Gratias tibi ago quod Nature.com invisisti. Versione navigatri uteris quae CSS sustinet limitatum. Pro optima experientia, commendamus ut navigatro recentiore utaris (aut Modum Compatibilitatis in Internet Explorer debilites). Praeterea, ut auxilium continuum praestemus, situm sine stylis et JavaScript monstramus.
Series trium diapositivarum simul ostendit. Utere bullis "Prior" et "Sequens" ad tres diapositivas simul movendas, vel bullis cursoribus in fine ad tres diapositivas simul movendas utere.
Cum novae materiae mollissimae ad instrumenta medica et usus biomedicos evolutae sint, proprietatum physicarum mechanicarumque earum descriptio completa et magni momenti et difficilis est. Technica nanoindentationis per microscopiam vim atomicam modificatam (AFM) adhibita est ad modulum superficialem humillimum novae lentis contactus biomimeticae e silicone hydrogel, lehfilcon A, strato structurarum penicillorum polymericarum ramosarum obductae, describendum. Haec methodus permittit accuratam determinationem punctorum contactus sine effectibus extrusionis viscosae ad polymera ramosa appropinquantia. Praeterea, efficit ut proprietates mechanicae singulorum elementorum penicillorum sine effectu poroelasticitatis determinentur. Hoc fit per selectionem specilli AFM cum designo (magnitudo apicis, geometria et celeritas elasticitatis) quod ad proprietates materiarum mollium et exemplorum biologicorum metiendas aptissimum est. Haec methodus sensibilitatem et accuratiam ad accuratam mensuram materiae mollissimae lehfilcon A, quae modulum elasticitatis humillimum in superficie (usque ad 2 kPa) et elasticitatem altissimam in ambitu aquoso interno (fere 100%) habet, emendat. Resultata studii superficialis non solum proprietates superficiales mollissimas lentis lehfilcon A patefecerunt, sed etiam demonstraverunt modulum penicillorum polymericorum ramosorum comparabilem esse cum modulo substrati siliconis-hydrogenii. Haec ars characterisationis superficialis ad alias materias mollissimas et instrumenta medica adhiberi potest.
Proprietates mechanicae materiarum ad contactum directum cum textibus viventibus destinatarum saepe ab ambitu biologico determinantur. Perfecta congruentia harum proprietatum materialium adiuvat ad desideratas notas clinicas materiae assequendas sine adversis responsionibus cellularibus1,2,3. Pro materiis homogeneis in massa, proprietatum mechanicarum characterizatio relative facilis est propter disponibilitatem procedurarum et methodorum probationum consuetarum (e.g., microindentatio4,5,6). Attamen, pro materiis mollissimis, ut gelis, hydrogellis, biopolymeris, cellulis viventibus, etc., hae methodi probationum plerumque non applicabiles sunt propter limitationes resolutionis mensurae et inhomogeneitatem quarundam materiarum7. Per annos, methodi indentationis traditionales modificatae et adaptatae sunt ad amplam varietatem materiarum mollium characterizandam, sed multae methodi adhuc gravibus defectibus laborant quae earum usum limitant8,9,10,11,12,13. Carentia methodorum probationum specialium quae accurate et certo modo proprietates mechanicas materiarum mollissimarum et stratorum superficialium characterizare possunt, earum usum in variis applicationibus vehementer limitat.
In opere nostro priori, lentem contactus lehfilcon A (CL) introduximus, materiam mollem heterogeneam cum omnibus proprietatibus superficialibus mollissimis, ex designiis potentialiter biomimeticis, a superficie corneae oculi inspiratis, derivatis. Haec biomateria elaborata est per insitionem strati polymerici ramosi et reticulati poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholini (MPC)) (PMPC) in hydrogel siliconis (SiHy) 15, ad instrumenta medica fundata in [nomen deest] destinati. Hic processus insitionis stratum in superficie creat, constantem ex structura polymerica penicilli ramosa mollissima et valde elastica. Opus nostrum prius confirmavit structuram biomimeticam lehfilcon A CL proprietates superficiales superiores, ut meliorem praeventionem madefactionis et incrustationis, lubricitatem auctam, et adhaesionem cellularum et bacterialium reductam 15,16, praebere. Praeterea, usus et evolutio huius materiae biomimeticae etiam ulteriorem expansionem ad alia instrumenta biomedica suggerit. Quapropter, essentiale est proprietates superficiales huius materiae mollissimae describere et eius interactionem mechanicam cum oculo intellegere, ut basis cognitionis comprehensiva creetur ad futuras progressiones et applicationes sustinendas. Pleraeque lentes contactus SiHy in commercio praesto sunt ex mixtura homogenea polymerorum hydrophilicorum et hydrophobicorum, quae structuram materialem uniformem formant17. Plurima studia peracta sunt ad proprietates earum mechanicas investigandas, methodis traditis compressionis, tensilis et microindentationis probandis18,19,20,21. Attamen, novum consilium biomimeticum lehfilcon A CL facit eam materiam heterogeneam singularem, in qua proprietates mechanicae structurarum penicilli polymeri ramosi significanter differunt ab illis substrati basis SiHy. Quapropter, difficillimum est has proprietates accurate quantificare methodis conventionalibus et indentationis. Methodus promittens utitur methodo probationis nanoindentationis in microscopia vi atomica (AFM) implementata, methodo quae adhibita est ad proprietates mechanicas materiarum viscoelasticarum mollium, ut cellularum et textuum biologicorum, necnon polymerorum mollium determinandas22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. In nanoindentatione AFM, fundamenta probationis nanoindentationis cum recentissimis progressibus in technologia AFM coniunguntur ut mensurae sensibilitas aucta et probatio amplae varietatis materiarum naturaliter mollium praebeantur 31,32,33,34,35,36. Praeterea, technologia alia commoda magni momenti offert per usum geometriarum diversarum, indentatoris et specilli, et possibilitatem probationis in variis mediis liquidis.
Nanoindentatio AFM conditionaliter in tres partes principales dividi potest: (1) apparatum (sensores, detectores, specilla, etc.); (2) parametros mensurae (ut vis, dislocatio, celeritas, magnitudo scalae, etc.); (3) processum datorum (correctio lineae basalis, aestimatio puncti tactus, aptatio datorum, modellatio, etc.). Problema magnum cum hac methodo est quod plura studia in litteris nanoindentationem AFM utentes resultatus quantitativos valde diversos pro eodem exemplo/cellula/typo materiae referunt37,38,39,40,41. Exempli gratia, Lekka et al. Influentia geometriae specilli AFM in modulo Young mensurato exemplorum hydrogel mechanice homogeneorum et cellularum heterogenearum investigata et comparata est. Referunt valores moduli valde pendere a delectu cantileveris et forma apicis, cum maximo valore pro specillo pyramidali et minimo valore 42 pro specillo sphaerico. Similiter, Selhuber-Unkel et al. Demonstratum est quomodo celeritas indentationis, magnitudo indentationis et crassitudo exemplorum polyacrylamidis (PAAM) modulum Youngianum per nanoindentationem ACM43 mensuratum afficiunt. Aliud factor complicans est carentia materiarum probationis moduli infimi normatum et procedurarum probationis liberarum. Hoc difficillimum reddit ut eventus accurati cum fiducia obtineantur. Attamen methodus perutilis est ad mensuras relativas et aestimationes comparativas inter similia genera exemplorum, exempli gratia utendo nanoindentatione AFM ad distinguendas cellulas normales a cellulis cancerosis [44, 45].
Cum materiae molles nanoindentatione AFM examinantur, regula generalis est ut specillum cum constante elasticitatis (k) humili adhibeatur, quod modulo exempli proxime congruat, et apice hemisphaerico/rotundo, ne primum specillum superficies exempli primo contactu cum materiis mollibus perforet. Interest etiam ut signum deflexionis a specillo generatum satis validum sit ut a systemate detectoris laserici detegatur24,34,46,47. In casu cellularum, textuum et gelorum heterogeneorum mollissimorum, alia difficultas est superare vim adhaesivam inter specillum et superficiem exempli ut mensurae reproducibiles et certae sint48,49,50. Usque ad recentem tempus, pleraque opera de nanoindentatione AFM in studio actionis mechanicae cellularum biologicarum, textuum, gelorum, hydrogelorum et biomolecularum, utens specillis sphaericis relative magnis, vulgo specillis colloidalibus (CP) appellatis, intenta sunt. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Hae cuspides radium 1 ad 50 µm habent et vulgo ex vitro borosilicato, polymethyl methacrylato (PMMA), polystyreno (PS), dioxido silicii (SiO2) et carbone adamantino (DLC) fiunt. Quamquam nanoindentatio CP-AFM saepe prima electio est ad descriptionem exemplorum mollium, suas difficultates et limitationes habet. Usus apicum sphaericorum magnorum, micron magnitudinis, aream contactus totalis apicis cum exemplo auget et significantem iacturam resolutionis spatialis efficit. Pro exemplaribus mollibus, inhomogeneis, ubi proprietates mechanicae elementorum localium significanter a media per aream latiorem differre possunt, indentatio CP quamlibet inhomogeneitatem in proprietatibus in scala locali celare potest52. Specillae colloidales typice fiunt adnectendo sphaeras colloidales micron magnitudinis ad cantilevera sine apice utens glutino epoxydico. Ipse processus fabricationis multis difficultatibus plenus est et ad discrepantias in processu calibrationis specilli ducere potest. Praeterea, magnitudo et massa particularum colloidalium directe afficiunt principales parametros calibrationis cantileveris, ut frequentiam resonantiae, rigiditatem elasticam, et sensibilitatem deflexionis56,57,58. Itaque, methodi vulgo adhibitae pro probatoriis AFM conventionalibus, ut calibratio temperaturae, fortasse non praebent calibrationem accuratam pro CP, et aliae methodi requiri possunt ad has correctiones peragendas57,59,60,61. Experimenta typica indentationis CP utuntur magnis deviationibus cantileveris ad studia proprietatum exemplorum mollium, quod aliud problema creat cum calibratur modus non linearis cantileveris ad deviationes relative magnas62,63,64. Methodi modernae indentationis probatorii colloidalium plerumque geometriam cantileveris ad calibrandum probatorium adhibiti considerant, sed neglegunt influxum particularum colloidalium, quod incertitudinem additam in accuratione methodi38,61 creat. Similiter, moduli elastici per aptationem exemplaris contactus computati directe pendent ex geometria specilli indentationis, et discrepantia inter proprietates apicis et superficiei exempli ad inaccurationes ducere potest27, 65, 66, 67, 68. Nonnulla opera recentiora a Spencer et al. facta illustrantur factores qui considerandi sunt cum penicilli polymeri molles utens methodo nanoindentationis CP-AFM describuntur. Retulerunt retentionem fluidi viscosi in penicillis polymericis ut functionem celeritatis augmentum oneris capitis et ergo diversas mensuras proprietatum celeritate dependentium efficere30, 69, 70, 71.
In hoc studio, modulum superficialem materiae mollissimae valde elasticae *lehfilcon A CL*, methodo nanoindentationis AFM modificata, descripsimus. Datis proprietatibus et nova structura huius materiae, ambitus sensibilitatis methodi indentationis traditionalis manifeste insufficiens est ad modulum huius materiae mollissimae describendum, itaque necesse est methodum nanoindentationis AFM cum sensibilitate altiore et minore gradu sensibilitatis adhibere. Postquam vitia et problemata technicarum nanoindentationis cum specillo AFM colloidali iam exsistentium recensuimus, demonstramus cur specillum AFM minorem, ad usum nostrum designatum, ad sensibilitatem, strepitum circumstantem eliminandum, punctum contactus accurate determinandum, modulum velocitatis materiarum heterogenearum mollium, ut dependentiam retentionis fluidorum, metiendum, et accuratam quantificationem metiendum elegerimus. Praeterea, formam et dimensiones apicis indentationis accurate metiri potuimus, quod nobis permisit ut exemplar aptationis coni-sphaerae ad modulum elasticitatis determinandum uteremur sine area contactus apicis cum materia aestimanda. Duae suppositiones implicitae quae in hoc opere quantificantur sunt proprietates materiae plene elasticae et modulus indentationis a profunditate independens. Hac methodo utentes, primum normas molles cum modulo noto probavimus ad methodum quantificandam, deinde hac methodo usi sumus ad superficies duarum materiarum lentium contactuum diversarum describendas. Haec methodus superficies nanoindentationis AFM cum sensibilitate aucta describendas ad amplam varietatem materiarum molles heterogenearum biomimeticarum applicabilis esse expectatur, cum usu potentiali in instrumentis medicis et applicationibus biomedicis.
Lentes contactus Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) una cum earum substratis silicone hydrogel ad experimenta nanoindentationis electae sunt. Montura lentis specialiter designata in experimento adhibita est. Ad lentem ad probationem collocandam, diligenter in basi fornicata collocata est, cavens ne bullae aeris intus intrarent, deinde marginibus fixa est. Foramen in fixatione in summo sustentaculi lentis aditum ad centrum opticum lentis ad experimenta nanoindentationis praebet, liquor in loco tenens. Hoc lentes plene hydratas servat. 500 μl solutionis involucri lentium contactuum ut solutio probationis adhibita est. Ad quantitativa verificanda, hydrogella polyacrylamidis non activatae (PAAM) commercialiter praesto ex compositione polyacrylamidis-co-methyleni-bisacrylamidis (patellae Petrisoft 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA) praeparata sunt, modulo elastico noto 1 kPa. Ad interfaciem hydrogelis AFM et specilli adhibeantur guttis quattuor vel quinque (circiter 125 µl) solutionis salinae tamponatae phosphatis (PBS a Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) et gutta una solutionis lentis contactus OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA).
Exempla substratorum Lehfilcon A CL et SiHy visualizata sunt utens systemate FEI Quanta 250 Microscopii Electronici Perlustrantis Emissionis Campi (FEG-SEM) instructo detectore Microscopii Electronici Perlustrantis Transmissionis (STEM). Ad exempla praeparanda, lentes primum aqua lavatae et in cuneos formae crustacei sectae sunt. Ad differentiam contrastus inter componentes hydrophilicos et hydrophobicos exemplorum obtinendam, solutio 0.10% RuO4 stabilizata ut tinctura adhibita est, in qua exempla per 30 minuta immersa sunt. Tinctio lehfilcon A CL RuO4 non solum ad meliorem differentiam contrastus consequendam magni momenti est, sed etiam adiuvat ad structuram penicillorum polymericorum ramosorum in forma originali conservandam, quae deinde in imaginibus STEM visibiles sunt. Deinde lavatae et in serie mixturarum ethanoli/aquae cum crescente concentratione ethanoli dehydratae sunt. Exempla deinde cum EMBed 812/Araldite epoxy fusa sunt, quod per noctem ad 70°C curatum est. Frusta exemplaria per polymerisationem resinae obtenta ultramicrotomo secta sunt, et sectiones tenues inde ortae detectore STEM in modo vacui humilis sub tensione acceleratoria 30 kV visualizatae sunt. Idem systema SEM ad descriptionem accuratam specilli AFM PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) adhibitum est. Imagines SEM specilli AFM in modo typico vacui alti cum tensione acceleratoria 30 kV obtentae sunt. Imagines sub diversis angulis et magnificationibus accipe ut omnia formae et magnitudinis apicis specilli AFM singula notentur. Omnes dimensiones apicis in imaginibus quae interesse possunt digitaliter mensuratae sunt.
Microscopium vi atomica Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) cum modo "PeakForce QNM in Fluid" adhibitum est ad visualizanda et nanoindentanda exempla lehfilcon A CL, substrati SiHy, et hydrogel PAAm. Pro experimentis imaginandis, specillum PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) cum radio nominali apicis 1 nm adhibitum est ad capiendas imagines altae resolutionis exempli cum celeritate scansionis 0.50 Hz. Omnes imagines in solutione aquosa captae sunt.
Experimenta nanoindentationis AFM peracta sunt utens specillo PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Specillum AFM apicem siliconis in cantilever nitridi habet, crassitudine 345 nm, longitudine 54 µm et latitudine 4.5 µm, cum frequentia resonantia 45 kHz. Specialiter designatum est ad describendum et mensuras nanomechanicas quantitativas in exemplaribus biologicis mollibus perficiendas. Sensoria singillatim in officina calibrantur cum optionibus elasticis prae-calibratis. Constantes elasticae specillorum in hoc studio adhibitorum erant in intervallo 0.05–0.1 N/m. Ad accurate determinandam formam et magnitudinem apicis, specillum per SEM accurate descriptum est. In figura 1a ostenditur micrographum electronicum scanning altae resolutionis et parvae magnificationis specilli PFQNM-LC-A-CAL, praebens visionem holisticam designii specilli. In figura 1b ostenditur visio amplificata summitatis apicis specilli, informationes de forma et magnitudine apicis praebens. Ad extremum, acus est hemisphaerium circiter 140 nm diametro (Fig. 1c). Infra hoc, apex in formam conicam angustatur, longitudinem mensuratam circiter 500 nm attingens. Extra regionem angustam, apex cylindricus est et in longitudine totali apicis 1.18 µm terminatur. Haec est pars functionalis principalis apicis specilli. Praeterea, specillum magnum sphaericum polystyreni (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) cum diametro apicis 45 µm et constante elastica 2 N/m etiam ad experimentum ut specillum colloidale adhibitum est, cum specillo PFQNM-LC-A-CAL 140 nm ad comparationem.
Relatum est liquorem inter specillum AFM et structuram penicilli polymerici durante nanoindentatione includi posse, quae vim sursum in specillum AFM exercebit antequam superficiem actu tangat69. Hic effectus extrusionis viscosus propter retentionem fluidi punctum contactus apparentem mutare potest, ita mensuras moduli superficialis afficiens. Ad effectum geometriae specilli et celeritatis indentationis in retentionem fluidi investigandum, curvae vis indentationis pro exemplaribus lehfilcon A CL delineatae sunt utens specillo diametro 140 nm cum constantibus ratibus dislocationis 1 µm/s et 2 µm/s. Diameter specilli 45 µm, vis fixa 6 nN ad 1 µm/s obtenta. Experimenta cum specillo diametro 140 nm cum celeritate indentationis 1 µm/s et vi fixa 300 pN peracta sunt, electa ad pressionem contactus intra ambitum physiologicum (1-8 kPa) palpebrae superioris creandam. pressio 72. Exempla mollia praeparata hydrogel PAA cum pressione 1 kPa ad vim indentationis 50 pN celeritate 1 μm/s probata sunt, specillo diametro 140 nm utens.
Cum longitudo partis conicae apicis specilli PFQNM-LC-A-CAL sit circiter 500 nm, pro quavis profunditate indentationis < 500 nm tuto assumeri potest geometriam specilli durante indentatione formae coni fidelem mansuram esse. Praeterea, assumitur superficiem materiae examinatae responsionem elasticam reversibilem exhibituram esse, quod etiam in sequentibus sectionibus confirmabitur. Ergo, pro forma et magnitudine apicis, exemplar aptationis coni-sphaerae a Briscoe, Sebastian et Adams elaboratum, quod in programmate venditoris praesto est, ad experimenta nostra nanoindentationis AFM (NanoScope) tractanda elegimus. Programma analysis datorum separationis, Bruker) 73. Exemplar relationem vis-dislocationis F(δ) pro cono cum defectu apicis sphaerici describit. In figura... Figura II geometriam contactus ostendit durante interactione coni rigidi cum apice sphaerico, ubi R est radius apicis sphaerici, a est radius contactus, b est radius contactus ad finem apicis sphaerici, δ est radius contactus. Profunditas indentationis, θ est semiangulus coni. Imago SEM huius exploratoris clare ostendit apicem sphaericum 140 nm diametri tangentialiter in conum coalescere, ita hic b tantum per R definitur, i.e. b = R cos θ. Programma a venditore provisum relationem coni-sphaerae praebet ad valores moduli Youngiani (E) calculandos ex datis separationis vis assumendo a > b. Relatio:
ubi F est vis indentationis, E est modulus Youngi, ν est proportio Poissoni. Radius contactus a aestimari potest utens:
Schema geometriae contactus coni rigidi cum apice sphaerico in materiam lentis contactus Lefilcon impressi, strato superficiali penicillorum polymericorum ramosorum.
Si a ≤ b, relatio ad aequationem pro indentatore sphaerico conventionali reducitur;
Credimus interactionem specilli indentantis cum structura ramosa penicilli polymerici PMPC radium contactus a maiorem esse quam radium contactus sphaericum b. Quapropter, pro omnibus mensuris quantitativis moduli elastici in hoc studio peractis, dependentiam pro casu a > b obtentam usi sumus.
Materiae biomimeticae molles ultramolles in hoc studio investigatae plene depictae sunt utens microscopio electronico transmissionis perlustrantis (STEM) sectionis transversalis exemplaris et microscopio vi atomica (AFM) superficiei. Haec descriptio superficialis accurata peracta est ut extensio operis nostri antea editi, in quo determinavimus structuram penicilli polymerici dynamicē ramosam superficiei lehfilcon A CL PMPC-modificatae similes proprietates mechanicas textui corneae nativo exhibere 14. Ob hanc causam, superficies lentium contactus materias biomimeticas appellamus 14. In figuris 3a,b sectiones transversales structurarum penicilli polymerici PMPC ramosarum in superficie substrati lehfilcon A CL et substrati SiHy non tractati, respective, monstrantur. Superficies utriusque exemplaris ulterius analysatae sunt utens imaginibus AFM altae resolutionis, quae ulterius eventus analysis STEM confirmaverunt (Fig. 3c, d). Simul sumptae, hae imagines longitudinem approximatam structurae penicilli polymerici PMPC ramosae ad 300-400 nm praebent, quae critica est ad interpretandas mensuras nanoindentationis AFM. Alia observatio magni momenti ex imaginibus deducta est structuram superficialem generalem materiae biomimeticae CL morphologice differre ab ea materiae substrati SiHy. Haec differentia in morphologia superficiali eorum manifesta fieri potest per interactionem mechanicam cum specillo AFM indentatorio et deinde in valoribus moduli mensis.
Imagines STEM sectionum transversalium (a) substrati lehfilconis A CL et (b) substrati SiHy. Scala linearis, 500 nm. Imagines AFM superficiei substrati lehfilconis A CL (c) et substrati basis SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Polymeri bioinspirati et structurae penicilli polymerici natura sua molles sunt et late investigati et in variis applicationibus biomedicis adhibiti sunt74,75,76,77. Quapropter, magni momenti est methodum nanoindentationis AFM adhibere, quae proprietates mechanicas earum accurate et certo modo metiri potest. Sed simul, proprietates singulares harum materiarum ultra-mollium, ut modulus elasticitatis infimus, magna copia liquidi et elasticitas magna, saepe difficilem reddunt electionem materiae, formae et magnitudinis rectae specilli indentationis. Hoc magni momenti est ne indentator superficiem mollem exemplaris perforet, quod ad errores in determinando puncto contactus cum superficie et area contactus duceret.
Ad hoc, comprehensio completa morphologiae materiarum biomimeticarum mollissimarum (lehfilcon A CL) necessaria est. Informatio de magnitudine et structura penicillorum polymericorum ramosorum, methodo imaginaria obtenta, fundamentum praebet ad characterizationem mechanicam superficiei utens technicis nanoindentationis AFM. Loco specillorum colloidalium sphaericorum magnitudinis micronis, specillum nitridi silicii PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) cum diametro apicis 140 nm elegimus, specialiter designatum ad mappationem quantitativam proprietatum mechanicarum exemplorum biologicorum 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Ratio utendi specillis relative acutis comparatis cum specillis colloidalium conventionalibus explicari potest per proprietates structurales materiae. Comparando magnitudinem apicis specilli (~140 nm) cum penicillis polymericis ramosis in superficie lehfilconis A CL, quae in Figura 3a monstrantur, concludi potest apicem satis magnum esse ut in contactum directum cum his structuris penicillorum veniat, quod minuit periculum apex per eas penetrandi. Ad hoc illustrandum, in Figura 4 est imago STEM lehfilconis A CL et apicis indentationis specilli AFM (ad scalam depicti).
Schema imaginem STEM lehfilconis A CL et specilli indentationis ACM (ad scalam delineati) ostendens.
Praeterea, magnitudo apicis 140 nm satis parva est ad vitandum periculum cuiuslibet effectus extrusionis viscosae, antea relati pro penicillis polymericis per methodum nanoindentationis CP-AFM productis69,71. Supponimus, propter formam coni-sphaericam specialem et magnitudinem relative parvam huius apicis AFM (Fig. 1), naturam curvae vis a nanoindentatione lehfilcon A CL generatae non pendere a celeritate indentationis aut celeritate onerationis/exonerationis. Ergo, non afficitur effectibus poroelasticis. Ad hanc hypothesim probandam, exempla lehfilcon A CL indentata sunt ad vim maximam fixam utens specillo PFQNM-LC-A-CAL, sed ad duas velocitates diversas, et curvae vis tensiles et retractiles resultantes adhibitae sunt ad delineandam vim (nN) in separatione (µm) ut in Figura 5a ostenditur. Perspicuum est curvas vis inter onerationem et exonerationem omnino intersecari, nec ullum manifestum indicium est vis tonsoris ad nullam profunditatem indentationis cum celeritate indentationis in figura crescere, quod suggerit singula elementa penicilli sine effectu poroelastico descripta esse. Contra, effectus retentionis fluidorum (extrusio viscosa et effectus poroelasticitatis) manifesti sunt pro specillo AFM 45 µm diametri ad eandem celeritatem indentationis et illustrantur hysteresi inter curvas extensionis et retractionis, ut in Figura 5b demonstratur. Haec eventa hypothesin confirmant et suggerunt specilla 140 nm diametri bonam electionem esse ad tales superficies molles describendas.
Curvae vis indentationis lehfilcon A CL utens ACM; (a) utens specillo diametro 140 nm ad duas rates oneris, demonstrans absentiam effectus poroelastici durante indentatione superficiali; (b) utens specillis diametro 45 µm et 140 nm. Figurae effectus extrusionis viscosae et poroelasticitatis pro specillis magnis comparatis cum specillis minoribus ostendunt.
Ad superficies molles describendas, methodi nanoindentationis AFM optimam specillam habere debent ad proprietates materiae investigatae studendas. Praeter formam et magnitudinem apicis, sensibilitas systematis detectoris AFM, sensibilitas ad deflexionem apicis in ambitu probationis, et rigiditas cantileveris partes magnas agunt in determinanda accuratione et fidelitate mensurationum nanoindentationis. Pro nostro systemate AFM, limes detectionis Detectoris Positionis Sensibilis (PSD) est circiter 0.5 mV et fundatur in prae-calibrata celeritate elastica et computata sensibilitate deflexionis fluidi specilli PFQNM-LC-A-CAL, quae respondet sensibilitati oneris theoretici, est minor quam 0.1 pN. Ergo, haec methodus permittit mensuram vis indentationis minimae ≤ 0.1 pN sine ulla componente strepitus peripherici. Attamen, fere impossibile est systemati AFM strepitum periphericum ad hunc gradum reducere propter factores ut vibrationem mechanicam et dynamicam fluidorum. Hi factores sensibilitatem generalem methodi nanoindentationis AFM limitant et etiam signum strepitus circumstantis circiter ≤ 10 pN efficiunt. Ad characterizationem superficialem, exempla substrati lehfilcon A CL et SiHy sub condicionibus plene hydratis indentata sunt utens specillo 140 nm ad characterizationem SEM, et curvae virium resultantes inter vim (pN) et pressionem superimpositae sunt. Diagramma separationis (µm) in Figura 6a ostenditur. Comparata cum substrato basi SiHy, curva virium lehfilcon A CL clare ostendit phasim transitionalem incipiens a puncto contactus cum penicillo polymerico furcato et desinens cum mutatione acuta in inclinatione signante contactum apicis cum materia subiacente. Haec pars transitionalis curvae virium mores vere elasticos penicilli polymerici ramosi in superficie illustrat, ut demonstratur curva compressionis curvam tensionis arcte sequens et discrepantia proprietatum mechanicarum inter structuram penicilli et materiam SiHy crassam. Cum lefilcon comparatur... Separatio longitudinis mediae penicilli polymerici ramosi in imagine STEM PCS (Fig. 3a) et curvae vis eius secundum abscissam in Fig. 3a.6a ostendit methodum posse detegere apicem et polymerum ramosum ad summum superficiei pertingentes. Contactus inter structuras penicilli. Praeterea, arcta superpositio curvarum vis nullum effectum retentionis liquidorum indicat. Hoc in casu, nulla omnino adhaesio est inter acum et superficiem exempli. Sectiones summae curvarum vis pro duobus exemplis inter se interponuntur, similitudinem proprietatum mechanicarum materiarum substrati reflectentes.
(a) Curvae vis nanoindentationis AFM pro substratis lehfilcon A CL et substratis SiHy, (b) curvae vis aestimationem puncti contactus utens methodo liminis strepitus circumstantis ostendentes.
Ut subtiliora curvae vis investigentur, curva tensionis exempli lehfilcon A CL in Figura 6b cum vi maxima 50 pN secundum axem y denuo depingitur. Haec graphica informationem magni momenti de strepitu originali praebet. Strepitus in ambitu ±10 pN est, quod ad accurate determinandum punctum contactus et calculandam profunditatem indentationis adhibetur. Ut in litteris relatum est, identificatio punctorum contactus critica est ad accurate aestimandas proprietates materiae, ut modulus85. Modus qui processum automaticum datorum curvae vis involvit meliorem congruentiam inter aptationem datorum et mensuras quantitativas pro materiis mollibus86 ostendit. In hoc opere, nostra electio punctorum contactus relative simplex et obiectiva est, sed suas limitationes habet. Modus noster conservativus ad determinandum punctum contactus fortasse valores moduli paulo superaestimatos pro minoribus profunditatibus indentationis (< 100 nm) ducit. Usus detectionis punctorum tactus fundati in algorithmo et processus automatici datorum continuatio huius operis in futuro esse potest ad ulterius emendandam nostram methodum. Ergo, pro strepitu intrinseco circa ordinem ±10 pN, punctum contactus definimus ut primum punctum datorum in axe x in Figura 6b cum valore ≥10 pN. Deinde, secundum limen strepitus 10 pN, linea verticalis ad gradum ~0.27 µm punctum contactus cum superficie designat, post quod curva extensionis pergit donec substratum profunditatem indentationis ~270 nm attingat. Interest notare, secundum magnitudinem penicilli polymerici ramosi (300–400 nm) mensuratam methodo imaginandi, profunditas indentationis exempli CL lehfilcon A observata methodo liminis strepitus est circiter 270 nm, quae magnitudini mensurae cum STEM proxima est. Haec eventa ulterius confirmant compatibilitatem et applicabilitatem formae et magnitudinis apicis specilli AFM ad indentationem huius structurae penicilli polymerici ramosi, mollis et valde elasticae. Haec data etiam praebent firmam probationem ad sustinendam nostram methodum utendi strepitu ut limine ad puncta contactus designanda. Ergo, quaevis quantitativa ex modellatione mathematica et aptatione curvae virium obtenta relative accurata esse debent.
Mensurae quantitativae per methodos nanoindentationis AFM omnino pendent ex exemplaribus mathematicis ad selectionem datorum et subsequentem analysin adhibitis. Quapropter, interest omnes factores ad electionem indentatoris, proprietates materiae et mechanicam interactionis eorum pertinentes considerare antequam exemplar particulare eligas. Hoc in casu, geometria apicis diligenter per micrographas SEM descripta est (Fig. 1), et secundum eventus, specillum nanoindentationis AFM diametro 140 nm cum cono duro et geometria apicis sphaerica bona electio est ad exempla lehfilcon A CL79 describenda. Aliud factor magni momenti qui diligenter aestimandus est elasticitas materiae polymericae quae examinatur. Quamquam data initialia nanoindentationis (Fig. 5a et 6a) clare delineant notas imbricationis curvarum tensionis et compressionis, id est, recuperationem elasticam completam materiae, permagni momenti est naturam pure elasticam contactuum confirmare. Ad hoc, duae indentationes successivae in eodem loco in superficie exempli lehfilcon A CL, indentationis celeritate 1 µm/s sub condicionibus plenae hydrationis, peractae sunt. Data curvae vis resultantis in figura 7 monstrantur, et, ut expectatum est, curvae expansionis et compressionis duarum impressionum fere identicae sunt, magnam elasticitatem structurae penicilli polymerici ramosi illustrantes.
Duae curvae vis indentationis in eodem loco in superficie lehfilcon A CL elasticitatem idealem superficiei lentis indicant.
Informatione ex imaginibus SEM et STEM apicis specilli et superficiei lehfilcon A CL respective obtenta, exemplar coni-sphaerae est repraesentatio mathematica rationabilis interactionis inter apicem specilli AFM et materiam polymericam mollem examinatam. Praeterea, pro hoc exemplo coni-sphaerae, suppositiones fundamentales de proprietatibus elasticis materiae impressae verae sunt pro hac nova materia biomimetica et adhibentur ad quantificandum modulum elasticitatis.
Post aestimationem comprehensivam methodi nanoindentationis AFM et partium eius, inter quas proprietates specilli indentationis (forma, magnitudo, et rigiditas elastica), sensibilitas (strepitus circumstans et aestimatio puncti contactus), et exempla aptationis datorum (mensurae moduli quantitativi), methodus adhibita est ad describenda exempla ultramollia commercialiter praesto ad verificanda resultata quantitativa. Hydrogel polyacrylamidis (PAAM) commercialis cum modulo elastici 1 kPa sub condicionibus hydratis probatum est utens specillo 140 nm. Singula probationis moduli et calculationum in Informatione Supplementari praebentur. Resultata ostenderunt modulum medium mensum 0.92 kPa fuisse, et %RSD et deviationem percentualem (%) a modulo noto minus quam 10% fuisse. Haec resultata confirmant accuratiam et reproducibilitatem methodi nanoindentationis AFM in hoc opere adhibitae ad mensurandos modulos materiarum ultramollium. Superficies exemplorum lehfilcon A CL et substrati basis SiHy ulterius descriptae sunt utens eadem methodo nanoindentationis AFM ad studendum modulum contactus apparentem superficiei ultramollis ut functionem profunditatis indentationis. Curvae separationis vis indentationis generatae sunt pro tribus exemplaribus cuiusque generis (n = 3; una indentatio per exemplar) sub vi 300 pN, celeritate 1 µm/s, et plena hydratione. Curva communicationis vis indentationis approximata est utens modello coni-sphaerae. Ad modulum dependentem a profunditate indentationis obtinendum, pars 40 nm lata curvae vis constituta est ad quodque incrementum 20 nm incipiendo a puncto contactus, et valores moduli ad quemque gradum curvae vis mensi sunt. Spin Cy et al. Similis modus adhibitus est ad describendum gradientem moduli penicillorum polymerici poly(lauryl methacrylatis) (P12MA) utens nanoindentatione colloidali AFM, et congruunt cum datis utentibus modello contactus Hertz. Hic modus praebet diagramma moduli contactus apparentis (kPa) contra profunditatem indentationis (nm), ut in Figura 8 monstratur, quae gradientem moduli/profunditatis contactus apparentis illustrat. Modulus elasticitatis exempli CL lehfilcon A computatus est in spatio 2-3 kPa intra superiores 100 nm exempli, ultra quod cum profunditate crescere incipit. Contra, cum substratum basis SiHy sine pellicula penicilliformi in superficie probatur, maxima profunditas indentationis ad vim 300 pN pervenit minor quam 50 nm, et valor moduli ex datis inventus est circiter 400 kPa, quod comparabile est cum valoribus moduli Youngiani pro materiis solidis.
Modulus contactus apparens (kPa) contra profunditatem indentationis (nm) pro substratis lehfilcon A CL et SiHy utens methodo nanoindentationis AFM cum geometria coni-sphaerae ad modulum metiendum.
Superficies superior novae structurae penicilli polymerici biomimetici ramosi modulum elasticitatis humilem (2-3 kPa) exhibet. Hoc cum extremo libere pendenti penicilli polymerici furcato congruet, ut in imagine STEM demonstratur. Quamquam quaedam indicia gradientis moduli in margine externo CL exstant, substratum principale moduli alti plus valet. Tamen, summa 100 nm superficiei intra 20% longitudinis totius penicilli polymerici ramosi sita est, ita rationabile est assumere valores mensuratos moduli in hoc ambitu profunditatis indentationis relative accuratos esse nec vehementer ab effectu obiecti inferioris pendere.
Ob singularem designationem biomimeticam lentium contactuum *lehfilcon A*, quae ex structuris penicillorum polymericorum PMPC ramosis in superficiem substratorum SiHy innexis constant, difficillimum est proprietates mechanicas structurarum superficialium earum certo modo describere methodis mensurae traditis. Hic methodum nanoindentationis AFM provectam proponimus ad accurate describendas materias mollissimas, ut *lefilcon A*, cum alto contento aquae et elasticitate altissima. Haec methodus innititur usu specilli AFM cuius magnitudo et geometria apicis diligenter eliguntur ut dimensionibus structuralibus superficiei mollissimae imprimendae congruant. Haec combinatio dimensionum inter specillum et structuram praebet sensibilitatem auctam, permittens nobis metiri modulum humilem et proprietates elasticas inherentes elementorum penicillorum polymericorum ramosorum, effectibus poroelasticis non obstantibus. Resultata demonstraverunt singulares penicillos polymericos PMPC ramosos, qui superficiei lentis propriae sunt, modulum elasticitatis humilem (usque ad 2 kPa) et elasticitatem altissimam (fere 100%) habuisse cum in ambiente aquoso probarentur. Eventus nanoindentationis AFM etiam nobis permiserunt ut gradientem moduli contactus apparentis/profunditatis (30 kPa/200 nm) superficiei lentis biomimeticae describeremus. Hic gradiens fortasse ex differentia moduli inter peniculos polymericos ramosos et substratum SiHy, vel ex structura ramosa/densitate peniculorum polymericorum, vel ex combinatione earum, oritur. Attamen, studia ulteriora et profundiora necessaria sunt ad plene intelligendam relationem inter structuram et proprietates, praesertim effectum ramificationis peniculorum in proprietates mechanicas. Similes mensurae adiuvare possunt ad proprietates mechanicas superficiei aliarum materiarum ultra-mollium et instrumentorum medicorum describendas.
Collectiones datorum per hoc studium generatae et/vel analysatae ab auctoribus respectivis, si rationabile petatur, praesto sunt.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. et Haugen, HJ. Reactiones biologicae ad proprietates physicas et chemicas superficierum biomateriarum. Societas Chemica. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM et Liu, X. *Emendationes biomateriarum ex homine derivatarum ad artem textuum ingeniariam.* Programmatio. Polymerum. Scientia. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. *Designatio, implementatio clinica, et responsio immunis biomateriarum in medicina regenerativa*. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK et Farr GM Methodus emendata ad duritiem et modulum elasticitatis determinandum utens experimentis indentationis cum mensuris oneris et dislocationis. J. Alma Mater. storage tank. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM. Origines historicae probationis duritiae indentationis. Alma Mater. Scientia. Technologiae. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. *Mensurae Duritiae Indentationis in Macro-, Micro-, et Nanoscala: Recensio Critica*. *Tribe*. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD et Clapperich, SM Errores detectionis superficiei ad superaestimationem moduli in nanoindentatione materiarum mollium ducunt. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR et Yahya M.Yu. *Aestimatio methodi nanoindentationis ad proprietates mechanicas nanocompositorum heterogeneorum determinandas utens methodis experimentalibus et computationalibus.* The Science. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, et Owart, TS. Characteristica mechanica gelorum viscoelasticorum mollium per indentationem et analysin inversam elementorum finitorum secundum optimizationem. J. Mecha. *Behavior*. *Biomedical Science*. *Alma Mater*. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J et Chaneler D. Optimizatio determinationis viscoelasticitatis utens systematibus mensurae congruentibus. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. et Pellillo, E. *Nanoindentatio superficierum polymericarum*. J. Physics. D. *Apply for physics*. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. et Van Vliet KJ. Descriptio proprietatum mechanicarum viscoelasticarum polymerorum valde elasticorum et textuum biologicorum utens indentatione ictus. *Acta Biomaterialium*. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM. Aestimatio moduli elastici et operis adhaesionis materiarum mollium utens methodo Borodich-Galanov (BG) extensa et indentatione profunda. Fur. Alma Mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Morphologia nanoscalaris et proprietates mechanicae superficierum polymericarum biomimeticarum lentium contactuum silicone hydrogel. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).