыкмабызды колдогон күчтүү далилдерди берет. Ошентип, математикалык моделдөөдөн жана күч ийри сызыгын тууралоодон алынган ар кандай сандык натыйжалар салыштырмалуу так болушу керек.
AFM наноинденция ыкмалары менен сандык өлчөөлөр маалыматтарды тандоо жана андан кийинки талдоо үчүн колдонулган математикалык моделдерге толугу менен көз каранды. Ошондуктан, белгилүү бир моделди тандоодон мурун, индентерди тандоого, материалдын касиеттерине жана алардын өз ара аракеттенүү механикасына байланыштуу бардык факторлорду эске алуу маанилүү. Бул учурда, учтун геометриясы SEM микрографтарын колдонуу менен кылдаттык менен мүнөздөлгөн (1-сүрөт) жана натыйжаларга таянып, катуу конус жана тоголок уч геометриясы бар 140 нм диаметрдеги AFM наноинденциялоочу зонду lehfilcon A CL79 үлгүлөрүн мүнөздөө үчүн жакшы тандоо болуп саналат. Кылдаттык менен баалоону талап кылган дагы бир маанилүү фактор - бул сыналып жаткан полимер материалынын ийкемдүүлүгү. Наноинденциялоонун баштапкы маалыматтары (5а жана 6а-сүрөттөр) чыңалуу жана кысуу ийри сызыктарынын бири-бирине дал келүүсүнүн өзгөчөлүктөрүн, башкача айтканда, материалдын толук ийкемдүүлүгүн калыбына келтирүүнү так көрсөткөнү менен, байланыштардын таза ийкемдүү мүнөзүн ырастоо өтө маанилүү. Ушул максатта, толук гидратация шарттарында 1 мкм/с чегинүү ылдамдыгында lehfilcon A CL үлгүсүнүн бетинде бир эле жерде эки удаалаш чуңкурлоо жүргүзүлдү. Натыйжада алынган күч ийри сызыгынын маалыматтары 7-сүрөттө көрсөтүлгөн жана күтүлгөндөй, эки басылманын кеңейүү жана кысуу ийри сызыктары дээрлик бирдей, бул тармакталган полимер щеткасынын структурасынын жогорку ийкемдүүлүгүн баса белгилейт.
Лехфилкондун бетинде бир эле жерде жайгашкан эки ийилүү күчүнүн ийри сызыктары. CL линза бетинин идеалдуу ийкемдүүлүгүн көрсөтөт.
Зонддун учунун жана lehfilcon A CL бетинин SEM жана STEM сүрөттөрүнөн алынган маалыматтын негизинде, конус-сфера модели AFM зондунун учу менен сыналып жаткан жумшак полимер материалынын ортосундагы өз ара аракеттенүүнүн акылга сыярлык математикалык чагылдырылышы болуп саналат. Мындан тышкары, бул конус-сфера модели үчүн басылган материалдын ийкемдүү касиеттери жөнүндөгү негизги божомолдор бул жаңы биомиметикалык материал үчүн туура келет жана ийкемдүү модулду сандык жактан аныктоо үчүн колдонулат.
AFM наноиндентация ыкмасын жана анын компоненттерин, анын ичинде ченөөчү зонддун касиеттерин (формасы, өлчөмү жана пружина катуулугу), сезгичтигин (фондук ызы-чууну жана байланыш чекитин баалоо) жана маалыматтарды тууралоо моделдерин (сандык модулду өлчөө) комплекстүү баалоодон кийин, бул ыкма колдонулган. сандык натыйжаларды текшерүү үчүн коммерциялык жактан жеткиликтүү ультра жумшак үлгүлөрдү мүнөздөө. 1 кПа серпилгичтик модулу бар коммерциялык полиакриламид (PAAM) гидрогели гидратталган шарттарда 140 нм зондду колдонуу менен сыналган. Модулду сыноо жана эсептөөлөрдүн чоо-жайы Кошумча маалыматта берилген. Жыйынтыктар көрсөткөндөй, өлчөнгөн орточо модуль 0,92 кПа түзгөн, ал эми белгилүү модулдан %RSD жана пайыздык (%) четтөө 10% дан аз болгон. Бул жыйынтыктар бул иште ультра жумшак материалдардын модулдарын өлчөө үчүн колдонулган AFM наноиндентация ыкмасынын тактыгын жана кайталануучулугун тастыктайт. Lehfilcon A CL үлгүлөрүнүн жана SiHy базалык субстратынын беттери ошол эле AFM наноиндештирүү ыкмасын колдонуп, ультра жумшак беттин көрүнгөн контакт модулун оюк тереңдигинин функциясы катары изилдөө үчүн андан ары мүнөздөлдү. Ийилүү күчүнүн бөлүү ийри сызыктары ар бир типтеги үч үлгү үчүн (n = 3; ар бир үлгүгө бир оюк) 300 pN күчүндө, 1 мкм/с ылдамдыкта жана толук гидратацияда түзүлгөн. Ийилүү күчүнүн бөлүшүү ийри сызыгы конус-сфера моделин колдонуу менен жакындаштырылган. Ийилүү тереңдигине көз каранды модулду алуу үчүн, тийүү чекитинен баштап 20 нм ар бир кадамында күч ийри сызыгынын 40 нм туурасындагы бөлүгү орнотулган жана күч ийри сызыгынын ар бир кадамында модулдун маанилери өлчөнгөн. Spin Cy жана башкалар. Коллоиддик AFM зонд наноиндештирүүсүн колдонуу менен поли(лаурилметакрилат) (P12MA) полимер щеткаларынын модулдук градиентин мүнөздөө үчүн ушул сыяктуу ыкма колдонулган жана алар Герц контакт моделин колдонгон маалыматтарга дал келет. Бул ыкма 8-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, көрүнгөн контакт модулунун (кПа) оюк тереңдигине (нм) карата графигин берет, ал көрүнгөн контакт модулунун/тереңдик градиентинин графигин көрсөтөт. CL lehfilcon A үлгүсүнүн эсептелген ийкемдүүлүк модулу үлгүнүн жогорку 100 нм чегинде 2–3 кПа диапазонунда болот, андан ары тереңдик менен көбөйө баштайт. Башка жагынан алганда, SiHy негизинин субстратын бетинде щетка сымал пленкасыз сынап көргөндө, 300 пН күчүндө жетишилген максималдуу оюк тереңдиги 50 нмден аз, ал эми маалыматтардан алынган модулдун мааниси болжол менен 400 кПа түзөт, бул көлөмдүү материалдар үчүн Янг модулунун маанилерине салыштырмалуу.
Модулду өлчөө үчүн конус-сфера геометриясы менен AFM наноиндештирүү ыкмасын колдонуу менен lehfilcon A CL жана SiHy субстраттары үчүн көрүнгөн контакт модулу (кПа) жана оюк тереңдиги (нм).
Жаңы биомиметикалык бутактанган полимер щеткасынын эң үстүнкү бети өтө төмөн ийкемдүүлүк модулун (2–3 кПа) көрсөтөт. Бул STEM сүрөттө көрсөтүлгөндөй, айры полимер щеткасынын эркин илинген учуна дал келет. CLдин сырткы четинде модулдук градиенттин айрым далилдери болгону менен, негизги жогорку модулдук субстрат көбүрөөк таасир этет. Бирок, беттин үстүнкү 100 нм катмары бутактанган полимер щеткасынын жалпы узундугунун 20% чегинде жайгашкан, андыктан бул оюк тереңдик диапазонундагы модулдун өлчөнгөн маанилери салыштырмалуу так жана астыңкы объектинин таасиринен көп көз каранды эмес деп болжолдоого болот.
SiHy субстраттарынын бетине кыйыштырылган бутактанган PMPC полимер щетка структураларынан турган lehfilcon A контакт линзаларынын уникалдуу биомиметикалык дизайнынан улам, алардын беттик структураларынын механикалык касиеттерин салттуу өлчөө ыкмаларын колдонуу менен ишенимдүү түрдө мүнөздөө өтө кыйын. Бул жерде биз сууну көп камтыган жана өтө жогорку ийкемдүүлүккө ээ lefilcon A сыяктуу өтө жумшак материалдарды так мүнөздөө үчүн өнүккөн AFM наноинденция ыкмасын сунуштайбыз. Бул ыкма AFM зондун колдонууга негизделген, анын учунун өлчөмү жана геометриясы басылып чыгарыла турган өтө жумшак беттик өзгөчөлүктөрдүн структуралык өлчөмдөрүнө дал келүү үчүн кылдаттык менен тандалып алынган. Зонд менен структуранын ортосундагы өлчөмдөрдүн мындай айкалышы сезгичтикти жогорулатат, бул бизге пороэластикалык эффекттерге карабастан, бутактанган полимер щетка элементтеринин төмөнкү модулун жана өзүнө мүнөздүү ийкемдүүлүк касиеттерин өлчөөгө мүмкүндүк берет. Жыйынтыктар линза бетине мүнөздүү болгон уникалдуу бутактанган PMPC полимер щеткалары суу чөйрөсүндө сыналганда өтө төмөн ийкемдүүлүк модулуна (2 кПага чейин) жана өтө жогорку ийкемдүүлүккө (дээрлик 100%) ээ экенин көрсөттү. AFM наноинденциясынын жыйынтыктары бизге биомиметикалык линзанын бетинин көрүнгөн контакт модулун/тереңдик градиентин (30 кПа/200 нм) мүнөздөөгө мүмкүндүк берди. Бул градиент бутактуу полимер щеткалары менен SiHy субстратынын ортосундагы модулдук айырмачылыкка же полимер щеткаларынын бутактуу түзүлүшүнө/тыгыздыгына же алардын айкалышына байланыштуу болушу мүмкүн. Бирок, түзүлүш менен касиеттердин ортосундагы байланышты, айрыкча щетканын бутактуулугунун механикалык касиеттерге тийгизген таасирин толук түшүнүү үчүн андан ары терең изилдөөлөр талап кылынат. Ушул сыяктуу өлчөөлөр башка өтө жумшак материалдардын жана медициналык шаймандардын бетинин механикалык касиеттерин мүнөздөөгө жардам берет.
Учурдагы изилдөө учурунда түзүлгөн жана/же талданган маалыматтар топтомдору тиешелүү авторлордон акылга сыярлык суроо-талап боюнча жеткиликтүү.
Рахмати, М., Силва, Э.А., Реселанд, Ж.Э., Хейвард, К. жана Хауген, Х.Ж. Биоматериалдардын беттеринин физикалык жана химиялык касиеттерине биологиялык реакциялар. Химиялык коом. Ред. 49, 5178–5224 (2020).
Чен, ФМ жана Лю, Х. Ткандарды инженериялоо үчүн адамдан алынган биоматериалдарды жакшыртуу. программалоо. полимер. илим. 53, 86 (2016).
Сэдтлер, К. жана башкалар. Регенеративдик медицинада биоматериалдарды долбоорлоо, клиникалык ишке ашыруу жана иммундук жооп. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Оливер В.К. жана Фарр Г.М. Жүктү жана жылышууну өлчөө менен чегүү эксперименттерин колдонуу менен катуулукту жана серпилгичтик модулун аныктоонун өркүндөтүлгөн ыкмасы. Alma mater журналы. сактоочу резервуар. 7, 1564–1583 (2011).
Уолли, С.М. Оюп коюунун катуулугун текшерүүнүн тарыхый келип чыгышы. Альма-матер. Илим. Технологиялар. 28, 1028–1044 (2012).
Бройтман, Э. Макро-, микро- жана нано масштабдагы чегилген катуулукту өлчөө: сынчыл сереп. Райт. 65, 1–18 (2017).
Кауфман, JD жана Clapperich, SM Беттик аныктоо каталары жумшак материалдардын наноинденциясында модулдун ашыкча бааланышына алып келет. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колоор ССР, Аятоллахи М.Р., Бушроа А.Р. жана Яхья М.Ю. Гетерогендик нанокомпозиттердин механикалык мүнөздөмөлөрүн эксперименталдык жана эсептөө ыкмаларын колдонуу менен аныктоо үчүн наноиндентация ыкмасын баалоо. Илим. 9-үй, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, жана Owart, TS Жумшак вискоэластикалык гелдерди чегүү жана оптималдаштырууга негизделген тескери чектүү элементтерди талдоо аркылуу механикалык мүнөздөө. J. Mecha. Жүрүм-турум. Биомедициналык илим. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Эндрюс Ж.В., Боуэн Ж. жана Шанель Д. Шайкеш өлчөө системаларын колдонуу менен илешкектүүлүктү аныктоону оптималдаштыруу. Жумшак заттар 9, 5581–5593 (2013).
Бриско, Б.Ж., Фиори, Л. жана Пеллильо, Э. Полимердик беттердин наноинденциясы. Физика журналы. D. Физикага кайрылуу. 31, 2395 (1998).
Мияйлович А.С., Цин Б., Фортунато Д. жана Ван Влит К.Ж. Шоктук чөкмөсүн колдонуу менен жогорку ийкемдүү полимерлердин жана биологиялык ткандардын вискоэластикалык механикалык касиеттерин мүнөздөө. Биоматериалдар журналы. 71, 388–397 (2018).
Перепелкин Н.В., Ковалев А.Е., Горб С.Н., Бородич Ф.М. Кеңейтилген Бородич-Галанов (Б.Г.) ыкмасын жана терең оюкту колдонуу менен жумшак материалдардын серпилгичтик модулун жана адгезия ишин баалоо. мех. алма матер. 129, 198–213 (2019).
Ши, Х. жана башкалар. Силикон гидрогель контакт линзаларынын биомиметикалык полимердик беттеринин наноөлчөмдүү морфологиясы жана механикалык касиеттери. Лэнгмюр 37, 13961–13967 (2021).