Nature.com сайтад зочилсонд баярлалаа. Та хязгаарлагдмал CSS дэмжлэгтэй хөтчийн хувилбарыг ашиглаж байна. Хамгийн сайн туршлагын тулд бид танд шинэчлэгдсэн хөтчийг ашиглахыг зөвлөж байна (эсвэл Internet Explorer дээр Тохиромжтой байдлын горимыг идэвхгүй болгох). Үүнээс гадна, тасралтгүй дэмжлэгийг хангахын тулд бид сайтыг хэв маяг болон JavaScriptгүйгээр харуулдаг.
Гурван слайдын тойруулгыг нэг дор харуулна. Өмнөх болон Дараагийн товчлууруудыг ашиглан нэг дор гурван слайдаар шилжих эсвэл төгсгөлд байгаа гулсагч товчлууруудыг ашиглан нэг дор гурван слайдаар шилжих боломжтой.
Эмнэлгийн хэрэгсэл болон биоанагаахын хэрэглээнд зориулсан шинэ хэт зөөлөн материалыг боловсруулснаар тэдгээрийн физик болон механик шинж чанарыг цогцоор нь тодорхойлох нь чухал бөгөөд бэрхшээлтэй асуудал болж байна. Салаалсан полимер сойз бүтцийн давхаргаар бүрсэн шинэ lehfilcon A биомиметик силикон гидрогель контакт линзний маш бага гадаргуугийн модулийг тодорхойлохын тулд өөрчлөгдсөн атомын хүчний микроскоп (AFM) наноиндентацийн аргыг хэрэглэсэн. Энэ арга нь салаалсан полимерүүдэд ойртох үед наалдамхай шахалтын нөлөөгүйгээр холбоо барих цэгүүдийг нарийн тодорхойлох боломжийг олгодог. Үүнээс гадна, энэ нь нүх сүвний уян хатан чанарын нөлөөгүйгээр сойзны бие даасан элементүүдийн механик шинж чанарыг тодорхойлох боломжийг олгодог. Үүнийг зөөлөн материал болон биологийн дээжийн шинж чанарыг хэмжихэд онцгой тохиромжтой загвартай (үзүүрийн хэмжээ, геометр, пүршний хурд) AFM датчик сонгох замаар хийдэг. Энэ арга нь гадаргуугийн талбай дээр маш бага уян хатан модультай (2 кПа хүртэл), дотоод (бараг 100%) усан орчинд маш өндөр уян хатан чанартай маш зөөлөн материал болох lehfilcon A-г нарийн хэмжих мэдрэмж, нарийвчлалыг сайжруулдаг. Гадаргуугийн судалгааны үр дүнгээс харахад lehfilcon A линзний хэт зөөлөн гадаргуугийн шинж чанарыг илрүүлээд зогсохгүй салаалсан полимер багсны модуль нь цахиур-устөрөгчийн суурьтай харьцуулах боломжтой болохыг харуулсан. Энэхүү гадаргуугийн шинж чанарыг тодорхойлох аргыг бусад хэт зөөлөн материал болон эмнэлгийн хэрэгсэлд хэрэглэж болно.
Амьд эдтэй шууд харьцах зориулалттай материалын механик шинж чанарыг ихэвчлэн биологийн орчноос тодорхойлдог. Эдгээр материалын шинж чанаруудын төгс зохицол нь эсийн сөрөг хариу урвал үүсгэхгүйгээр материалын хүссэн клиник шинж чанарыг олж авахад тусалдаг1,2,3. Нэг төрлийн материалын хувьд механик шинж чанарыг тодорхойлох нь стандарт журам, туршилтын аргууд (жишээлбэл, микроиндентаци4,5,6) байгаа тул харьцангуй хялбар байдаг. Гэсэн хэдий ч гель, гидрогель, биополимер, амьд эс гэх мэт хэт зөөлөн материалын хувьд эдгээр туршилтын аргууд нь хэмжилтийн нягтралын хязгаарлалт болон зарим материалын нэгэн төрлийн бус байдлаас шалтгаалан ерөнхийдөө хамаарахгүй7. Олон жилийн турш уламжлалт индентацийн аргуудыг олон төрлийн зөөлөн материалыг тодорхойлоход тохируулан өөрчилж, тохируулсан боловч олон аргууд нь хэрэглээг хязгаарладаг ноцтой дутагдалтай хэвээр байна8,9,10,11,12,13. Хэт зөөлөн материал болон гадаргуугийн давхаргын механик шинж чанарыг үнэн зөв, найдвартай тодорхойлж чадах тусгай туршилтын аргууд байхгүй байгаа нь тэдгээрийг янз бүрийн хэрэглээнд ашиглахыг эрс хязгаарладаг.
Өмнөх ажилдаа бид нүдний эвэрлэгийн гадаргуугаас санаа авсан биомиметик дизайны бүх хэт зөөлөн гадаргуугийн шинж чанартай зөөлөн гетероген материал болох lehfilcon A (CL) контакт линзийг танилцуулсан. Энэхүү биоматериалыг эмнэлгийн хэрэгсэлд зориулагдсан силикон гидрогель (SiHy) 15 дээр поли(2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолин (MPC)) (PMPC)-ийн салаалсан, хөндлөн холбогдсон полимер давхаргыг залгах замаар боловсруулсан. Энэхүү залгах үйл явц нь гадаргуу дээр маш зөөлөн, өндөр уян хатан салаалсан полимер сойзны бүтцээс бүрдэх давхарга үүсгэдэг. Бидний өмнөх ажил нь lehfilcon A CL-ийн биомиметик бүтэц нь чийгшүүлэх, бохирдохоос урьдчилан сэргийлэх, тосолгооны чанарыг нэмэгдүүлэх, эсийн болон бактерийн наалдацыг бууруулах зэрэг дээд зэргийн гадаргуугийн шинж чанарыг өгдөг болохыг баталсан15,16. Үүнээс гадна, энэхүү биомиметик материалыг ашиглах, хөгжүүлэх нь бусад биоанагаахын төхөөрөмжүүдэд цаашид өргөжихийг харуулж байна. Тиймээс энэхүү хэт зөөлөн материалын гадаргуугийн шинж чанарыг тодорхойлж, нүдтэй механик харилцан үйлчлэлийг нь ойлгох нь ирээдүйн хөгжил, хэрэглээг дэмжих цогц мэдлэгийн баазыг бий болгоход чухал ач холбогдолтой юм. Худалдаанд байдаг ихэнх SiHy контакт линз нь нэгэн төрлийн материалын бүтэц үүсгэдэг гидрофиль ба гидрофобик полимерүүдийн нэгэн төрлийн холимогоос бүрддэг17. Уламжлалт шахалт, суналтын болон микроиндентацийн туршилтын аргуудыг ашиглан тэдгээрийн механик шинж чанарыг судлах хэд хэдэн судалгаа хийгдсэн18,19,20,21. Гэсэн хэдий ч lehfilcon A CL-ийн шинэ биомиметик загвар нь салаалсан полимер сойз бүтцийн механик шинж чанар нь SiHy суурь субстратынхаас мэдэгдэхүйц ялгаатай өвөрмөц олон төрлийн материал болгодог. Тиймээс уламжлалт болон индентацийн аргыг ашиглан эдгээр шинж чанарыг нарийн тоон үзүүлэлтээр тодорхойлоход маш хэцүү байдаг. Ирээдүйтэй арга нь атомын хүчний микроскоп (AFM)-д хэрэгжүүлсэн наноиндентацийн туршилтын аргыг ашигладаг бөгөөд энэ аргыг биологийн эс, эд эс, түүнчлэн зөөлөн полимер зэрэг зөөлөн наалдамхай материалын механик шинж чанарыг тодорхойлоход ашиглаж ирсэн22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. AFM наноиндентацийн шинжилгээнд наноиндентацийн туршилтын үндсийг AFM технологийн хамгийн сүүлийн үеийн дэвшилтэй хослуулан хэмжилтийн мэдрэмжийг нэмэгдүүлж, төрөлхийн супер зөөлөн материалын өргөн хүрээний туршилтыг хангадаг31,32,33,34,35,36. Үүнээс гадна, энэхүү технологи нь янз бүрийн геометрийн хэлбэрүүд болох индентер болон датчикийг ашиглах, мөн янз бүрийн шингэн орчинд туршилт хийх боломжоор дамжуулан бусад чухал давуу талуудыг санал болгодог.
AFM наноиндентацийг нөхцөлт байдлаар гурван үндсэн бүрэлдэхүүн хэсэгт хувааж болно: (1) тоног төхөөрөмж (мэдрэгч, илрүүлэгч, датчик гэх мэт); (2) хэмжилтийн параметрүүд (хүч, шилжилт, хурд, налуугийн хэмжээ гэх мэт); (3) Өгөгдөл боловсруулах (суурь залруулга, мэдрэгч цэгийн тооцоолол, өгөгдөл тохируулах, загварчлал гэх мэт). Энэ аргын нэг чухал асуудал бол AFM наноиндентацийг ашигласан хэд хэдэн судалгаагаар ижил дээж/эс/материалын төрлийн хувьд маш өөр тоон үр дүн гарсан байна37,38,39,40,41. Жишээлбэл, Лекка нар. Механик нэгэн төрлийн гидрогель ба олон янзын эсийн дээжийн Янгийн модульд AFM датчикийн геометрийн нөлөөллийг судалж, харьцуулсан. Тэд модулийн утга нь консолын сонголт болон үзүүрийн хэлбэрээс ихээхэн хамааралтай бөгөөд пирамид хэлбэртэй датчикийн хувьд хамгийн өндөр утга, бөмбөрцөг хэлбэртэй датчикийн хувьд хамгийн бага утга нь 42 гэж мэдээлсэн. Үүнтэй адилаар, Селхубер-Ункел нар... Полиакриламидын (PAAM) дээжийн догол мөрний хурд, догол мөрний хэмжээ, зузаан нь ACM43 наноиндентациар хэмжсэн Янгийн модульд хэрхэн нөлөөлдөг болохыг харуулсан. Өөр нэг хүндрэл учруулж буй хүчин зүйл бол стандарт маш бага модулийн туршилтын материал, үнэгүй туршилтын журам дутмаг байдал юм. Энэ нь үнэн зөв үр дүнг итгэлтэйгээр авахад маш хэцүү болгодог. Гэсэн хэдий ч энэ арга нь харьцангуй хэмжилт болон ижил төстэй дээжийн төрлүүдийн харьцуулсан үнэлгээнд маш их хэрэгтэй байдаг, жишээлбэл, хэвийн эсийг хорт хавдрын эсээс ялгахын тулд AFM наноиндентаци ашиглах 44, 45.
Зөөлөн материалыг AFM наноиндентацитай туршихдаа ерөнхий дүрэм бол дээжийн модультай ойролцоо пүршний тогтмол (k), хагас бөмбөрцөг/дугуй үзүүртэй датчик ашиглах явдал юм. Ингэснээр эхний датчик зөөлөн материалтай анх харьцахдаа дээжийн гадаргууг цоолчихгүй. Мөн датчикийн үүсгэсэн хазайлтын дохио нь лазер илрүүлэгч системээр илрүүлэхэд хангалттай хүчтэй байх нь чухал юм24,34,46,47. Хэт зөөлөн гетероген эс, эд, гельний хувьд өөр нэг бэрхшээл бол давтагдах боломжтой, найдвартай хэмжилтийг хангахын тулд датчик болон дээжийн гадаргуугийн хоорондох наалдамхай хүчийг даван туулах явдал юм48,49,50. Саяхныг хүртэл AFM наноиндентацийн ихэнх ажил нь харьцангуй том бөмбөрцөг хэлбэртэй датчик буюу коллоид датчик (CPs) ашиглан биологийн эс, эд, гель, гидрогель, биомолекулын механик зан төлөвийг судлахад чиглэгдэж ирсэн. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Эдгээр үзүүрүүд нь 1-ээс 50 мкм радиустай бөгөөд ихэвчлэн боросиликат шил, полиметил метакрилат (PMMA), полистирол (PS), цахиурын давхар исэл (SiO2) болон алмаз төст нүүрстөрөгч (DLC)-ээр хийгдсэн байдаг. Зөөлөн дээжийн шинж чанарыг тодорхойлоход CP-AFM наноиндентаци нь ихэвчлэн эхний сонголт боловч өөрийн гэсэн асуудал, хязгаарлалттай байдаг. Том, микрон хэмжээтэй бөмбөрцөг үзүүрийг ашиглах нь үзүүрийн дээжтэй харьцах нийт талбайг нэмэгдүүлж, орон зайн нягтралыг мэдэгдэхүйц алдахад хүргэдэг. Орон нутгийн элементүүдийн механик шинж чанар нь илүү өргөн талбайн дунджаас мэдэгдэхүйц ялгаатай байж болох зөөлөн, нэгэн төрлийн бус дээжийн хувьд CP индентаци нь орон нутгийн хэмжээнд шинж чанарын аливаа нэгэн жигд бус байдлыг нууж чаддаг52. Коллоид датчикуудыг ихэвчлэн эпокси цавуу ашиглан микрон хэмжээтэй коллоид бөмбөрцөгийг үзүүргүй консолд бэхлэх замаар хийдэг. Үйлдвэрлэлийн процесс нь өөрөө олон асуудалтай тулгардаг бөгөөд датчикийн тохируулгын процесст тогтворгүй байдал үүсгэж болзошгүй. Үүнээс гадна, коллоид бөөмсийн хэмжээ, масс нь резонансын давтамж, пүршний хатуулаг, хазайлтын мэдрэмж зэрэг консолын үндсэн тохируулгын параметрүүдэд шууд нөлөөлдөг56,57,58. Тиймээс температурын тохируулга гэх мэт уламжлалт AFM датчикуудад түгээмэл хэрэглэгддэг аргууд нь CP-ийн нарийвчлалтай тохируулгыг өгөхгүй байж болох бөгөөд эдгээр залруулгыг хийхэд бусад аргууд шаардлагатай байж болно57, 59, 60, 61. Ердийн CP хонхорхой туршилтууд нь зөөлөн дээжийн шинж чанарыг судлахын тулд консолын том хазайлтыг ашигладаг бөгөөд энэ нь харьцангуй том хазайлттай үед консолын шугаман бус зан төлөвийг тохируулах үед өөр нэг асуудал үүсгэдэг62,63,64. Орчин үеийн коллоид датчикийн хонхорхойжуулалтын аргууд нь ихэвчлэн датчикийг тохируулахад ашигладаг консолын геометрийг харгалзан үздэг боловч коллоид бөөмсийн нөлөөллийг үл тоомсорлодог бөгөөд энэ нь аргын нарийвчлалд нэмэлт тодорхойгүй байдлыг бий болгодог38,61. Үүнтэй адилаар, контакт загварын тохируулгаар тооцоолсон уян хатан модулиуд нь хонхорхойн датчикийн геометрээс шууд хамаардаг бөгөөд үзүүр болон дээжийн гадаргуугийн шинж чанаруудын зөрүү нь нарийвчлалгүй байдалд хүргэж болзошгүй27, 65, 66, 67, 68. Спенсер болон бусад хүмүүсийн саяхны зарим бүтээлүүд. CP-AFM нано хонхорхойн аргыг ашиглан зөөлөн полимер сойзыг тодорхойлохдоо анхаарах ёстой хүчин зүйлсийг онцолсон болно. Тэд хурдны функц болгон полимер сойзонд наалдамхай шингэнийг хадгалах нь толгойн ачааллыг нэмэгдүүлж, улмаар хурдаас хамааралтай шинж чанаруудын хэмжилтийг өөр өөрөөр хийдэг гэж мэдээлсэн30,69,70,71.
Энэхүү судалгаанд бид өөрчлөгдсөн AFM наноиндентацийн аргыг ашиглан хэт зөөлөн, өндөр уян хатан lehfilcon A CL материалын гадаргуугийн модулийг тодорхойлсон. Энэхүү материалын шинж чанар, шинэ бүтцийг харгалзан үзвэл уламжлалт хонхорхойн аргын мэдрэг чанарын хүрээ нь энэхүү маш зөөлөн материалын модулийг тодорхойлоход хангалтгүй тул өндөр мэдрэмжтэй, бага мэдрэмжтэй AFM наноиндентацийн аргыг ашиглах шаардлагатай байна. Одоо байгаа коллоид AFM датчик наноиндентацийн техникийн дутагдал, асуудлуудыг хянаж үзсэний дараа бид яагаад мэдрэг чанар, дэвсгэр чимээ шуугиан, нарийн цэгийн холбоо барих цэг, шингэн хадгалах хамаарал зэрэг зөөлөн гетероген материалын хурдны модулийг хэмжих, нарийвчлалтай тоон үзүүлэлтийг арилгахын тулд жижиг, захиалгаар хийсэн AFM датчикийг сонгосон болохыг харуулав. Нэмж дурдахад бид хонхорхойн үзүүрийн хэлбэр, хэмжээсийг нарийвчлалтай хэмжиж чадсан бөгөөд энэ нь конус-бөмбөрцөг тохирох загварыг ашиглан үзүүрийн материалтай харьцах талбайг үнэлэхгүйгээр уян хатан чанарын модулийг тодорхойлох боломжийг олгосон. Энэхүү ажилд тоон үзүүлэлтээр тодорхойлогдсон хоёр далд таамаглал бол бүрэн уян хатан материалын шинж чанар ба хонхорхойн гүнээс хамааралгүй модуль юм. Энэ аргыг ашиглан бид эхлээд аргыг тоон үзүүлэлтээр илэрхийлэхийн тулд мэдэгдэж буй модультай хэт зөөлөн стандартуудыг туршиж үзсэн бөгөөд дараа нь энэ аргыг хоёр өөр контакт линзний материалын гадаргууг тодорхойлоход ашигласан. Мэдрэмтгий чанар нь нэмэгдсэн AFM наноиндентацийн гадаргууг тодорхойлох энэхүү аргыг эмнэлгийн хэрэгсэл болон биоанагаахын хэрэглээнд ашиглах боломжтой олон төрлийн биомиметик олон төрлийн хэт зөөлөн материалд хэрэглэх боломжтой гэж үзэж байна.
Наноиндентацийн туршилтад зориулж Lehfilcon A контакт линз (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) болон тэдгээрийн силикон гидрогелийн суурь материалыг сонгосон. Туршилтад тусгайлан зохион бүтээсэн линзний бэхэлгээг ашигласан. Туршилтад зориулж линзийг суурилуулахын тулд бөмбөгөр хэлбэртэй суурь дээр болгоомжтой байрлуулж, агаарын бөмбөлөг орохгүй байгаа эсэхийг шалгаад дараа нь ирмэгүүдээр нь бэхэлсэн. Линзний суурьны дээд хэсэгт байрлах бэхэлгээний нүх нь шингэнийг байранд нь барьж байхдаа наноиндентацийн туршилт хийхэд линзний оптик төвд нэвтрэх боломжийг олгодог. Энэ нь линзийг бүрэн чийгшүүлдэг. Туршилтын уусмал болгон 500 мкл контакт линзний сав баглаа боодлын уусмалыг ашигласан. Тоон үр дүнг баталгаажуулахын тулд худалдаанд байгаа идэвхгүй полиакриламид (PAAM) гидрогелийг 1 кПа уян хатан модультай полиакриламид-ко-метилен-бисакриламидын найрлагаас (100 мм Петрисофт Петри аяга, Матриген, Ирвайн, Калифорни, USA) бэлтгэсэн. AFM гидрогель-зондын интерфейс дээр 4-5 дусал (ойролцоогоор 125 µl) фосфатын буфержуулсан давсны уусмал (PBS, Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) болон 1 дусал OPTI-FREE Puremoist контакт линзний уусмал (Alcon, Vaud, TX, USA) дусаана.
Lehfilcon A CL болон SiHy суурь материалын дээжийг сканнердах дамжуулалтын электрон микроскоп (STEM) мэдрэгч бүхий FEI Quanta 250 талбайн ялгарлын сканнердах электрон микроскоп (FEG SEM) систем ашиглан дүрслэн харуулсан. Дээжийг бэлтгэхийн тулд линзийг эхлээд усаар угааж, бялуу хэлбэртэй шаантаг хэлбэртэй зүссэн. Дээжийн гидрофил ба гидрофобик бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн хоорондох ялгааг гаргахын тулд RuO4-ийн 0.10% тогтворжуулсан уусмалыг будагч бодис болгон ашиглаж, дээжийг 30 минутын турш дүрсэн. lehfilcon A CL RuO4 будах нь ялгавартай тодосголтыг сайжруулахад чухал ач холбогдолтой төдийгүй салаалсан полимер багсны бүтцийг анхны хэлбэрээр нь хадгалахад тусалдаг бөгөөд энэ нь дараа нь STEM зураг дээр харагдана. Дараа нь тэдгээрийг этанол/усны холимог цувралд угааж, этанолын концентраци нэмэгдэж хатаасан. Дараа нь дээжийг 70°C-д шөнийн турш хатууруулсан EMBed 812/Araldite эпоксигоор цутгасан. Давирхайн полимержилтээр гаргаж авсан дээжийн блокуудыг хэт микротомоор хайчилж, үүссэн нимгэн хэсгүүдийг STEM илрүүлэгчээр бага вакуум горимд 30 кВ-ын хурдасгуурын хүчдэл дээр дүрсэлсэн. Үүнтэй ижил SEM системийг PFQNM-LC-A-CAL AFM датчикийн (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорни, АНУ) нарийвчилсан шинж чанарт ашигласан. AFM датчикийн SEM зургийг 30 кВ-ын хурдасгуурын хүчдэлтэй ердийн өндөр вакуум горимд авсан. AFM датчикийн үзүүрийн хэлбэр, хэмжээний бүх нарийн ширийн зүйлийг тэмдэглэхийн тулд өөр өөр өнцөг болон томруулалтаар зургийг авсан. Зурагт сонирхолтой байгаа бүх үзүүрийн хэмжээсийг дижитал хэлбэрээр хэмжсэн.
Lehfilcon A CL, SiHy субстрат болон PAAm гидрогелийн дээжийг дүрслэн харуулах, наноиндентаци хийхэд Dimension FastScan Bio Icon атомын хүчний микроскоп (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорни, АНУ)-ыг “PeakForce QNM in Fluid” горимтой ашигласан. Дүрслэх туршилтын хувьд дээжийн өндөр нягтралтай зургийг 0.50 Гц сканнердах хурдаар авахын тулд 1 нм нэрлэсэн үзүүрийн радиустай PEAKFORCE-HIRS-FA зонд (Bruker) ашигласан. Бүх зургийг усан уусмалд авсан.
AFM наноиндентацийн туршилтыг PFQNM-LC-A-CAL датчик (Bruker) ашиглан хийсэн. AFM датчик нь 345 нм зузаантай, 54 мкм урттай, 4.5 мкм өргөнтэй, 45 кГц резонансын давтамжтай нитридийн консол дээр цахиурын үзүүртэй. Энэ нь зөөлөн биологийн дээж дээр тоон наномеханик хэмжилтийг тодорхойлж, гүйцэтгэхэд зориулагдсан. Мэдрэгчийг үйлдвэрт урьдчилан тохируулсан пүршний тохиргоотойгоор тус тусад нь тохируулдаг. Энэхүү судалгаанд ашигласан датчикуудын пүршний тогтмолууд нь 0.05-0.1 Н/м хооронд байсан. Үзүүрийн хэлбэр, хэмжээг нарийн тодорхойлохын тулд датчикийг SEM ашиглан нарийвчлан тодорхойлсон. Зураг 1a дээр PFQNM-LC-A-CAL датчикийн өндөр нягтралтай, бага томруулдаг сканнердах электрон микрографыг харуулсан бөгөөд датчикийн дизайны цогц байдлыг харуулсан болно. Зураг 1b дээр датчикийн үзүүрийн дээд хэсгийн томруулсан байдлыг харуулсан бөгөөд үзүүрийн хэлбэр, хэмжээний талаарх мэдээллийг харуулсан болно. Зүүний төгсгөлд зүү нь ойролцоогоор 140 нм диаметртэй хагас бөмбөрцөг хэлбэртэй байна (Зураг 1c). Үүний доор үзүүр нь конус хэлбэртэй болж нарийсч, ойролцоогоор 500 нм хэмжсэн урттай байна. Нарийссан хэсгийн гадна үзүүр нь цилиндр хэлбэртэй бөгөөд нийт үзүүрийн урт нь 1.18 µм байна. Энэ нь датчикийн үзүүрийн гол үйл ажиллагааны хэсэг юм. Үүнээс гадна, 45 µм үзүүрийн диаметртэй, 2 N/m пүршийн тогтмолтой том бөмбөрцөг полистирол (PS) датчик (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA)-ийг коллоид датчик болгон туршихад ашигласан. Харьцуулахын тулд PFQNM-LC-A-CAL 140 нм датчиктай.
Наноиндентацийн үед AFM датчик болон полимер багсны бүтцийн хооронд шингэн гацаж болзошгүй гэж мэдээлсэн бөгөөд энэ нь AFM датчик гадаргуу дээр хүрэхээс өмнө дээш чиглэсэн хүч үйлчилнэ69. Шингэн хуримтлалаас үүдэлтэй энэхүү наалдамхай шахалтын нөлөө нь холбоо барих цэгийг өөрчилж, улмаар гадаргуугийн модулийн хэмжилтэд нөлөөлдөг. Датчикийн геометр болон хонхорхойн хурдны шингэний хуримтлалд үзүүлэх нөлөөг судлахын тулд 1 мкм/с ба 2 мкм/с тогтмол шилжилтийн хурдтай 140 нм диаметртэй датчик ашиглан lehfilcon A CL дээжинд хонхорхойн хүчний муруйг зурсан. Датчикийн диаметр 45 мкм, тогтмол хүчний тохиргоо 6 нН нь 1 мкм/с хурдтайгаар хийгдсэн. 140 нм диаметртэй датчиктай туршилтыг 1 мкм/с хонхорхойн хурдтай, 300 пН тогтоосон хүчээр хийсэн бөгөөд дээд зовхины физиологийн хязгаарт (1-8 кПа) холбоо барих даралтыг бий болгохоор сонгосон. даралт 72. 1 кПа даралттай PAA гидрогелийн зөөлөн бэлэн дээжийг 140 нм диаметртэй датчик ашиглан 1 мкм/с хурдтайгаар 50 пН-ийн хонхойх хүчээр туршсан.
PFQNM-LC-A-CAL датчикийн үзүүрийн конус хэлбэрийн хэсгийн урт нь ойролцоогоор 500 нм тул хонхорхойн гүн < 500 нм-ийн хувьд хонхорхойн үед датчикийн геометр нь конусын хэлбэртэй хэвээр байх болно гэж аюулгүйгээр үзэж болно. Үүнээс гадна, туршигдаж буй материалын гадаргуу нь урвуу уян харимхай хариу үйлдэл үзүүлэх бөгөөд үүнийг дараах хэсгүүдэд баталгаажуулна гэж үзэж байна. Тиймээс, үзүүрийн хэлбэр, хэмжээнээс хамааран бид AFM нано хонхорхойн туршилтаа (NanoScope) боловсруулахын тулд үйлдвэрлэгчийн програм хангамжид байдаг Бриско, Себастьян, Адамс нарын боловсруулсан конус-бөмбөрцөг тохируулгын загварыг сонгосон. Тусгаарлалтын өгөгдлийн шинжилгээний програм хангамж, Bruker) 73. Загвар нь бөмбөрцөг оройн согогтой конусын хувьд хүч-шилжилтийн хамаарлыг F(δ) тайлбарласан болно. Зураг дээр. Зураг 2-т хатуу конус бөмбөрцөг үзүүртэй харилцан үйлчлэлцэх үеийн холбоо барих геометрийг харуулав, энд R нь бөмбөрцөг үзүүрийн радиус, a нь холбоо барих радиус, b нь бөмбөрцөг үзүүрийн төгсгөл дэх холбоо барих радиус, δ нь холбоо барих радиус юм. Доголын гүн, θ нь конусын хагас өнцөг юм. Энэхүү датчикийн SEM дүрс нь 140 нм диаметртэй бөмбөрцөг үзүүр нь конус руу тангенциал нийлдэг болохыг тодорхой харуулж байгаа тул энд b нь зөвхөн R-ээр тодорхойлогддог, өөрөөр хэлбэл b = R cos θ. Үйлдвэрлэгчийн нийлүүлсэн програм хангамж нь a > b гэж үзвэл хүчний тусгаарлалтын өгөгдлөөс Янгийн модуль (E) утгыг тооцоолох конус-бөмбөрцөг хамаарлыг өгдөг. Харилцаа холбоо:
энд F нь догол мөрийн хүч, E нь Янгийн модуль, ν нь Пуассоны харьцаа юм. Холбоо барих радиус a-г дараах байдлаар тооцоолж болно:
Салаалсан полимер сойзны гадаргуугийн давхаргатай Лефилкон контакт линзний материалд дарагдсан бөмбөрцөг үзүүртэй хатуу конусын контакт геометрийн схем.
Хэрэв a ≤ b бол хамаарал нь уламжлалт бөмбөрцөг хэлбэртэй догол мөрийн тэгшитгэл болж буурна;
Бид хонхойх датчик нь PMPC полимер багсны салаалсан бүтэцтэй харилцан үйлчлэлцэх нь a холбоо барих радиусыг бөмбөрцөг холбоо барих радиус b-ээс их болгоно гэж үзэж байна. Тиймээс энэхүү судалгаанд хийгдсэн уян харимхай модулийн бүх тоон хэмжилтийн хувьд бид a > b тохиолдолд олж авсан хамаарлыг ашигласан.
Энэхүү судалгаанд судлагдсан хэт зөөлөн биомиметик материалыг дээжийн хөндлөн огтлолын сканнердах дамжуулалтын электрон микроскоп (STEM) болон гадаргуугийн атомын хүчний микроскоп (AFM) ашиглан цогцоор нь дүрсэлсэн. Энэхүү нарийвчилсан гадаргуугийн шинж чанарыг өмнө нь хэвлэгдсэн ажлынхаа үргэлжлэл болгон хийсэн бөгөөд бид PMPC-өөрчлөгдсөн lehfilcon A CL гадаргуугийн динамикаар салаалсан полимер сойзны бүтэц нь эвэрлэгийн уугуул эдтэй төстэй механик шинж чанартай болохыг тогтоосон 14. Ийм учраас бид контакт линзний гадаргууг биомиметик материал гэж нэрлэдэг14. Зураг 3a, b дээр lehfilcon A CL суурь болон боловсруулаагүй SiHy суурь гадаргуу дээрх салаалсан PMPC полимер сойзны бүтцийн хөндлөн огтлолыг тус тус харуулав. Хоёр дээжийн гадаргууг өндөр нарийвчлалтай AFM дүрс ашиглан цаашид шинжилсэн бөгөөд энэ нь STEM шинжилгээний үр дүнг улам баталгаажуулсан (Зураг 3c, d). Эдгээр зургуудыг нэгтгэн авч үзвэл 300-400 нм-ийн PMPC салаалсан полимер багсны бүтцийн ойролцоо уртыг харуулж байгаа бөгөөд энэ нь AFM наноиндентацийн хэмжилтийг тайлбарлахад чухал ач холбогдолтой юм. Зурагнаас гаргаж авсан өөр нэг гол ажиглалт бол CL биомиметик материалын нийт гадаргуугийн бүтэц нь SiHy субстратын материалаас морфологийн хувьд өөр юм. Тэдний гадаргуугийн морфологийн энэхүү ялгаа нь AFM датчиктай механик харилцан үйлчлэлцэх явцад болон дараа нь хэмжсэн модулийн утгуудад илэрхий болж болно.
(a) lehfilcon A CL болон (b) SiHy суурь материалын хөндлөн огтлолын STEM зургууд. 500 нм масштабтай бар. lehfilcon A CL суурь материалын (c) болон суурь SiHy суурь материалын (d) гадаргуугийн AFM зургууд (3 µm × 3 µm).
Био-индукцтэй полимерүүд болон полимер сойзны бүтэц нь угаасаа зөөлөн бөгөөд биоанагаахын янз бүрийн хэрэглээнд өргөнөөр судалж, ашиглагдаж ирсэн74,75,76,77. Тиймээс тэдгээрийн механик шинж чанарыг нарийвчлалтай, найдвартай хэмжиж чаддаг AFM наноиндентацийн аргыг ашиглах нь чухал юм. Гэхдээ үүний зэрэгцээ эдгээр хэт зөөлөн материалын өвөрмөц шинж чанарууд, тухайлбал маш бага уян хатан модуль, өндөр шингэний агууламж, өндөр уян хатан чанар нь хонхорхой датчикийн зөв материал, хэлбэр, хэлбэрийг сонгоход хэцүү болгодог. Энэ нь хонхорхой нь дээжийн зөөлөн гадаргууг цоолж, гадаргуутай харьцах цэг болон харьцах хэсгийг тодорхойлоход алдаа гаргахгүйн тулд чухал юм.
Үүний тулд хэт зөөлөн биомиметик материалын (lehfilcon A CL) морфологийн талаарх цогц ойлголт зайлшгүй шаардлагатай. Дүрслэлийн аргыг ашиглан олж авсан салаалсан полимер багсны хэмжээ, бүтцийн талаарх мэдээлэл нь AFM наноиндентацийн техникийг ашиглан гадаргуугийн механик шинж чанарыг тодорхойлох үндэс суурийг тавьдаг. Микрон хэмжээтэй бөмбөрцөг хэлбэртэй коллоид датчикийн оронд бид биологийн дээжийн механик шинж чанарыг тоон зураглалд тусгайлан зориулсан 140 нм үзүүрийн диаметртэй PFQNM-LC-A-CAL цахиурын нитридийн датчик (Bruker)-ийг сонгосон. 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 Уламжлалт коллоид датчиктай харьцуулахад харьцангуй хурц датчик ашиглах үндэслэлийг материалын бүтцийн онцлогоор тайлбарлаж болно. Зураг 3a-д үзүүлсэн CL lehfilcon A-ийн гадаргуу дээрх салаалсан полимер багстай датчикийн үзүүрийн хэмжээг (~140 нм) харьцуулж үзвэл үзүүр нь эдгээр багсны бүтэцтэй шууд харьцахад хангалттай том бөгөөд энэ нь үзүүрийг тэдгээрээр нэвтлэх магадлалыг бууруулдаг гэж дүгнэж болно. Үүнийг харуулахын тулд Зураг 4-т lehfilcon A CL болон AFM датчикийн хонхойсон үзүүрийн STEM дүрсийг (масштабаар зурсан) үзүүлэв.
Лехфилкон А CL болон ACM хонхорхойн датчикийн STEM дүрсийг харуулсан бүдүүвч зураг (масштабаар зурсан).
Үүнээс гадна, 140 нм үзүүрийн хэмжээ нь CP-AFM наноиндентацийн аргаар үйлдвэрлэсэн полимер багсны хувьд өмнө нь мэдээлэгдсэн наалдамхай шахалтын нөлөөллийн эрсдэлээс зайлсхийхэд хангалттай жижиг юм69,71. Энэхүү AFM үзүүрийн тусгай конус бөмбөрцөг хэлбэртэй, харьцангуй жижиг хэмжээтэй тул (Зураг 1) lehfilcon A CL наноиндентацийн үүсгэсэн хүчний муруйн шинж чанар нь хонхорхойн хурд эсвэл ачих/буулгах хурдаас хамаарахгүй гэж бид үзэж байна. Тиймээс энэ нь нүх сүвний уян хатан нөлөөнд нөлөөлдөггүй. Энэхүү таамаглалыг шалгахын тулд lehfilcon A CL дээжийг PFQNM-LC-A-CAL датчик ашиглан тогтмол хамгийн их хүчээр, харин хоёр өөр хурдаар хонхорхойгоор байрлуулсан бөгөөд үүссэн суналтын болон таталтын хүчний муруйг ашиглан тусгаарлах хүчийг (nN) (µm) Зураг 5a-д үзүүлэв. Ачаалах болон буулгах үеийн хүчний муруйнууд бүрэн давхцаж байгаа нь тодорхой бөгөөд зураг дээр тэг хонхорхой гүнд хүчний зүсэлт нь хонхорхой хурдтай хамт нэмэгддэг гэсэн тодорхой нотолгоо байхгүй байгаа нь сойзны элементүүдийг нүх сүвний уян хатан нөлөөгүйгээр тодорхойлсон болохыг харуулж байна. Үүний эсрэгээр, ижил хонхорхой хурдтай 45 мкм диаметртэй AFM датчикийн хувьд шингэн хадгалах нөлөө (зуурамтгай шахалт ба нүх сүвний уян хатан байдлын нөлөө) илэрхий бөгөөд Зураг 5b-д үзүүлсэн шиг сунгах ба татах муруйн хоорондох гистерезисээр тод харагдаж байна. Эдгээр үр дүнгүүд нь таамаглалыг дэмжиж, 140 нм диаметртэй датчикууд нь ийм зөөлөн гадаргууг тодорхойлоход сайн сонголт болохыг харуулж байна.
lehfilcon ACM ашиглан CL-ийн хонхорхойн хүчний муруй; (a) гадаргуугийн хонхорхойн үед нүх сүвний уян хатан нөлөө байхгүйг харуулсан хоёр ачааллын хурдтай 140 нм диаметртэй датчик ашиглах; (b) 45 µm ба 140 нм с диаметртэй датчик ашиглах нь жижиг датчикуудтай харьцуулахад том датчикуудын хувьд наалдамхай шахалт ба нүх сүвний уян хатан чанарын нөлөөг харуулж байна.
Хэт зөөлөн гадаргууг тодорхойлохын тулд AFM наноиндентацийн аргууд нь судалж буй материалын шинж чанарыг судлах хамгийн сайн датчиктай байх ёстой. Үзүүрийн хэлбэр, хэмжээнээс гадна AFM илрүүлэгч системийн мэдрэг чанар, туршилтын орчинд үзүүрийн хазайлтад мэдрэг чанар, консолын хөшүүн чанар нь наноиндентацийн хэмжилтийн нарийвчлал, найдвартай байдлыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Манай AFM системийн хувьд Байршил Мэдрэгчтэй Детектор (PSD)-ийн илрүүлэлтийн хязгаар нь ойролцоогоор 0.5 мВ бөгөөд урьдчилан тохируулсан пүршний хурд болон онолын ачааллын мэдрэг чанарт тохирсон PFQNM-LC-A-CAL датчикийн тооцоолсон шингэний хазайлтын мэдрэг чанар дээр суурилдаг. Энэ нь 0.1 pN-ээс бага байна. Тиймээс энэ арга нь захын дуу чимээний бүрэлдэхүүн хэсэггүйгээр хамгийн бага хонхойх хүч ≤ 0.1 pN-ийг хэмжих боломжийг олгодог. Гэсэн хэдий ч механик чичиргээ болон шингэний динамик зэрэг хүчин зүйлсийн улмаас AFM систем захын дуу чимээг энэ түвшинд хүртэл бууруулах нь бараг боломжгүй юм. Эдгээр хүчин зүйлс нь AFM наноиндентацийн аргын нийт мэдрэмжийг хязгаарлаж, мөн ойролцоогоор ≤ 10 pN дэвсгэр шуугианы дохио үүсгэдэг. Гадаргуугийн шинж чанарыг тодорхойлохын тулд lehfilcon A CL болон SiHy субстратын дээжийг SEM шинж чанарыг тодорхойлохын тулд 140 нм датчик ашиглан бүрэн гидратжуулсан нөхцөлд хонхойлгож, үүссэн хүчний муруйг хүч (pN) ба даралтын хооронд давхцуулсан. Тусгаарлах график (µm)-ийг Зураг 6a-д үзүүлэв. SiHy суурь субстраттай харьцуулахад lehfilcon A CL хүчний муруй нь салаалсан полимер багстай харьцах цэгээс эхэлж, үзүүрийн суурь материалтай харьцах налуугийн тэмдэглэгээний огцом өөрчлөлтөөр төгсдөг шилжилтийн үе шатыг тодорхой харуулж байна. Хүчний муруйн энэхүү шилжилтийн хэсэг нь гадаргуу дээрх салаалсан полимер багсны жинхэнэ уян хатан зан төлөвийг онцолж байгаа бөгөөд үүнийг хурцадмал байдлын муруйг нягт дагаж буй шахалтын муруй болон багсны бүтэц ба том хэмжээтэй SiHy материалын хоорондох механик шинж чанарын ялгаа нотолж байна. Лефилконыг харьцуулахдаа. PCS-ийн STEM дүрслэл дэх салаалсан полимер багсны дундаж урт (Зураг 3a) болон түүний абцисса дагуух хүчний муруйн хоорондох зайг Зураг 3a. 6a-д үзүүлснээр уг арга нь үзүүр болон салаалсан полимерийг гадаргуугийн хамгийн дээд хэсэгт хүрч байгааг илрүүлэх чадвартай болохыг харуулж байна. Багсны бүтцийн хоорондох холбоо. Үүнээс гадна, хүчний муруйнуудын нягт давхцал нь шингэнийг хадгалах нөлөө байхгүйг харуулж байна. Энэ тохиолдолд зүү болон дээжийн гадаргуугийн хооронд ямар ч наалдац байхгүй. Хоёр дээжийн хүчний муруйн хамгийн дээд хэсгүүд нь давхцаж байгаа нь суурь материалын механик шинж чанаруудын ижил төстэй байдлыг тусгасан болно.
(a) Лехфилкон А CL суурь ба SiHy суурь материалын AFM наноиндентацийн хүчний муруй, (b) дэвсгэр шуугианы босго аргыг ашиглан холбоо барих цэгийн тооцооллыг харуулсан хүчний муруй.
Хүчний муруйн нарийн ширийн зүйлийг судлахын тулд lehfilcon A CL дээжийн таталтын муруйг Зураг 6b-д y тэнхлэгийн дагуу хамгийн ихдээ 50 pN хүчээр дахин зурсан. Энэхүү график нь анхны дэвсгэр шуугианы талаар чухал мэдээллийг өгдөг. Дуу чимээ нь ±10 pN-ийн хүрээнд байгаа бөгөөд үүнийг холбоо барих цэгийг нарийвчлалтай тодорхойлох, хонхорхойн гүнийг тооцоолоход ашигладаг. Уран зохиолд дурдсанчлан, холбоо барих цэгүүдийг тодорхойлох нь модуль85 зэрэг материалын шинж чанарыг нарийвчлалтай үнэлэхэд чухал ач холбогдолтой. Хүчний муруйн өгөгдлийг автоматаар боловсруулах арга нь зөөлөн материалын86 өгөгдөл тохируулах болон тоон хэмжилтийн хоорондын тохирол сайжирсан болохыг харуулсан. Энэхүү ажилд бидний холбоо барих цэгүүдийг сонгох нь харьцангуй энгийн бөгөөд бодитой боловч хязгаарлалттай. Холбоо барих цэгийг тодорхойлох бидний консерватив арга нь хонхорхойн гүн бага зэрэг хэт өндөр үнэлэгдсэн (<100 нм) модулийн утгыг бий болгож болзошгүй юм. Алгоритм дээр суурилсан мэдрэгчтэй цэгийг илрүүлэх болон автоматжуулсан өгөгдөл боловсруулах аргыг ашиглах нь бидний аргыг цаашид сайжруулахын тулд ирээдүйд энэ ажлын үргэлжлэл байж болох юм. Тиймээс ±10 pN дарааллын дотоод дэвсгэр шуугианы хувьд бид Зураг 6b-д үзүүлсэн ≥10 pN утгатай х тэнхлэг дээрх эхний өгөгдлийн цэг гэж холбоо барих цэгийг тодорхойлсон. Дараа нь 10 pN шуугианы босгоны дагуу ~0.27 µm түвшинд босоо шугам нь гадаргуутай холбоо барих цэгийг тэмдэглэж, үүний дараа суналтын муруй нь суурь нь ~270 нм-ийн хонхорхой гүнд хүрэх хүртэл үргэлжилнэ. Сонирхолтой нь, дүрслэх аргыг ашиглан хэмжсэн салаалсан полимер багсны онцлог шинж чанаруудын хэмжээ (300–400 нм) дээр үндэслэн CL lehfilcon-ийн хонхорхой гүн нь ойролцоогоор 270 нм бөгөөд энэ нь STEM-тэй хэмжилтийн хэмжээтэй маш ойрхон байна. Эдгээр үр дүнгүүд нь энэхүү маш зөөлөн, өндөр уян хатан салаалсан полимер багсны бүтцийг хонхорхой болгоход AFM датчикийн үзүүрийн хэлбэр, хэмжээний нийцтэй байдал, хэрэглээг баталгаажуулж байна. Энэхүү өгөгдөл нь мөн дэвсгэр шуугианыг холбоо барих цэгүүдийг нарийн тодорхойлох босго болгон ашиглах аргыг дэмжих хүчтэй нотолгоо болж өгдөг. Тиймээс математик загварчлал болон хүчний муруйн тохируулгаас гаргаж авсан аливаа тоон үр дүн харьцангуй нарийвчлалтай байх ёстой.
AFM наноиндентацийн аргаар хийсэн тоон хэмжилт нь өгөгдөл сонгох болон дараагийн шинжилгээнд ашигласан математик загваруудаас бүрэн хамаардаг. Тиймээс тодорхой загвар сонгохоос өмнө индентерийн сонголт, материалын шинж чанар, тэдгээрийн харилцан үйлчлэлийн механиктай холбоотой бүх хүчин зүйлийг харгалзан үзэх нь чухал юм. Энэ тохиолдолд үзүүрийн геометрийг SEM микрограф ашиглан сайтар тодорхойлсон (Зураг 1) бөгөөд үр дүнд үндэслэн хатуу конус ба бөмбөрцөг үзүүрийн геометр бүхий 140 нм диаметртэй AFM наноиндентацийн датчик нь lehfilcon A CL79 дээжийг тодорхойлоход сайн сонголт юм. Болгоомжтой үнэлэх шаардлагатай өөр нэг чухал хүчин зүйл бол туршиж буй полимер материалын уян хатан чанар юм. Наноиндентацийн анхны өгөгдөл (Зураг 5a ба 6a) нь таталтын болон шахалтын муруйн давхцлын онцлог шинж чанарыг, өөрөөр хэлбэл материалын бүрэн уян хатан сэргэлтийг тодорхой харуулсан боловч контактуудын цэвэр уян хатан чанарыг баталгаажуулах нь маш чухал юм. Үүний тулд бүрэн гидратжуулалтын нөхцөлд 1 µm/s-ийн хонхорхойн хурдаар lehfilcon A CL дээжийн гадаргуу дээр ижил байршилд хоёр дараалсан хонхорхойг хийсэн. Үр дүнд хүрсэн хүчний муруйн өгөгдлийг Зураг 7-д үзүүлсэн бөгөөд хүлээгдэж байсанчлан хоёр хэвлэмэлийн тэлэлт ба шахалтын муруй нь бараг ижил бөгөөд энэ нь салаалсан полимер багсны бүтцийн өндөр уян хатан чанарыг онцолж байна.
Лехфилконы гадаргуу дээр ижил байрлалд байрлах хоёр хонхойх хүчний муруй. CL нь линзний гадаргуугийн хамгийн тохиромжтой уян хатан чанарыг заана.
Зондны үзүүр болон lehfilcon A CL гадаргуугийн SEM болон STEM зургуудаас тус тус авсан мэдээлэлд үндэслэн конус бөмбөрцгийн загвар нь AFM зондны үзүүр болон туршигдаж буй зөөлөн полимер материалын харилцан үйлчлэлийн боломжийн математик дүрслэл юм. Үүнээс гадна, энэхүү конус бөмбөрцгийн загварын хувьд хэвлэмэл материалын уян хатан шинж чанарын талаарх үндсэн таамаглалууд нь энэхүү шинэ биомиметик материалын хувьд үнэн бөгөөд уян хатан модулийг тоон үзүүлэлтээр илэрхийлэхэд ашиглагддаг.
AFM наноиндентацийн арга болон түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг цогцоор нь үнэлсний дараа, үүнд индентацийн датчикийн шинж чанар (хэлбэр, хэмжээ, пүршний хатуулаг), мэдрэмж (арын шуугиан болон холбоо барих цэгийн тооцоо), өгөгдөл тохируулах загварууд (тоон модулийн хэмжилт) зэрэг тоон үр дүнг баталгаажуулахын тулд худалдаанд байгаа хэт зөөлөн дээжийг тодорхойлсон. 1 кПа уян хатан модультай худалдаанд байгаа полиакриламид (PAAM) гидрогелийг 140 нм датчик ашиглан гидратжуулсан нөхцөлд туршсан. Модулийн туршилт болон тооцооллын талаарх дэлгэрэнгүй мэдээллийг Нэмэлт мэдээлэлд оруулсан болно. Үр дүнгээс харахад хэмжсэн дундаж модуль нь 0.92 кПа байсан бөгөөд мэдэгдэж буй модулиас %RSD болон хувь (%) хазайлт нь 10%-иас бага байв. Эдгээр үр дүнгүүд нь энэхүү ажилд хэт зөөлөн материалын модулийг хэмжихэд ашигласан AFM наноиндентацийн аргын нарийвчлал болон давтагдах чадварыг баталгаажуулж байна. Лехфилкон А CL дээж болон SiHy суурь субстратын гадаргууг мөн адил AFM наноиндентацийн аргаар хэт зөөлөн гадаргуугийн харагдахуйц холбоо барих модулийг хонхорхойн гүнээс хамааруулан судлах замаар цаашид тодорхойлсон. Доголхойн хүчний тусгаарлах муруйг төрөл тус бүрийн гурван дээжинд (n = 3; дээж тус бүрт нэг хонхорхой) 300 pN хүч, 1 µm/s хурд, бүрэн гидратжуулалтаар үүсгэсэн. Доголхойн хүчний хуваах муруйг конус бөмбөрцгийн загвар ашиглан ойролцоолсон. Доголхойн гүнээс хамааралтай модулийг олж авахын тулд хүчний муруйн 40 нм өргөн хэсгийг холбоо барих цэгээс эхлэн 20 нм-ийн өсөлт бүрт тогтоож, хүчний муруйн алхам бүрт модулийн утгыг хэмжсэн. Спин Си нар. Үүнтэй төстэй аргыг коллоид AFM датчик наноиндентацийг ашиглан поли(лаурил метакрилат) (P12MA) полимер багсны модулийн градиентийг тодорхойлоход ашигласан бөгөөд тэдгээр нь Герц холбоо барих загварыг ашигласан өгөгдөлтэй нийцэж байна. Энэхүү арга нь Зураг 8-д үзүүлсэн шиг илэрхий холбоо барих модуль (kPa) болон хонхорхойн гүн (nm)-ийн графикийг өгдөг бөгөөд энэ нь илэрхий холбоо барих модуль/гүний градиентийг харуулж байна. CL lehfilcon A дээжийн тооцоолсон уян харимхайн модуль нь дээжийн дээд 100 нм дотор 2-3 кПа хооронд байх бөгөөд үүнээс цааш гүн нэмэгдэх тусам нэмэгдэж эхэлдэг. Нөгөөтэйгүүр, гадаргуу дээр сойз шиг хальсгүй SiHy суурь субстратыг турших үед 300 pN хүчээр хүрсэн хамгийн их хонхорхойн гүн нь 50 нм-ээс бага бөгөөд өгөгдлөөс гаргаж авсан модулийн утга нь ойролцоогоор 400 кПа бөгөөд энэ нь их хэмжээний материалын Янгийн модулийн утгатай харьцуулах боломжтой юм.
Модулийг хэмжихийн тулд конус-бөмбөрцөг геометр бүхий AFM наноиндентацийн аргыг ашигласан lehfilcon A CL болон SiHy суурьт харагдахуйц холбоо барих модуль (kPa) ба хонхорхойн гүн (nm)-ийг харьцуулсан.
Шинэ биомиметик салаалсан полимер багсны бүтцийн хамгийн дээд гадаргуу нь уян хатан чанарын маш бага модуль (2-3 кПа)-г харуулдаг. Энэ нь STEM зурагт үзүүлсэн шиг салаалсан полимер багсны чөлөөтэй унжсан үзүүртэй тохирч байна. CL-ийн гаднах ирмэг дээр модулийн градиент байгаагийн зарим нотолгоо байгаа ч гол өндөр модулийн суурь нь илүү нөлөөтэй байдаг. Гэсэн хэдий ч гадаргуугийн дээд 100 нм нь салаалсан полимер багсны нийт уртын 20%-ийн дотор байдаг тул энэхүү хонхойх гүний хязгаарт хэмжсэн модулийн утга харьцангуй нарийвчлалтай бөгөөд доод объектын нөлөөллөөс хүчтэй хамаардаггүй гэж үзэх нь зүйтэй юм.
SiHy суурь материалын гадаргуу дээр залгагдсан салаалсан PMPC полимер багсны бүтцээс бүрдэх lehfilcon A контакт линзний өвөрмөц биомиметик дизайны ачаар уламжлалт хэмжилтийн аргыг ашиглан тэдгээрийн гадаргуугийн бүтцийн механик шинж чанарыг найдвартай тодорхойлоход маш хэцүү байдаг. Энд бид усны өндөр агууламжтай, маш өндөр уян хатан чанартай lefilcon A зэрэг хэт зөөлөн материалыг нарийн тодорхойлох дэвшилтэт AFM наноиндентацийн аргыг танилцуулж байна. Энэ арга нь хэт зөөлөн гадаргуугийн онцлог шинж чанаруудын бүтцийн хэмжээстэй тохирч үзүүрийн хэмжээ, геометрийг сайтар сонгосон AFM датчик ашиглахад суурилдаг. Датчик болон бүтцийн хоорондох хэмжээсийн энэхүү хослол нь мэдрэг чанарыг нэмэгдүүлж, нүх сүвний уян хатан нөлөөллөөс үл хамааран салаалсан полимер багсны элементүүдийн бага модуль болон төрөлхийн уян хатан шинж чанарыг хэмжих боломжийг олгодог. Үр дүнгээс харахад линзний гадаргуугийн өвөрмөц салаалсан PMPC полимер багс нь усан орчинд туршихад маш бага уян хатан модуль (2 кПа хүртэл), маш өндөр уян хатан чанар (бараг 100%) байгааг харуулж байна. AFM наноиндентацийн үр дүн нь бидэнд биомиметик линзний гадаргуугийн харагдахуйц холбоо барих модуль/гүний градиент (30 кПа/200 нм)-ийг тодорхойлох боломжийг олгосон. Энэхүү градиент нь салаалсан полимер багс болон SiHy суурь хоорондын модулийн зөрүү, эсвэл полимер багсны салаалсан бүтэц/нягтрал, эсвэл тэдгээрийн хослолоос үүдэлтэй байж болно. Гэсэн хэдий ч бүтэц ба шинж чанаруудын хоорондын хамаарлыг, ялангуяа багсны салаалсан байдал нь механик шинж чанарт хэрхэн нөлөөлж байгааг бүрэн ойлгохын тулд цаашид гүнзгийрүүлсэн судалгаа хийх шаардлагатай байна. Үүнтэй төстэй хэмжилтүүд нь бусад хэт зөөлөн материал болон эмнэлгийн хэрэгслийн гадаргуугийн механик шинж чанарыг тодорхойлоход тусалдаг.
Одоогийн судалгааны явцад бий болгосон болон/эсвэл шинжилсэн өгөгдлийн багцуудыг зохих ёсны хүсэлтийн дагуу тус тусын зохиогчдоос авах боломжтой.
Рахмати, М., Силва, ЭА, Реселанд, Ж.Э., Хэйвард, К. болон Хауген, Х.Ж. Биоматериалын гадаргуугийн физик болон химийн шинж чанарт үзүүлэх биологийн урвал. Химийн нийгэмлэг. 49-р хэвлэл, 5178–5224 (2020).
Чен, ФМ болон Лю, Х. Эд эсийн инженерчлэлд зориулсан хүний ​​гаралтай биоматериалыг сайжруулах нь. програмчлал. полимер. шинжлэх ухаан. 53, 86 (2016).
Садтлер, К. нар. Нөхөн сэргээх анагаах ухаанд биоматериалын дизайн, клиник хэрэгжилт, дархлааны хариу урвал. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Оливер В.К. болон Фарр Г.М. Ачаалал ба шилжилтийн хэмжилт бүхий хонхорхойн туршилтыг ашиглан хатуулаг ба уян хатан байдлын модулийг тодорхойлох сайжруулсан арга. Alma mater сэтгүүл. хадгалах сав. 7, 1564–1583 (2011).
Уолли, СМ Хатуулгын туршилтын түүхэн гарал үүсэл. Их сургууль. Шинжлэх ухаан. Технологи. 28, 1028–1044 (2012).
Бройтман, Э. Макро, микро, нано хэмжээс дэх хатуулгийн хэмжилт: Шүүмжлэлт тойм. Райт. 65, 1–18 (2017).
Кауфман, ЖД болон Клапперич, СМ Гадаргуугийн илрүүлэлтийн алдаа нь зөөлөн материалын наноиндентацид модулийг хэт үнэлэхэд хүргэдэг. Ж. Меха. Зан төлөв. Биоанагаахын шинжлэх ухаан. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колоор SSR, Аятоллахи М.Р., Бушроа А.Р. болон Яхья М.Ю. Туршилтын болон тооцооллын аргыг ашиглан олон төрлийн нанокомпозитуудын механик шинж чанарыг тодорхойлох наноиндентацийн аргыг үнэлэх. Шинжлэх ухаан. Байшин 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, болон Owart, TS Зөөлөн наалдамхай уян хатан гельний механик шинж чанарыг догол мөр болон оновчлолд суурилсан урвуу төгсгөлөг элементийн шинжилгээгээр тодорхойлох. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Эндрюс ЖВ, Боуэн Ж болон Шанлер Д. Тохирох хэмжих системийг ашиглан зуурамтгай чанарыг тодорхойлох оновчлол. Зөөлөн бодис 9, 5581–5593 (2013).
Бриско, БЖ, Фиори, Л. болон Пеллилло, Э. Полимер гадаргуугийн наноиндентаци. Физикийн сэтгүүл. Д. Физикийн хэрэглээ. 31, 2395 (1998).
Мияйлович А.С., Цин Б., Фортунато Д., Ван Влиет К.Ж. Цочролын хонхорхой ашиглан өндөр уян хатан полимер ба биологийн эд эсийн наалдамхай уян хатан механик шинж чанарыг тодорхойлох нь. Биоматериалын сэтгүүл. 71, 388–397 (2018).
Перепелкин Н.В., Ковалев А.Е., Горб С.Н., Бородич Ф.М. Өргөтгөсөн Бородич-Галанов (БГ) арга болон гүн хонхорхой ашиглан зөөлөн материалын уян хатан модуль ба наалдацын ажлыг үнэлэх. үслэг эдлэл. алма матер. 129, 198–213 (2019).
Ши, X. нар. Силикон гидрогелийн контакт линзний биомиметик полимер гадаргуугийн нано хэмжээний морфологи ба механик шинж чанарууд. Лангмюр 37, 13961–13967 (2021).