Ви благодариме што ја посетивте Nature.com. Користите верзија на прелистувач со ограничена CSS поддршка. За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Дополнително, за да обезбедиме континуирана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Прикажува вртелешка од три слајдови одеднаш. Користете ги копчињата „Претходно“ и „Следно“ за да се движите низ три слајдови одеднаш или користете ги лизгачките копчиња на крајот за да се движите низ три слајдови одеднаш.
Со развојот на нови ултра-меки материјали за медицински помагала и биомедицински апликации, сеопфатната карактеризација на нивните физички и механички својства е важна и предизвикувачка. Техниката на наноиндентација со модифицирана атомска силова микроскопија (AFM) беше применета за да се карактеризира екстремно нискиот површински модул на новата биомиметичка силиконска хидрогелна контактна леќа lehfilcon A, обложена со слој од разгранети полимерни четкички структури. Овој метод овозможува прецизно одредување на контактните точки без ефектите на вискозна екструзија при пристапување кон разгранети полимери. Покрај тоа, овозможува одредување на механичките карактеристики на поединечните четкички елементи без ефектот на пороеластичност. Ова се постигнува со избирање на AFM сонда со дизајн (големина на врвот, геометрија и брзина на пружина) што е особено погоден за мерење на својствата на меките материјали и биолошките примероци. Овој метод ја подобрува чувствителноста и точноста за прецизно мерење на многу мекиот материјал lehfilcon A, кој има екстремно низок модул на еластичност на површината (до 2 kPa) и екстремно висока еластичност во внатрешната (скоро 100%) водена средина. Резултатите од површинската студија не само што ги открија ултра-меките површински својства на леќата lehfilcon A, туку покажаа и дека модулот на разгранетите полимерни четки е споредлив со оној на силициум-водородната подлога. Оваа техника на карактеризација на површината може да се примени на други ултра-меки материјали и медицински помагала.
Механичките својства на материјалите дизајнирани за директен контакт со живо ткиво често се одредуваат од биолошката средина. Совршеното совпаѓање на овие својства на материјалот помага да се постигнат посакуваните клинички карактеристики на материјалот без да се предизвикаат негативни клеточни реакции1,2,3. За масовни хомогени материјали, карактеризацијата на механичките својства е релативно лесна поради достапноста на стандардни процедури и методи за тестирање (на пр., микроиндентација4,5,6). Сепак, за ултра-меки материјали како што се гелови, хидрогели, биополимери, живи клетки итн., овие методи за тестирање генерално не се применливи поради ограничувањата на резолуцијата на мерењето и нехомогеноста на некои материјали7. Со текот на годините, традиционалните методи на индентација се модифицирани и адаптирани за да карактеризираат широк спектар на меки материјали, но многу методи сè уште страдаат од сериозни недостатоци што ја ограничуваат нивната употреба8,9,10,11,12,13. Недостатокот на специјализирани методи за тестирање што можат точно и сигурно да ги карактеризираат механичките својства на супермеките материјали и површинските слоеви сериозно ја ограничува нивната употреба во различни апликации.
Во нашата претходна работа, ја претставивме контактната леќа lehfilcon A (CL), мек хетероген материјал со сите ултра-меки површински својства добиени од потенцијално биомиметички дизајни инспирирани од површината на рожницата на окото. Овој биоматеријал е развиен со калемење на разгранет, вкрстено поврзан полимерен слој од поли(2-метакрилоилоксиетилфосфорилхолин (MPC)) (PMPC) на силиконски хидрогел (SiHy) 15 дизајниран за медицински помагала базирани на. Овој процес на калемење создава слој на површината кој се состои од многу мека и високо еластична разгранета полимерна четкаста структура. Нашата претходна работа потврди дека биомиметичката структура на lehfilcon A CL обезбедува супериорни површински својства како што се подобрена превенција од навлажнување и загадување, зголемена подмачкливост и намалена адхезија на клетките и бактериите 15,16. Покрај тоа, употребата и развојот на овој биомиметички материјал сугерира и понатамошно проширување на други биомедицински помагала. Затоа, од клучно значење е да се карактеризираат површинските својства на овој ултра-мек материјал и да се разбере неговата механичка интеракција со окото со цел да се создаде сеопфатна база на знаење за поддршка на идните случувања и апликации. Повеќето комерцијално достапни SiHy контактни леќи се составени од хомогена мешавина од хидрофилни и хидрофобни полимери кои формираат униформна материјална структура17. Спроведени се неколку студии за да се испитаат нивните механички својства користејќи традиционални методи за тестирање на компресија, истегнување и микроиндентација18,19,20,21. Сепак, новиот биомиметички дизајн на lehfilcon A CL го прави уникатен хетероген материјал во кој механичките својства на разгранетите полимерни четкички структури значително се разликуваат од оние на SiHy основниот супстрат. Затоа, многу е тешко прецизно да се квантифицираат овие својства користејќи конвенционални и методи на индентација. Еден ветувачки метод го користи методот на тестирање на наноиндентација имплементиран во атомската силова микроскопија (AFM), метод што се користи за одредување на механичките својства на меките вискоеластични материјали како што се биолошките клетки и ткива, како и меките полимери22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Во AFM наноиндентацијата, основите на тестирањето на наноиндентацијата се комбинираат со најновите достигнувања во AFM технологијата за да се обезбеди зголемена чувствителност на мерење и тестирање на широк спектар на инхерентно супермеки материјали31,32,33,34,35,36. Покрај тоа, технологијата нуди и други важни предности преку употреба на различни геометрии. вдлабнувач и сонда и можност за тестирање во различни течни медиуми.
AFM наноиндентацијата може условно да се подели на три главни компоненти: (1) опрема (сензори, детектори, сонди, итн.); (2) параметри за мерење (како што се сила, поместување, брзина, големина на рампа, итн.); (3) Обработка на податоци (корекција на основната линија, проценка на точката на допир, прилагодување на податоците, моделирање, итн.). Значаен проблем со овој метод е што неколку студии во литературата што користат AFM наноиндентација известуваат за многу различни квантитативни резултати за истиот тип на примерок/клетка/материјал37,38,39,40,41. На пример, Лека и сор. Влијанието на геометријата на AFM сондата врз измерениот Јангов модул на примероци од механички хомоген хидрогел и хетерогени клетки беше проучено и споредено. Тие известуваат дека вредностите на модулот се многу зависни од изборот на конзола и обликот на врвот, со највисока вредност за пирамидална сонда и најниска вредност од 42 за сферична сонда. Слично на тоа, Селхубер-Ункел и сор. Покажано е како брзината на вдлабнувањето, големината и дебелината на примероците од полиакриламид (PAAM) влијаат на Јанговиот модул мерен со наноиндентација ACM43. Друг комплицирачки фактор е недостатокот на стандардни материјали за тестирање со екстремно низок модул и бесплатни процедури за тестирање. Ова го отежнува добивањето точни резултати со доверба. Сепак, методот е многу корисен за релативни мерења и компаративни евалуации помеѓу слични типови примероци, на пример, користење на AFM наноиндентација за разликување на нормалните клетки од клетките на ракот 44, 45.
При тестирање на меки материјали со AFM наноиндентација, општо правило е да се користи сонда со ниска константа на пружината (k) што тесно се совпаѓа со модулот на примерокот и полусферичен/кружен врв, така што првата сонда да не ги пробие површините на примерокот при првиот контакт со меките материјали. Исто така е важно сигналот на отклонување генериран од сондата да биде доволно силен за да биде детектиран од системот за ласерски детектор24,34,46,47. Во случај на ултра-меки хетерогени клетки, ткива и гелови, друг предизвик е да се надмине адхезивната сила помеѓу сондата и површината на примерокот за да се обезбедат репродуктивни и сигурни мерења48,49,50. До неодамна, поголемиот дел од работата на AFM наноиндентација се фокусираше на проучување на механичкото однесување на биолошките клетки, ткива, гелови, хидрогелови и биомолекули користејќи релативно големи сферични сонди, вообичаено наречени колоидни сонди (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Овие врвови имаат радиус од 1 до 50 µm и најчесто се направени од боросиликатно стакло, полиметил метакрилат (PMMA), полистирен (PS), силициум диоксид (SiO2) и дијамантски сличен јаглерод (DLC). Иако CP-AFM наноиндентацијата е често првиот избор за карактеризација на меки примероци, таа има свои проблеми и ограничувања. Употребата на големи сферични врвови со големина на микрон ја зголемува вкупната контактна површина на врвот со примерокот и резултира со значително губење на просторната резолуција. За меки, нехомогени примероци, каде што механичките својства на локалните елементи може значително да се разликуваат од просекот на поширока површина, CP индентацијата може да ја скрие секоја нехомогеност во својствата на локално ниво52. Колоидните сонди обично се прават со прицврстување на колоидни сфери со големина на микрон на конзоли без врв со употреба на епоксидни лепила. Самиот процес на производство е полн со многу проблеми и може да доведе до недоследности во процесот на калибрација на сондата. Покрај тоа, големината и масата на колоидните честички директно влијаат на главните параметри за калибрација на конзолата, како што се резонантната фреквенција, цврстината на пружината и чувствителноста на отклонување56,57,58. Така, најчесто користените методи за конвенционални AFM сонди, како што е калибрацијата на температурата, може да не обезбедат точна калибрација за CP, и може да бидат потребни други методи за извршување на овие корекции57, 59, 60, 61. Типичните CP експерименти за вдлабнување користат конзола со големи девијации за да ги проучат својствата на меките примероци, што создава уште еден проблем при калибрирање на нелинеарното однесување на конзолата при релативно големи девијации62,63,64. Современите методи за вдлабнување на колоидна сонда обично ја земаат предвид геометријата на конзолата што се користи за калибрирање на сондата, но го игнорираат влијанието на колоидните честички, што создава дополнителна неизвесност во точноста на методот38,61. Слично на тоа, модулите на еластичност пресметани со вклопување на контактниот модел се директно зависни од геометријата на сондата за вдлабнување, а несовпаѓањето помеѓу карактеристиките на врвот и површината на примерокот може да доведе до неточности27, 65, 66, 67, 68. Некои неодамнешни трудови од Спенсер и сор. Факторите што треба да се земат предвид при карактеризирање на четки од мек полимер со користење на методот на нановдлабнување CP-AFM се истакнати. Тие објавија дека задржувањето на вискозна течност во четките од полимер како функција на брзината резултира со зголемување на оптоварувањето на главата и оттука различни мерења на својствата зависни од брзината30,69,70,71.
Во оваа студија, го карактеризиравме површинскиот модул на ултра-мекиот, високо еластичен материјал lehfilcon A CL користејќи модифициран AFM метод на наноиндентација. Со оглед на својствата и новата структура на овој материјал, опсегот на чувствителност на традиционалниот метод на индентација е очигледно недоволен за да се карактеризира модулот на овој екстремно мек материјал, па затоа е потребно да се користи AFM метод на наноиндентација со поголема чувствителност и пониско ниво на чувствителност. Откако ги разгледавме недостатоците и проблемите на постојните техники за наноиндентација со колоидна AFM сонда, покажуваме зошто избравме помала, специјално дизајнирана AFM сонда за да ја елиминираме чувствителноста, позадинскиот шум, да ја одредиме точката на контакт, да го измериме модулот на брзината на меките хетерогени материјали, како што е зависноста од задржување на течности, и да ја прецизниме квантификацијата. Покрај тоа, бевме во можност прецизно да ја измериме формата и димензиите на врвот на индентација, што ни овозможи да го користиме моделот на вклопување конус-сфера за да го одредиме модулот на еластичност без да ја процениме контактната површина на врвот со материјалот. Двете имплицитни претпоставки што се квантификуваат во оваа работа се целосно еластичните својства на материјалот и модулот независен од длабочината на индентација. Користејќи го овој метод, прво тестиравме ултра-меки стандарди со познат модул за да го квантифицираме методот, а потоа го користевме овој метод за да ги карактеризираме површините на два различни материјали за контактни леќи. Се очекува овој метод за карактеризирање на AFM наноиндентациски површини со зголемена чувствителност да биде применлив за широк спектар на биомиметички хетерогени ултра-меки материјали со потенцијална употреба во медицински помагала и биомедицински апликации.
Контактните леќи Lehfilcon A (Alcon, Форт Ворт, Тексас, САД) и нивните силиконски хидрогел супстрати беа избрани за експерименти со наноиндентација. Во експериментот беше користен специјално дизајниран држач за леќи. За да се инсталира леќата за тестирање, таа беше внимателно поставена на држачот во облик на купола, осигурувајќи се дека нема воздушни меурчиња внатре, а потоа фиксирана со рабовите. Дупка во прицврстувачот на врвот од држачот на леќата овозможува пристап до оптичкиот центар на леќата за експерименти со наноиндентација, додека течноста се држи на место. Ова ги одржува леќите целосно хидрирани. 500 μl раствор за пакување на контактни леќи беше користен како раствор за тестирање. За да се потврдат квантитативните резултати, беа подготвени комерцијално достапни неактивни полиакриламидни (PAAM) хидрогели од состав на полиакриламид-ко-метилен-бисакриламид (100 mm Petrisoft Petri садови, Matrigen, Irvine, CA, САД), познат модул на еластичност од 1 kPa. Користете 4-5 капки (приближно 125 µl) фосфатен пуферски солен раствор (PBS од Corning Life Sciences, Тјуксбери, Масачусетс, САД) и 1 капка раствор за контактни леќи OPTI-FREE Puremoist (Алкон, Вод, Тексас, САД).) на интерфејсот AFM хидрогел-сонда.
Примери од супстратите Lehfilcon A CL и SiHy беа визуелизирани со помош на систем FEI Quanta 250 Field Emission Electron Scanning Microscope (FEG SEM) опремен со детектор за скенирање и трансмисија на електронски микроскоп (STEM). За да се подготват примероците, леќите прво беа измиени со вода и исечени на клинови во форма на пита. За да се постигне диференцијален контраст помеѓу хидрофилните и хидрофобните компоненти на примероците, како боја беше користен 0,10% стабилизиран раствор на RuO4, во кој примероците беа потопени 30 минути. Боењето со lehfilcon A CL RuO4 е важно не само за да се постигне подобрен диференцијален контраст, туку и помага да се зачува структурата на разгранетите полимерни четки во нивната оригинална форма, кои потоа се видливи на STEM сликите. Потоа беа измиени и дехидрирани во серија мешавини од етанол/вода со зголемена концентрација на етанол. Примероците потоа беа излиени со EMBed 812/Araldite епоксид, кој се стврднуваше преку ноќ на 70°C. Блоковите од примероци добиени со полимеризација на смола беа исечени со ултрамикротом, а добиените тенки делови беа визуелизирани со STEM детектор во режим на низок вакуум при забрзувачки напон од 30 kV. Истиот SEM систем беше користен за детална карактеризација на PFQNM-LC-A-CAL AFM сондата (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA). SEM сликите од AFM сондата беа добиени во типичен режим на висок вакуум со забрзувачки напон од 30 kV. Снимете слики под различни агли и зголемувања за да ги снимите сите детали за обликот и големината на врвот на AFM сондата. Сите димензии на врвот од интерес на сликите беа дигитално измерени.
За визуелизација и наноиндентација на примероци од lehfilcon A CL, SiHy супстрат и PAAm хидрогел беше користен атомски силовен микроскоп Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорнија, САД) со режим „PeakForce QNM in Fluid“. За експерименти со снимање, беше користена сонда PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) со номинален радиус на врвот од 1 nm за снимање слики од примерокот со висока резолуција со брзина на скенирање од 0,50 Hz. Сите слики беа направени во воден раствор.
Експериментите со AFM наноиндентација беа спроведени со употреба на сонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). AFM сондата има силиконски врв на нитридна конзола со дебелина од 345 nm, должина од 54 µm и ширина од 4,5 µm со резонантна фреквенција од 45 kHz. Таа е специјално дизајнирана да карактеризира и да извршува квантитативни наномеханички мерења на меки биолошки примероци. Сензорите се индивидуално калибрирани во фабриката со претходно калибрирани поставки на пружината. Константите на пружината на сондите што се користеа во оваа студија беа во опсег од 0,05–0,1 N/m. За прецизно одредување на обликот и големината на врвот, сондата беше детално карактеризирана со употреба на SEM. На сл. Слика 1а покажува скенирачка електронска микрографија со висока резолуција и ниско зголемување на сондата PFQNM-LC-A-CAL, обезбедувајќи холистички поглед на дизајнот на сондата. На сл. 1б е прикажан зголемен поглед на врвот на врвот на сондата, обезбедувајќи информации за обликот и големината на врвот. На крајниот крај, иглата е хемисфера со дијаметар од околу 140 nm (сл. 1в). Под ова, врвот се стеснува во конусна форма, достигнувајќи измерена должина од приближно 500 nm. Надвор од стеснувачкиот регион, врвот е цилиндричен и завршува со вкупна должина на врвот од 1,18 µm. Ова е главниот функционален дел од врвот на сондата. Покрај тоа, за тестирање како колоидна сонда беше користена и голема сферична сонда од полистирен (PS) (Novascan Technologies, Inc., Бун, Ајова, САД) со дијаметар на врвот од 45 µm и константа на пружина од 2 N/m, со сонда PFQNM-LC-A-CAL 140 nm за споредба.
Објавено е дека течноста може да се зароби помеѓу AFM сондата и структурата на полимерната четка за време на наноиндентацијата, што ќе изврши сила нагоре врз AFM сондата пред таа всушност да ја допре површината69. Овој вискозен ефект на екструзија поради задржување на течности може да ја промени очигледната точка на контакт, со што ќе влијае на мерењата на површинскиот модул. За да се проучи ефектот на геометријата на сондата и брзината на индентација врз задржувањето на течности, кривите на силата на индентација беа исцртани за примероци од lehfilcon A CL користејќи сонда со дијаметар од 140 nm при константни стапки на поместување од 1 µm/s и 2 µm/s. Дијаметар на сондата 45 µm, фиксна сила поставена 6 nN постигната при 1 µm/s. Експериментите со сонда со дијаметар од 140 nm беа извршени со брзина на индентација од 1 µm/s и поставена сила од 300 pN, избрана за да се создаде контактен притисок во физиолошкиот опсег (1-8 kPa) на горниот очен капак. притисок 72. Меки готови примероци од PAA хидрогел со притисок од 1 kPa беа тестирани за сила на вдлабнување од 50 pN при брзина од 1 μm/s со помош на сонда со дијаметар од 140 nm.
Бидејќи должината на конусниот дел од врвот на сондата PFQNM-LC-A-CAL е приближно 500 nm, за која било длабочина на вдлабнување < 500 nm може безбедно да се претпостави дека геометријата на сондата за време на вдлабнувањето ќе остане верна на нејзината конусна форма. Покрај тоа, се претпоставува дека површината на материјалот што се тестира ќе покаже реверзибилен еластичен одговор, што исто така ќе биде потврдено во следните делови. Затоа, во зависност од обликот и големината на врвот, го избравме моделот за вклопување конус-сфера развиен од Бриско, Себастијан и Адамс, кој е достапен во софтверот на продавачот, за да ги обработиме нашите AFM експерименти за нановдлабнување (NanoScope). Софтвер за анализа на податоци за сепарација, Bruker) 73. Моделот го опишува односот сила-поместување F(δ) за конус со сферичен дефект на врвот. На сл. Слика 2 ја прикажува геометријата на контактот за време на интеракцијата на крут конус со сферичен врв, каде што R е радиусот на сферичниот врв, a е радиусот на контактот, b е радиусот на контактот на крајот од сферичниот врв, δ е радиусот на контактот. Длабочина на вдлабнување, θ е полуаголот на конусот. SEM сликата од оваа сонда јасно покажува дека сферичниот врв со дијаметар од 140 nm се спојува тангенцијално во конус, па затоа тука b е дефинирано само преку R, т.е. b = R cos θ. Софтверот испорачан од продавачот обезбедува однос конус-сфера за пресметување на вредностите на Јанговиот модул (E) од податоците за раздвојување на силата претпоставувајќи a > b. Однос:
каде што F е силата на вдлабнување, E е Јанговиот модул, ν е Пуасоновиот однос. Радиусот на контакт a може да се процени со помош на:
Шема на контактната геометрија на крут конус со сферичен врв притиснат во материјалот на контактната леќа Lefilcon со површински слој од разгранети полимерни четки.
Ако a ≤ b, релацијата се сведува на равенката за конвенционален сферичен вовлекувач;
Веруваме дека интеракцијата на вдлабнувачката сонда со разгранетата структура на PMPC полимерната четка ќе предизвика контактниот радиус a да биде поголем од сферичниот контактен радиус b. Затоа, за сите квантитативни мерења на модулот на еластичност извршени во оваа студија, ја користевме зависноста добиена за случајот a > b.
Ултрамеките биомиметички материјали проучувани во оваа студија беа сеопфатно сликани со помош на скенирачка трансмисиона електронска микроскопија (STEM) на пресекот на примерокот и атомска силова микроскопија (AFM) на површината. Оваа детална карактеризација на површината беше извршена како продолжение на нашата претходно објавена работа, во која утврдивме дека динамички разгранетата полимерна четкаста структура на површината на PMPC-модифицираната lehfilcon A CL површина покажува слични механички својства како и природното ткиво на рожницата 14. Поради оваа причина, површините на контактните леќи ги нарекуваме биомиметички материјали 14. На сл. 3a, b се прикажани пресеци на разгранети PMPC полимерни четкасти структури на површината на lehfilcon A CL супстрат и нетретирана SiHy супстрат, соодветно. Површините на двата примерока беа дополнително анализирани со помош на AFM слики со висока резолуција, што дополнително ги потврди резултатите од STEM анализата (Сл. 3c, d). Земени заедно, овие слики даваат приближна должина на PMPC разгранетата полимерна четкаста структура на 300-400 nm, што е клучно за толкување на мерењата на AFM наноиндентацијата. Друго клучно набљудување изведено од сликите е дека целокупната површинска структура на CL биомиметичкиот материјал е морфолошки различна од онаа на SiHy супстратниот материјал. Оваа разлика во нивната површинска морфологија може да стане очигледна за време на нивната механичка интеракција со вдлабнатата AFM сонда, а последователно и во измерените вредности на модулот.
STEM слики од пресек на (a) lehfilcon A CL и (b) SiHy супстрат. Скала, 500 nm. AFM слики од површината на lehfilcon A CL супстратот (c) и основниот SiHy супстрат (d) (3 µm × 3 µm).
Биоинспирираните полимери и полимерните четкички структури се по својата природа меки и се широко проучувани и користени во различни биомедицински апликации74,75,76,77. Затоа, важно е да се користи AFM наноиндентациски метод, кој може прецизно и сигурно да ги измери нивните механички својства. Но, во исто време, уникатните својства на овие ултра-меки материјали, како што се екстремно нискиот модул на еластичност, високата содржина на течност и високата еластичност, честопати го отежнуваат изборот на вистинскиот материјал, облик и големина на сондата за индентирање. Ова е важно за да не се пробие индентерот во меката површина на примерокот, што би довело до грешки при одредувањето на точката на контакт со површината и површината на контакт.
За ова, од суштинско значење е сеопфатно разбирање на морфологијата на ултра-меките биомиметички материјали (lehfilcon A CL). Информациите за големината и структурата на разгранетите полимерни четки добиени со користење на методот на снимање даваат основа за механичка карактеризација на површината со користење на техники на AFM наноиндентација. Наместо сферични колоидни сонди со големина на микрон, ја избравме PFQNM-LC-A-CAL силициум нитридна сонда (Bruker) со дијаметар на врвот од 140 nm, специјално дизајнирана за квантитативно мапирање на механичките својства на биолошките примероци 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Образложението за користење на релативно остри сонди во споредба со конвенционалните колоидни сонди може да се објасни со структурните карактеристики на материјалот. Споредувајќи ја големината на врвот на сондата (~140 nm) со разгранетите полимерни четки на површината на CL lehfilcon A, прикажана на Сл. 3а, може да се заклучи дека врвот е доволно голем за да дојде во директен контакт со овие четкички структури, што ја намалува можноста врвот да пробие низ нив. За да се илустрира оваа поента, на Сл. 4 е прикажана STEM слика од lehfilcon A CL и вдлабнатиот врв на AFM сондата (насликана во размер).
Шема која ја прикажува STEM сликата од lehfilcon A CL и ACM сонда за вдлабнување (нацртана во размер).
Покрај тоа, големината на врвот од 140 nm е доволно мала за да се избегне ризикот од кој било од ефектите на леплива екструзија претходно објавени за полимерни четки произведени со методот на наноиндентација CP-AFM69,71. Претпоставуваме дека поради посебната конусно-сферична форма и релативно малата големина на овој AFM врв (Сл. 1), природата на кривата на сила генерирана од наноиндентацијата lehfilcon A CL нема да зависи од брзината на индентација или брзината на вчитување/растоварување. Затоа, таа не е под влијание на пороеластичните ефекти. За да се тестира оваа хипотеза, примероците од lehfilcon A CL беа индентирани со фиксна максимална сила користејќи сонда PFQNM-LC-A-CAL, но со две различни брзини, а добиените криви на сила на затегнување и повлекување беа искористени за да се исцрта силата (nN) во одвојување (µm) е прикажано на Слика 5а. Јасно е дека кривите на силата за време на товарењето и истоварувањето целосно се преклопуваат, и нема јасен доказ дека силата на смолкнување при нулта длабочина на вдлабнување се зголемува со брзината на вдлабнување на сликата, што укажува дека поединечните четкасти елементи се карактеризирани без пороеластичен ефект. Спротивно на тоа, ефектите на задржување на течности (вискозна екструзија и ефекти на пороеластичност) се очигледни за AFM сондата со дијаметар од 45 µm при иста брзина на вдлабнување и се истакнуваат со хистерезис помеѓу кривите на истегнување и повлекување, како што е прикажано на Слика 5б. Овие резултати ја поддржуваат хипотезата и сугерираат дека сондите со дијаметар од 140 nm се добар избор за карактеризирање на такви меки површини.
Криви на силата на вдлабнување на lehfilcon A CL со употреба на ACM; (а) со употреба на сонда со дијаметар од 140 nm при две брзини на оптоварување, што покажува отсуство на пороеластичен ефект за време на површинското вдлабнување; (б) со употреба на сонди со дијаметар од 45 µm и 140 nm. s ги покажуваат ефектите на вискозна екструзија и пороеластичност за големи сонди во споредба со помали сонди.
За да се карактеризираат ултрамеките површини, методите за наноиндентација на AFM мора да имаат најдобра сонда за проучување на својствата на материјалот што се проучува. Покрај обликот и големината на врвот, чувствителноста на системот за детекција на AFM, чувствителноста на отклонувањето на врвот во тест-средината и конзолната цврстина играат важна улога во одредувањето на точноста и сигурноста на мерењата на наноиндентација. За нашиот AFM систем, границата на детекција на детекторот чувствителен на позиција (PSD) е приближно 0,5 mV и се базира на претходно калибрираната брзина на пружината и пресметаната чувствителност на отклонување на флуидот на сондата PFQNM-LC-A-CAL, што одговара на теоретската чувствителност на оптоварување. Затоа, овој метод овозможува мерење на минимална сила на индентација ≤ 0,1 pN без никаква периферна компонента на шум. Сепак, речиси е невозможно AFM системот да го намали периферниот шум на ова ниво поради фактори како што се механички вибрации и динамика на флуиди. Овие фактори ја ограничуваат целокупната чувствителност на методот на AFM наноиндентација, а исто така резултираат со сигнал за фонова бучава од приближно ≤ 10 pN. За карактеризација на површината, примероците од супстратот lehfilcon A CL и SiHy беа индентирани под целосно хидрирани услови со помош на сонда од 140 nm за карактеризација на SEM, а добиените криви на сила беа надредени помеѓу силата (pN) и притисокот. Графиконот на раздвојување (µm) е прикажан на Слика 6a. Во споредба со основниот супстрат SiHy, кривата на силата на lehfilcon A CL јасно покажува преодна фаза што започнува во точката на контакт со разгранетата полимерна четка и завршува со остра промена во наклонот што означува контакт на врвот со основниот материјал. Овој преоден дел од кривата на сила го истакнува навистина еластичното однесување на разгранетата полимерна четка на површината, што е потврдено од кривата на компресија што внимателно ја следи кривата на затегнување и контрастот во механичките својства помеѓу структурата на четката и гломазниот SiHy материјал. При споредување на lefilcon. Разделувањето на просечната должина на разгранета полимерна четка на STEM сликата на PCS (сл. 3а) и нејзината крива на сила по должината на апсцисата на сл. 3а. 6а покажува дека методот е способен да го детектира врвот и разгранетиот полимер што достигнуваат до самиот врв на површината. Контакт помеѓу структурите на четката. Покрај тоа, блиското преклопување на кривите на силата не укажува на ефект на задржување на течноста. Во овој случај, апсолутно нема адхезија помеѓу иглата и површината на примерокот. Најгорните делови од кривите на силата за двата примерока се преклопуваат, што ја одразува сличноста на механичките својства на материјалите на подлогата.
(a) AFM криви на сила на наноиндентација за lehfilcon A CL супстрати и SiHy супстрати, (b) криви на сила што ја прикажуваат проценката на контактната точка користејќи го методот на праг на фонова бучава.
За да се проучат пофините детали од кривата на сила, кривата на затегнување на примерокот lehfilcon A CL е прецртана на Сл. 6б со максимална сила од 50 pN по y-оската. Овој графикон дава важни информации за оригиналниот шум во позадина. Шумот е во опсег од ±10 pN, што се користи за прецизно одредување на точката на контакт и пресметување на длабочината на вдлабнување. Како што е објавено во литературата, идентификацијата на точките на контакт е клучна за прецизно проценување на својствата на материјалот како што е модулот85. Пристапот што вклучува автоматска обработка на податоците од кривата на сила покажа подобрено вклопување помеѓу вклопувањето на податоците и квантитативните мерења за меки материјали86. Во оваа работа, нашиот избор на точки на контакт е релативно едноставен и објективен, но има свои ограничувања. Нашиот конзервативен пристап кон одредувањето на точката на контакт може да резултира со малку преценети вредности на модулот за помали длабочини на вдлабнување (< 100 nm). Употребата на детекција на точки на допир базирана на алгоритам и автоматизирана обработка на податоци би можела да биде продолжение на оваа работа во иднина за понатамошно подобрување на нашиот метод. Според тоа, за внатрешен фоничен шум од редот на ±10 pN, ја дефинираме контактната точка како прва точка на податоци на x-оската на Слика 6б со вредност од ≥10 pN. Потоа, во согласност со прагот на шум од 10 pN, вертикална линија на ниво од ~0,27 µm ја означува точката на контакт со површината, по што кривата на истегнување продолжува сè додека подлогата не ја достигне длабочината на вдлабнување од ~270 nm. Интересно е што, врз основа на големината на карактеристиките на разгранетата полимерна четка (300-400 nm) измерени со методот на снимање, длабочината на вдлабнување на примерокот CL lehfilcon A набљудуван со методот на праг на фоничен шум е околу 270 nm, што е многу блиску до големината на мерењето со STEM. Овие резултати дополнително ја потврдуваат компатибилноста и применливоста на обликот и големината на врвот на AFM сондата за вдлабнување на оваа многу мека и високо еластична структура на разгранета полимерна четка. Овие податоци, исто така, даваат силни докази за поддршка на нашиот метод за користење на фоничен шум како праг за прецизно одредување на контактните точки. Според тоа, сите квантитативни резултати добиени од математичко моделирање и прилагодување на кривата на сила треба да бидат релативно точни.
Квантитативните мерења со AFM методите на наноиндентација се целосно зависни од математичките модели што се користат за избор на податоци и последователна анализа. Затоа, важно е да се земат предвид сите фактори поврзани со изборот на вдлабнувач, својствата на материјалот и механиката на нивната интеракција пред да се избере одреден модел. Во овој случај, геометријата на врвот беше внимателно карактеризирана со SEM микрографии (Сл. 1), и врз основа на резултатите, AFM наноиндентирачката сонда со дијаметар од 140 nm со тврд конус и сферична геометрија на врвот е добар избор за карактеризирање на примероците од lehfilcon A CL79. Друг важен фактор што треба внимателно да се оцени е еластичноста на полимерниот материјал што се тестира. Иако почетните податоци од наноиндентацијата (Сл. 5а и 6а) јасно ги истакнуваат карактеристиките на преклопувањето на кривите на затегнување и компресија, т.е. целосното еластично закрепнување на материјалот, исклучително е важно да се потврди чисто еластичната природа на контактите. За таа цел, беа извршени две последователни вдлабнувања на истата локација на површината на примерокот lehfilcon A CL со брзина на вдлабнување од 1 µm/s под услови на целосна хидратација. Добиените податоци од кривата на сила се прикажани на сл. 7 и, како што се очекуваше, кривите на експанзија и компресија на двата отпечатоци се речиси идентични, истакнувајќи ја високата еластичност на структурата на разгранетата полимерна четка.
Две криви на силата на вдлабнување на истата локација на површината на lehfilcon A CL ја означуваат идеалната еластичност на површината на леќата.
Врз основа на информациите добиени од SEM и STEM слики од врвот на сондата и површината на lehfilcon A CL, соодветно, моделот конус-сфера е разумна математичка репрезентација на интеракцијата помеѓу врвот на AFM сондата и мекиот полимерен материјал што се тестира. Покрај тоа, за овој модел конус-сфера, фундаменталните претпоставки за еластичните својства на отпечатениот материјал важат за овој нов биомиметички материјал и се користат за квантифицирање на модулот на еластичност.
По сеопфатна евалуација на методот на AFM наноиндентација и неговите компоненти, вклучувајќи ги својствата на сондата за индентација (форма, големина и цврстина на пружината), чувствителност (проценка на бучавата во позадина и точката на контакт) и моделите за вклопување на податоците (квантитативни мерења на модулот), беше користен методот. Карактеризирајте ги комерцијално достапните ултра-меки примероци за да ги потврдите квантитативните резултати. Комерцијален полиакриламиден (PAAM) хидрогел со модул на еластичност од 1 kPa беше тестиран под хидрирани услови со помош на сонда од 140 nm. Детали за тестирањето на модулот и пресметките се дадени во Дополнителните информации. Резултатите покажаа дека просечниот измерен модул бил 0,92 kPa, а %RSD и процентното (%) отстапување од познатиот модул биле помали од 10%. Овие резултати ја потврдуваат точноста и репродуктивноста на методот на AFM наноиндентација што се користи во оваа работа за мерење на модулите на ултра-меките материјали. Површините на примероците од lehfilcon A CL и основниот супстрат од SiHy беа дополнително карактеризирани со користење на истиот метод на AFM наноиндентација за да се проучи очигледниот модул на контакт на ултрамеката површина како функција од длабочината на индентација. Кривите на раздвојување на силата на индентација беа генерирани за три примероци од секој тип (n = 3; една индентација по примерок) при сила од 300 pN, брзина од 1 µm/s и целосна хидратација. Кривата на споделување на силата на индентација беше апроксимирана со користење на модел на конус-сфера. За да се добие модул зависен од длабочината на индентација, дел од кривата на сила со ширина од 40 nm беше поставен на секој инкремент од 20 nm почнувајќи од точката на контакт, и измерени вредности на модулот на секој чекор од кривата на сила. Spin Cy et al. Сличен пристап е користен за карактеризирање на градиентот на модулот на четките од поли(лаурил метакрилат) (P12MA) од полимер користејќи колоидна AFM наноиндентација со сонда, и тие се во согласност со податоците користејќи го моделот на контакт на Hertz. Овој пристап дава графикон на очигледниот модул на контакт (kPa) наспроти длабочината на вдлабнување (nm), како што е прикажано на Слика 8, што го илустрира градиентот на очигледниот модул на контакт/длабочина. Пресметаниот модул на еластичност на примерокот CL lehfilcon A е во опсег од 2–3 kPa во горните 100 nm од примерокот, над кој почнува да се зголемува со длабочина. Од друга страна, при тестирање на основната подлога SiHy без четкаст филм на површината, максималната длабочина на вдлабнување постигната со сила од 300 pN е помала од 50 nm, а вредноста на модулот добиена од податоците е околу 400 kPa, што е споредливо со вредностите на Јанговиот модул за материјали во масив.
Очигледен модул на контакт (kPa) наспроти длабочина на вдлабнување (nm) за lehfilcon A CL и SiHy подлоги со користење на AFM наноиндентационен метод со геометрија на конус-сфера за мерење на модулот.
Најгорната површина на новата биомиметичка структура на разгранета полимерна четка покажува екстремно низок модул на еластичност (2–3 kPa). Ова ќе се совпадне со слободно висечкиот крај на разгранетата полимерна четка како што е прикажано на STEM сликата. Иако постојат некои докази за градиент на модулот на надворешниот раб на CL, главната подлога со висок модул е ​​повлијателна. Сепак, горните 100 nm од површината се во рамките на 20% од вкупната должина на разгранетата полимерна четка, па затоа е разумно да се претпостави дека измерените вредности на модулот во овој опсег на длабочина на вдлабнување се релативно точни и не зависат силно од ефектот на долниот објект.
Поради уникатниот биомиметички дизајн на контактните леќи lehfilcon A, кои се состојат од разгранети PMPC полимерни четкички структури накалемени на површината на SiHy подлоги, многу е тешко сигурно да се карактеризираат механичките својства на нивните површински структури со користење на традиционални методи на мерење. Овде претставуваме напреден AFM наноиндентациски метод за прецизно карактеризирање на ултра-меки материјали како што е lefilcon A со висока содржина на вода и екстремно висока еластичност. Овој метод се базира на употреба на AFM сонда чија големина на врвот и геометрија се внимателно избрани за да одговараат на структурните димензии на ултра-меките површински карактеристики што треба да се втиснат. Оваа комбинација на димензии помеѓу сондата и структурата обезбедува зголемена чувствителност, овозможувајќи ни да го измериме нискиот модул и вродените еластични својства на разгранетите полимерни четкички, без оглед на пороеластичните ефекти. Резултатите покажаа дека уникатните разгранети PMPC полимерни четкички карактеристични за површината на леќата имале екстремно низок модул на еластичност (до 2 kPa) и многу висока еластичност (речиси 100%) кога се тестирале во водена средина. Резултатите од AFM наноиндентацијата ни овозможија да го карактеризираме и очигледниот градиент на контактниот модул/длабочина (30 kPa/200 nm) на површината на биомиметичката леќа. Овој градиент може да се должи на разликата во модулот помеѓу разгранетите полимерни четки и SiHy подлогата, или на разгранетата структура/густина на полимерните четки, или на нивна комбинација. Сепак, потребни се понатамошни длабински студии за целосно да се разбере односот помеѓу структурата и својствата, особено ефектот на разгранувањето на четките врз механичките својства. Слични мерења можат да помогнат во карактеризирањето на механичките својства на површината на други ултра-меки материјали и медицински помагала.
Групите податоци генерирани и/или анализирани за време на тековната студија се достапни од соодветните автори по разумно барање.
Рахмати, М., Силва, ЕА, Резеланд, ЏЕ, Хејвард, К. и Хауген, ХЈ Биолошки реакции на физичките и хемиските својства на површините на биоматеријалите. Chemical. society. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Чен, ФМ и Лиу, Х. Подобрување на биоматеријали добиени од човекот за ткивно инженерство. програмирање. полимер. науката. 53, 86 (2016).
Садлер, К. и др. Дизајн, клиничка имплементација и имунолошки одговор на биоматеријали во регенеративната медицина. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Оливер ВК и Фар ГМ. Подобрен метод за одредување на тврдоста и модулот на еластичност со користење на експерименти со вдлабнување со мерења на оптоварување и поместување. J. Alma mater. резервоар за складирање. 7, 1564–1583 (2011).
Воли, СМ Историско потекло на тестирањето на тврдоста при вдлабнување. алма матер. науката. технологии. 28, 1028–1044 (2012).
Бројтман, Е. Мерења на тврдоста на вдлабнување на макро-, микро- и наноскала: Критички преглед. племе. Рајт. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD и Clapperich, SM Грешките при детекција на површината доведуваат до преценување на модулот при наноиндентација на меки материјали. J. Mecha. Однесување. Биомедицински науки. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колоор ССР, Ајатолахи МР, Бушроа АР и Јахја М.Ју. Евалуација на методот на наноиндентација за одредување на механичките карактеристики на хетерогени нанокомпозити со употреба на експериментални и пресметковни методи. науката. Куќа 9, 15763 (2019).
Лиу, К., ВанЛендингем, МР, и Оварт, ТС Механичка карактеризација на меки вискоеластични гелови со инверзна анализа на конечни елементи базирана на вдлабнување и оптимизација. J. Mecha. Однесување. Биомедицински науки. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Ендрјус ЏВ, Бовен Џ и Шанелер Д. Оптимизација на одредувањето на вискоеластичноста со користење на компатибилни мерни системи. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Бриско, БЈ, Фиори, Л. и Пелило, Е. Наноиндентација на полимерни површини. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Мијаилович А.С., Цин Б., Фортунато Д. и Ван Влит К.Ј. Карактеризација на вискоеластичните механички својства на високоеластичните полимери и биолошките ткива со употреба на шок-индентација. Весник за биоматеријали. 71, 388–397 (2018).
Перепелкин Н.В., Ковалев А.Е., Горб С.Н., Бородич Ф.М. Евалуација на модулот на еластичност и работата на адхезија на меки материјали со користење на проширениот метод Бородич-Галанов (БГ) и длабоко вдлабнување. крзно. алма матер. 129, 198–213 (2019).
Ши, Х. и др. Наноскална морфологија и механички својства на биомиметички полимерни површини на силиконски хидрогел контактни леќи. Лангмур 37, 13961–13967 (2021).