Grazzi talli żort Nature.com. Qed tuża verżjoni tal-browser b'appoġġ limitat għas-CSS. Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew tiddiżattiva l-Modalità ta' Kompatibilità fl-Internet Explorer). Barra minn hekk, biex niżguraw appoġġ kontinwu, nuru s-sit mingħajr stili u JavaScript.
Juri karużell ta’ tliet slides f’daqqa. Uża l-buttuni Preċedenti u Li Jmiss biex timxi minn tliet slides kull darba, jew uża l-buttuni tas-slider fl-aħħar biex timxi minn tliet slides kull darba.
Bl-iżvilupp ta' materjali ultra-rotob ġodda għal apparati mediċi u applikazzjonijiet bijomediċi, il-karatterizzazzjoni komprensiva tal-proprjetajiet fiżiċi u mekkaniċi tagħhom hija kemm importanti kif ukoll ta' sfida. Teknika ta' nanoindentazzjoni b'mikroskopija tal-forza atomika modifikata (AFM) ġiet applikata biex tikkaratterizza l-modulu tal-wiċċ estremament baxx tal-lenti tal-kuntatt ġdida tas-silikon idroġel bijomimetiku lehfilcon A miksija b'saff ta' strutturi ta' xkupilji tal-polimeru ramifikati. Dan il-metodu jippermetti determinazzjoni preċiża tal-punti ta' kuntatt mingħajr l-effetti ta' estrużjoni viskuża meta wieħed joqrob lejn polimeri ramifikati. Barra minn hekk, jagħmilha possibbli li jiġu ddeterminati l-karatteristiċi mekkaniċi ta' elementi individwali tax-xkupilji mingħajr l-effett tal-poroelastiċità. Dan jinkiseb billi tintgħażel sonda AFM b'disinn (daqs tal-ponta, ġeometrija u rata tar-rebbiegħa) li huwa partikolarment adattat għall-kejl tal-proprjetajiet ta' materjali rotob u kampjuni bijoloġiċi. Dan il-metodu jtejjeb is-sensittività u l-eżattezza għall-kejl preċiż tal-materjal artab ħafna lehfilcon A, li għandu modulu ta' elastiċità estremament baxx fuq l-erja tal-wiċċ (sa 2 kPa) u elastiċità estremament għolja fl-ambjent akweju intern (kważi 100%). Ir-riżultati tal-istudju tal-wiċċ mhux biss żvelaw il-proprjetajiet tal-wiċċ ultra-rotob tal-lenti lehfilcon A, iżda wrew ukoll li l-modulu tal-pinzell tal-polimeru ramifikat kien komparabbli ma' dak tas-sottostrat tas-silikon-idroġenu. Din it-teknika ta' karatterizzazzjoni tal-wiċċ tista' tiġi applikata għal materjali u apparati mediċi ultra-rotob oħra.
Il-proprjetajiet mekkaniċi ta' materjali ddisinjati għal kuntatt dirett mat-tessut ħaj ħafna drabi huma determinati mill-ambjent bijoloġiku. It-tqabbil perfett ta' dawn il-proprjetajiet tal-materjal jgħin biex jinkisbu l-karatteristiċi kliniċi mixtieqa tal-materjal mingħajr ma jikkawżaw reazzjonijiet ċellulari avversi1,2,3. Għal materjali omoġenji bl-ingrossa, il-karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet mekkaniċi hija relattivament faċli minħabba d-disponibbiltà ta' proċeduri u metodi ta' ttestjar standard (eż., mikroindentazzjoni4,5,6). Madankollu, għal materjali ultra-rotob bħal ġels, idroġels, bijopolimeri, ċelloli ħajjin, eċċ., dawn il-metodi ta' ttestjar ġeneralment mhumiex applikabbli minħabba l-limitazzjonijiet tar-riżoluzzjoni tal-kejl u l-inomoġeneità ta' xi materjali7. Matul is-snin, il-metodi tradizzjonali ta' indentazzjoni ġew modifikati u adattati biex jikkaratterizzaw firxa wiesgħa ta' materjali rotob, iżda ħafna metodi għadhom isofru minn nuqqasijiet serji li jillimitaw l-użu tagħhom8,9,10,11,12,13. In-nuqqas ta' metodi ta' ttestjar speċjalizzati li jistgħu jikkaratterizzaw b'mod preċiż u affidabbli l-proprjetajiet mekkaniċi ta' materjali super-rotob u saffi tal-wiċċ jillimita severament l-użu tagħhom f'diversi applikazzjonijiet.
Fix-xogħol preċedenti tagħna, introduċejna l-lenti tal-kuntatt lehfilcon A (CL), materjal eteroġenju artab bil-proprjetajiet tal-wiċċ ultra-artab kollha derivati ​​minn disinji potenzjalment bijomimetiċi ispirati mill-wiċċ tal-kornea tal-għajn. Dan il-bijomaterjal ġie żviluppat billi tlaqqam saff polimeriku ramifikat u cross-linked ta' poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) fuq silikon hydrogel (SiHy) 15 iddisinjat għal apparati mediċi bbażati fuq. Dan il-proċess ta' tilqim joħloq saff fuq il-wiċċ li jikkonsisti minn struttura ta' pinzell polimeriku ramifikat ratba ħafna u elastika ħafna. Ix-xogħol preċedenti tagħna kkonferma li l-istruttura bijomimetika ta' lehfilcon A CL tipprovdi proprjetajiet superjuri tal-wiċċ bħal prevenzjoni mtejba tat-tixrib u l-fouling, lubriċità akbar, u adeżjoni mnaqqsa taċ-ċelloli u l-batterji15,16. Barra minn hekk, l-użu u l-iżvilupp ta' dan il-materjal bijomimetiku jissuġġerixxu wkoll espansjoni ulterjuri għal apparati bijomediċi oħra. Għalhekk, huwa kritiku li jiġu kkaratterizzati l-proprjetajiet tal-wiċċ ta’ dan il-materjal ultra-artab u li tinftiehem l-interazzjoni mekkanika tiegħu mal-għajn sabiex tinħoloq bażi ta’ għarfien komprensiva biex tappoġġja żviluppi u applikazzjonijiet futuri. Il-biċċa l-kbira tal-lentijiet tal-kuntatt SiHy disponibbli kummerċjalment huma magħmula minn taħlita omoġenja ta’ polimeri idrofiliċi u idrofobiċi li jiffurmaw struttura uniformi tal-materjal17. Saru diversi studji biex jiġu investigati l-proprjetajiet mekkaniċi tagħhom bl-użu ta’ metodi tradizzjonali ta’ ttestjar tal-kompressjoni, tat-tensjoni u tal-mikroindentazzjoni18,19,20,21. Madankollu, id-disinn bijomimetiku ġdid ta’ lehfilcon A CL jagħmilha materjal eteroġenju uniku fejn il-proprjetajiet mekkaniċi tal-istrutturi tal-pinzell tal-polimeru ramifikat ivarjaw b’mod sinifikanti minn dawk tas-sottostrat bażi SiHy. Għalhekk, huwa diffiċli ħafna li jiġu kwantifikati b’mod preċiż dawn il-proprjetajiet bl-użu ta’ metodi konvenzjonali u ta’ indentazzjoni. Metodu promettenti juża l-metodu ta’ ttestjar tan-nanoindentazzjoni implimentat fil-mikroskopija tal-forza atomika (AFM), metodu li ntuża biex jiddetermina l-proprjetajiet mekkaniċi ta’ materjali viskoelastiċi rotob bħal ċelloli u tessuti bijoloġiċi, kif ukoll polimeri rotob22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Fin-nanoindentazzjoni tal-AFM, il-prinċipji fundamentali tal-ittestjar tan-nanoindentazzjoni huma kkombinati mal-aħħar avvanzi fit-teknoloġija tal-AFM biex jipprovdu sensittività akbar għall-kejl u ttestjar ta' firxa wiesgħa ta' materjali intrinsikament superrotob31,32,33,34,35,36. Barra minn hekk, it-teknoloġija toffri vantaġġi importanti oħra permezz tal-użu ta' ġeometriji differenti, indentatur u sonda, u l-possibbiltà ta' ttestjar f'diversi mezzi likwidi.
In-nanoindentazzjoni tal-AFM tista' tinqasam kondizzjonalment fi tliet komponenti ewlenin: (1) tagħmir (sensuri, ditekters, sondi, eċċ.); (2) parametri tal-kejl (bħal forza, spostament, veloċità, daqs tar-rampa, eċċ.); (3) Ipproċessar tad-dejta (korrezzjoni tal-linja bażi, stima tal-punt tal-mess, twaħħil tad-dejta, immudellar, eċċ.). Problema sinifikanti b'dan il-metodu hija li diversi studji fil-letteratura li jużaw in-nanoindentazzjoni tal-AFM jirrappurtaw riżultati kwantitattivi differenti ħafna għall-istess tip ta' kampjun/ċellula/materjal37,38,39,40,41. Pereżempju, Lekka et al. L-influwenza tal-ġeometrija tas-sonda tal-AFM fuq il-modulu ta' Young imkejjel ta' kampjuni ta' idroġel mekkanikament omoġenju u ċelloli eteroġenji ġiet studjata u mqabbla. Huma jirrappurtaw li l-valuri tal-modulu jiddependu ħafna fuq l-għażla tal-cantilever u l-forma tal-ponta, bl-ogħla valur għal sonda f'forma ta' piramida u l-inqas valur ta' 42 għal sonda sferika. Bl-istess mod, Selhuber-Unkel et al. Intwera kif il-veloċità tal-indentatur, id-daqs tal-indentatur u l-ħxuna tal-kampjuni tal-poliakrilamida (PAAM) jaffettwaw il-modulu ta' Young imkejjel bin-nanoindentazzjoni ACM43. Fattur ieħor li jikkomplika huwa n-nuqqas ta' materjali standard tat-test b'modulu estremament baxx u proċeduri tat-test ħielsa. Dan jagħmilha diffiċli ħafna li jinkisbu riżultati preċiżi b'kunfidenza. Madankollu, il-metodu huwa utli ħafna għal kejl relattiv u evalwazzjonijiet komparattivi bejn tipi ta' kampjuni simili, pereżempju bl-użu tan-nanoindentazzjoni AFM biex tiddistingwi ċ-ċelloli normali miċ-ċelloli tal-kanċer 44, 45.
Meta jiġu ttestjati materjali rotob b'nanoindentazzjoni AFM, regola ġenerali hija li tintuża sonda b'kostanti tar-rebbiegħa baxxa (k) li taqbel mill-qrib mal-modulu tal-kampjun u ponta emisferika/tonda sabiex l-ewwel sonda ma tittaqqabx l-uċuħ tal-kampjun mal-ewwel kuntatt ma' materjali rotob. Huwa importanti wkoll li s-sinjal ta' deflessjoni ġġenerat mis-sonda jkun b'saħħtu biżżejjed biex jiġi skopert mis-sistema ta' ditekter bil-lejżer24,34,46,47. Fil-każ ta' ċelloli, tessuti u ġellijiet eteroġenji ultra-rotob, sfida oħra hija li tingħeleb il-forza adeżiva bejn is-sonda u l-wiċċ tal-kampjun biex jiġu żgurati kejl riproduċibbli u affidabbli48,49,50. Sa ftit ilu, ħafna mix-xogħol fuq in-nanoindentazzjoni AFM iffoka fuq l-istudju tal-imġiba mekkanika ta' ċelloli bijoloġiċi, tessuti, ġellijiet, idroġels, u bijomolekuli bl-użu ta' sondi sferiċi relattivament kbar, komunement imsejħa sondi kollojdali (CPs). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Dawn il-ponot għandhom raġġ ta' 1 sa 50 µm u huma komunement magħmula minn ħġieġ borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirene (PS), dijossidu tas-silikon (SiO2) u karbonju simili għad-djamant (DLC). Għalkemm in-nanoindentazzjoni CP-AFM ħafna drabi hija l-ewwel għażla għall-karatterizzazzjoni ta' kampjuni rotob, għandha l-problemi u l-limitazzjonijiet tagħha stess. L-użu ta' ponot sferiċi kbar ta' daqs mikron iżid l-erja ta' kuntatt totali tal-ponta mal-kampjun u jirriżulta f'telf sinifikanti ta' riżoluzzjoni spazjali. Għal kampjuni rotob u mhux omoġenji, fejn il-proprjetajiet mekkaniċi tal-elementi lokali jistgħu jvarjaw b'mod sinifikanti mill-medja fuq żona usa', l-indentazzjoni CP tista' taħbi kwalunkwe inomoġenjità fil-proprjetajiet fuq skala lokali52. Is-sondi kollojdali tipikament isiru billi jitwaħħlu sferi kollojdali ta' daqs mikron ma' cantilevers mingħajr ponta bl-użu ta' adeżivi epossidiċi. Il-proċess tal-manifattura nnifsu huwa mimli b'ħafna problemi u jista' jwassal għal inkonsistenzi fil-proċess ta' kalibrazzjoni tas-sonda. Barra minn hekk, id-daqs u l-massa tal-partiċelli kollojdali jaffettwaw direttament il-parametri ewlenin tal-kalibrazzjoni tal-cantilever, bħall-frekwenza reżonanti, l-ebusija tar-rebbiegħa, u s-sensittività għad-deflessjoni56,57,58. Għalhekk, metodi użati b'mod komuni għal sondi AFM konvenzjonali, bħall-kalibrazzjoni tat-temperatura, jistgħu ma jipprovdux kalibrazzjoni preċiża għas-CP, u jistgħu jkunu meħtieġa metodi oħra biex jitwettqu dawn il-korrezzjonijiet57, 59, 60, 61. Esperimenti tipiċi ta' indentazzjoni tas-CP jużaw devjazzjonijiet kbar tal-cantilever biex jistudjaw il-proprjetajiet ta' kampjuni rotob, li joħloq problema oħra meta tiġi kalibrata l-imġiba mhux lineari tal-cantilever f'devjazzjonijiet relattivament kbar62,63,64. Metodi moderni ta' indentazzjoni tas-sonda kollojdali ġeneralment iqisu l-ġeometrija tal-cantilever użat biex jikkalibra s-sonda, iżda jinjoraw l-influwenza tal-partiċelli kollojdali, li joħloq inċertezza addizzjonali fl-eżattezza tal-metodu38,61. Bl-istess mod, il-moduli elastiċi kkalkulati permezz tat-twaħħil tal-mudell tal-kuntatt jiddependu direttament fuq il-ġeometrija tas-sonda tal-indentazzjoni, u n-nuqqas ta' qbil bejn il-ponta u l-karatteristiċi tal-wiċċ tal-kampjun jista' jwassal għal ineżattezzi27, 65, 66, 67, 68. Xi xogħol reċenti minn Spencer et al. Il-fatturi li għandhom jitqiesu meta jiġu kkaratterizzati xkupilji tal-polimeru artab bl-użu tal-metodu ta' nanoindentazzjoni CP-AFM huma enfasizzati. Huma rrappurtaw li ż-żamma ta' fluwidu viskuż fix-xkupilji tal-polimeru bħala funzjoni tal-veloċità tirriżulta f'żieda fit-tagħbija tar-ras u għalhekk kejl differenti tal-proprjetajiet dipendenti fuq il-veloċità30,69,70,71.
F'dan l-istudju, ikkaratterizzajna l-modulu tal-wiċċ tal-materjal ultra-artab ħafna elastiku lehfilcon A CL bl-użu ta' metodu modifikat ta' nanoindentazzjoni AFM. Minħabba l-proprjetajiet u l-istruttura l-ġdida ta' dan il-materjal, il-medda ta' sensittività tal-metodu tradizzjonali ta' indentazzjoni hija b'mod ċar insuffiċjenti biex tikkaratterizza l-modulu ta' dan il-materjal estremament artab, għalhekk huwa meħtieġ li jintuża metodu ta' nanoindentazzjoni AFM b'sensittività ogħla u livell ta' sensittività aktar baxx. Wara li rrevedejna n-nuqqasijiet u l-problemi tat-tekniki eżistenti ta' nanoindentazzjoni tas-sonda kollojdali AFM, nuru għaliex għażilna sonda AFM iżgħar u ddisinjata apposta biex telimina s-sensittività, l-istorbju fl-isfond, tippunta l-punt ta' kuntatt, tkejjel il-modulu tal-veloċità ta' materjali eteroġenji rotob bħad-dipendenza fuq iż-żamma tal-fluwidi u kwantifikazzjoni preċiża. Barra minn hekk, stajna nkejlu b'mod preċiż il-forma u d-dimensjonijiet tal-ponta tal-indentazzjoni, li jippermettilna nużaw il-mudell ta' twaħħil tal-kon-sfera biex niddeterminaw il-modulu tal-elastiċità mingħajr ma nivvalutaw iż-żona ta' kuntatt tal-ponta mal-materjal. Iż-żewġ suppożizzjonijiet impliċiti li huma kwantifikati f'dan ix-xogħol huma l-proprjetajiet tal-materjal kompletament elastiku u l-modulu indipendenti mill-fond tal-indentazzjoni. Bl-użu ta' dan il-metodu, l-ewwel ittestjajna standards ultra-rotob b'modulu magħruf biex nikkwantifikaw il-metodu, u mbagħad użajna dan il-metodu biex nikkaratterizzaw l-uċuħ ta' żewġ materjali differenti tal-lentijiet tal-kuntatt. Dan il-metodu ta' karatterizzazzjoni ta' uċuħ ta' nanoindentazzjoni AFM b'sensittività akbar huwa mistenni li jkun applikabbli għal firxa wiesgħa ta' materjali ultra-rotob eteroġenji bijomimetiċi b'użu potenzjali f'apparati mediċi u applikazzjonijiet bijomediċi.
Għal esperimenti ta' nanoindentazzjoni ntgħażlu lentijiet tal-kuntatt Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) u s-sottostrati tas-silikon idroġel tagħhom. Fl-esperiment intuża muntatura tal-lenti ddisinjata apposta. Biex tiġi installata l-lenti għall-ittestjar, din tqiegħdet bir-reqqa fuq l-istand forma ta' koppla, filwaqt li ġie żgurat li ma daħlux bżieżaq tal-arja ġewwa, u mbagħad ġiet imwaħħla mat-truf. Toqba fl-apparat fil-parti ta' fuq tad-detentur tal-lenti tipprovdi aċċess għaċ-ċentru ottiku tal-lenti għal esperimenti ta' nanoindentazzjoni filwaqt li żżomm il-likwidu f'postu. Dan iżomm il-lentijiet idratati kompletament. 500 μl ta' soluzzjoni tal-ippakkjar tal-lentijiet tal-kuntatt intużat bħala soluzzjoni tat-test. Biex jiġu vverifikati r-riżultati kwantitattivi, ġew ippreparati idroġels tal-poliakrilamide mhux attivata (PAAM) disponibbli kummerċjalment minn kompożizzjoni ta' poliakrilamide-ko-metilene-bisakrilamide (dixxijiet Petrisoft Petri ta' 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), modulu elastiku magħruf ta' 1 kPa. Uża 4-5 qatriet (madwar 125 µl) ta' salina b'buffer tal-fosfat (PBS minn Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) u qatra waħda ta' soluzzjoni tal-lentijiet tal-kuntatt OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA). ) fl-interfaċċja tal-AFM hydrogel-probe.
Kampjuni ta' sottostrati Lehfilcon A CL u SiHy ġew viżwalizzati bl-użu ta' sistema FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) mgħammra b'ditekter Scanning Transmission Electron Microscope (STEM). Biex jitħejjew il-kampjuni, il-lentijiet l-ewwel inħaslu bl-ilma u nqatgħu f'kunjardi forma ta' torta. Biex jinkiseb kuntrast differenzjali bejn il-komponenti idrofiliċi u idrofobiċi tal-kampjuni, intużat soluzzjoni stabbilizzata ta' 0.10% ta' RuO4 bħala żebgħa, li fiha l-kampjuni ġew mgħaddsa għal 30 minuta. It-tebgħa tal-lehfilcon A CL RuO4 hija importanti mhux biss biex jinkiseb kuntrast differenzjali mtejjeb, iżda tgħin ukoll biex tippreserva l-istruttura tal-pniezel tal-polimeru ramifikat fil-forma oriġinali tagħhom, li mbagħad ikunu viżibbli fuq immaġini STEM. Imbagħad inħaslu u ġew deidratati f'serje ta' taħlitiet ta' etanol/ilma b'konċentrazzjoni dejjem tiżdied ta' etanol. Il-kampjuni mbagħad ġew ikkastjati b'EMBed 812/Araldite epoxy, li fejjaq matul il-lejl f'70°C. Blokki ta' kampjuni miksuba permezz tal-polimerizzazzjoni tar-reżina nqatgħu b'ultramikrotomu, u s-sezzjonijiet irqaq li rriżultaw ġew viżwalizzati b'ditekter STEM f'modalità ta' vakwu baxx b'vultaġġ ta' aċċelerazzjoni ta' 30 kV. L-istess sistema SEM intużat għall-karatterizzazzjoni dettaljata tas-sonda PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA). L-immaġini SEM tas-sonda AFM inkisbu f'modalità tipika ta' vakwu għoli b'vultaġġ ta' aċċelerazzjoni ta' 30 kV. Akkwista immaġini f'angoli u ingrandimenti differenti biex tirreġistra d-dettalji kollha tal-forma u d-daqs tal-ponta tas-sonda AFM. Id-dimensjonijiet kollha tal-ponta ta' interess fl-immaġini tkejlu diġitalment.
Mikroskopju tal-forza atomika Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) bil-modalità “PeakForce QNM in Fluid” intuża biex jivviżwalizza u nanoindentja kampjuni ta' lehfilcon A CL, sottostrat SiHy, u PAAm hydrogel. Għal esperimenti tal-immaġini, intużat sonda PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) b'raġġ nominali tal-ponta ta' 1 nm biex taqbad immaġini b'riżoluzzjoni għolja tal-kampjun b'rata ta' skannjar ta' 0.50 Hz. L-immaġini kollha ttieħdu f'soluzzjoni akwea.
Esperimenti ta' nanoindentazzjoni AFM twettqu bl-użu ta' sonda PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Is-sonda AFM għandha ponta tas-silikon fuq cantilever tan-nitrid ħoxnin 345 nm, twila 54 µm u wiesgħa 4.5 µm bi frekwenza reżonanti ta' 45 kHz. Hija ddisinjata speċifikament biex tikkaratterizza u twettaq kejl nanomekkaniku kwantitattiv fuq kampjuni bijoloġiċi rotob. Is-sensuri huma kalibrati individwalment fil-fabbrika b'settings tar-rebbiegħa kalibrati minn qabel. Il-kostanti tar-rebbiegħa tas-sondi użati f'dan l-istudju kienu fil-medda ta' 0.05–0.1 N/m. Biex jiġu ddeterminati b'mod preċiż il-forma u d-daqs tal-ponta, is-sonda ġiet ikkaratterizzata fid-dettall bl-użu tas-SEM. Fil-figura 1a turi mikrografu elettroniku tal-iskannjar b'riżoluzzjoni għolja u ingrandiment baxx tas-sonda PFQNM-LC-A-CAL, li tipprovdi veduta olistika tad-disinn tas-sonda. Fil-figura 1b turi veduta mkabbra tal-parti ta' fuq tal-ponta tas-sonda, li tipprovdi informazzjoni dwar il-forma u d-daqs tal-ponta. Fit-tarf estrem, il-labra hija emisfera b'dijametru ta' madwar 140 nm (Fig. 1c). Taħt dan, il-ponta tiddejjaq f'forma konika, u tilħaq tul imkejjel ta' madwar 500 nm. Barra mir-reġjun li jiddejjaq, il-ponta hija ċilindrika u tispiċċa f'tul totali tal-ponta ta' 1.18 µm. Din hija l-parti funzjonali ewlenija tal-ponta tas-sonda. Barra minn hekk, sonda sferika kbira tal-polistirene (PS) (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) b'dijametru tal-ponta ta' 45 µm u kostanti tar-rebbiegħa ta' 2 N/m intużat ukoll għall-ittestjar bħala sonda kollojdali. b'sonda PFQNM-LC-A-CAL 140 nm għal tqabbil.
Ġie rrappurtat li l-likwidu jista' jinqabad bejn is-sonda AFM u l-istruttura tal-pinzell tal-polimeru waqt in-nanoindentazzjoni, li se teżerċita forza 'l fuq fuq is-sonda AFM qabel ma fil-fatt tmiss il-wiċċ69. Dan l-effett ta' estrużjoni viskuża minħabba ż-żamma tal-fluwidu jista' jibdel il-punt ta' kuntatt apparenti, u b'hekk jaffettwa l-kejl tal-modulu tal-wiċċ. Biex jiġi studjat l-effett tal-ġeometrija tas-sonda u l-veloċità tal-indentazzjoni fuq iż-żamma tal-fluwidu, ġew ipplottjati kurvi tal-forza tal-indentazzjoni għal kampjuni lehfilcon A CL bl-użu ta' sonda b'dijametru ta' 140 nm b'rati ta' spostament kostanti ta' 1 µm/s u 2 µm/s. Dijametru tas-sonda 45 µm, issettjar tal-forza fissa ta' 6 nN miksub f'1 µm/s. Esperimenti b'sonda b'dijametru ta' 140 nm twettqu b'veloċità ta' indentazzjoni ta' 1 µm/s u forza ssettjata ta' 300 pN, magħżula biex tinħoloq pressjoni ta' kuntatt fil-medda fiżjoloġika (1–8 kPa) tat-tebqet il-għajn ta' fuq. pressjoni 72. Kampjuni rotob lesti ta' PAA hydrogel bi pressjoni ta' 1 kPa ġew ittestjati għal forza ta' indentazzjoni ta' 50 pN b'veloċità ta' 1 μm/s bl-użu ta' sonda b'dijametru ta' 140 nm.
Peress li t-tul tal-parti konika tal-ponta tas-sonda PFQNM-LC-A-CAL huwa ta' madwar 500 nm, għal kwalunkwe fond ta' indentazzjoni < 500 nm jista' jiġi preżunt b'mod sikur li l-ġeometrija tas-sonda waqt l-indentazzjoni tibqa' vera għall-forma tal-kon tagħha. Barra minn hekk, huwa preżunt li l-wiċċ tal-materjal li qed jiġi ttestjat se juri rispons elastiku riversibbli, li se jiġi kkonfermat ukoll fit-taqsimiet li ġejjin. Għalhekk, skont il-forma u d-daqs tal-ponta, għażilna l-mudell ta' twaħħil kon-sfera żviluppat minn Briscoe, Sebastian u Adams, li huwa disponibbli fis-softwer tal-bejjiegħ, biex nipproċessaw l-esperimenti tagħna ta' nanoindentazzjoni AFM (NanoScope). Softwer ta' analiżi tad-dejta tas-separazzjoni, Bruker) 73. Il-mudell jiddeskrivi r-relazzjoni forza-spostament F(δ) għal kon b'difett sferiku fl-apiċi. Fuq il-fig. Il-Figura 2 turi l-ġeometrija tal-kuntatt waqt l-interazzjoni ta' kon riġidu ma' ponta sferika, fejn R huwa r-raġġ tal-ponta sferika, a huwa r-raġġ tal-kuntatt, b huwa r-raġġ tal-kuntatt fit-tarf tal-ponta sferika, δ huwa l-fond tal-indentazzjoni, θ huwa n-nofs angolu tal-kon. L-immaġni SEM ta' din is-sonda turi b'mod ċar li l-ponta sferika b'dijametru ta' 140 nm tingħaqad tanġenzjalment ma' kon, għalhekk hawn b hija definita biss permezz ta' R, jiġifieri b = R cos θ. Is-softwer ipprovdut mill-bejjiegħ jipprovdi relazzjoni kon-sfera biex jiġu kkalkulati l-valuri tal-modulu ta' Young (E) mid-dejta tas-separazzjoni tal-forza jekk wieħed jassumi a > b. Relazzjoni:
Fejn F hija l-forza tal-indentazzjoni, E huwa l-modulu ta' Young, ν huwa l-proporzjon ta' Poisson. Ir-raġġ tal-kuntatt a jista' jiġi stmat bl-użu ta':
Skema tal-ġeometrija tal-kuntatt ta' kon riġidu b'ponta sferika ppressata fil-materjal ta' lenti tal-kuntatt Lefilcon b'saff tal-wiċċ ta' xkupilji tal-polimeru ramifikati.
Jekk a ≤ b, ir-relazzjoni titnaqqas għall-ekwazzjoni għal indentatur sferiku konvenzjonali;
Aħna nemmnu li l-interazzjoni tas-sonda tal-indentazzjoni mal-istruttura ramifikata tal-pinzell tal-polimeru PMPC se tikkawża li r-raġġ tal-kuntatt a jkun akbar mir-raġġ tal-kuntatt sferiku b. Għalhekk, għall-kejl kwantitattiv kollu tal-modulu elastiku mwettaq f'dan l-istudju, użajna d-dipendenza miksuba għall-każ a > b.
Il-materjali bijomimetiċi ultrarotob studjati f'dan l-istudju ġew immaġinati b'mod komprensiv bl-użu ta' mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni ta' skannjar (STEM) tas-sezzjoni trasversali tal-kampjun u mikroskopija tal-forza atomika (AFM) tal-wiċċ. Din il-karatterizzazzjoni dettaljata tal-wiċċ twettqet bħala estensjoni tax-xogħol tagħna ppubblikat qabel, fejn iddeterminajna li l-istruttura tal-pinzell polimeriku ramifikat dinamikament tal-wiċċ lehfilcon A CL modifikat bil-PMPC wriet proprjetajiet mekkaniċi simili għat-tessut korneali nattiv 14. Għal din ir-raġuni, nirreferu għall-uċuħ tal-lentijiet tal-kuntatt bħala materjali bijomimetiċi14. Fil-fig. 3a,b juru sezzjonijiet trasversali ta' strutturi tal-pinzell polimeriku PMPC ramifikati fuq il-wiċċ ta' sottostrat lehfilcon A CL u sottostrat SiHy mhux trattat, rispettivament. L-uċuħ taż-żewġ kampjuni ġew analizzati aktar bl-użu ta' immaġini AFM b'riżoluzzjoni għolja, li kkonfermaw aktar ir-riżultati tal-analiżi STEM (Fig. 3c, d). Meħuda flimkien, dawn l-immaġini jagħtu tul approssimattiv tal-istruttura tal-pinzell polimeriku ramifikat PMPC fi 300–400 nm, li huwa kritiku għall-interpretazzjoni tal-kejl tan-nanoindentazzjoni AFM. Osservazzjoni ewlenija oħra derivata mill-immaġini hija li l-istruttura ġenerali tal-wiċċ tal-materjal bijomimetiku CL hija morfoloġikament differenti minn dik tal-materjal tas-sottostrat SiHy. Din id-differenza fil-morfoloġija tal-wiċċ tagħhom tista' ssir apparenti waqt l-interazzjoni mekkanika tagħhom mas-sonda AFM tal-indentazzjoni u sussegwentement fil-valuri tal-modulu mkejla.
Immaġnijiet STEM trasversali ta' (a) lehfilcon A CL u (b) sottostrat SiHy. Skala tal-iskala, 500 nm. Immaġnijiet AFM tal-wiċċ tas-sottostrat lehfilcon A CL (c) u s-sottostrat bażi SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Il-polimeri bijoispirati u l-istrutturi tal-pinzell tal-polimeri huma intrinsikament rotob u ġew studjati u użati ħafna f'diversi applikazzjonijiet bijomediċi74,75,76,77. Għalhekk, huwa importanti li jintuża l-metodu ta' nanoindentazzjoni AFM, li jista' jkejjel b'mod preċiż u affidabbli l-proprjetajiet mekkaniċi tagħhom. Iżda fl-istess ħin, il-proprjetajiet uniċi ta' dawn il-materjali ultra-rotob, bħal modulu elastiku estremament baxx, kontenut għoli ta' likwidu u elastiċità għolja, ħafna drabi jagħmluha diffiċli li tagħżel il-materjal, il-forma u d-daqs it-tajjeb tas-sonda tal-indentazzjoni. Dan huwa importanti sabiex l-indenter ma jittaqqabx il-wiċċ artab tal-kampjun, li jwassal għal żbalji fid-determinazzjoni tal-punt ta' kuntatt mal-wiċċ u ż-żona ta' kuntatt.
Għal dan, huwa essenzjali li jkun hemm fehim komprensiv tal-morfoloġija tal-materjali bijomimetiċi ultra-rotob (lehfilcon A CL). Informazzjoni dwar id-daqs u l-istruttura tal-pinzell tal-polimeru ramifikat miksuba bl-użu tal-metodu tal-immaġini tipprovdi l-bażi għall-karatterizzazzjoni mekkanika tal-wiċċ bl-użu ta' tekniki ta' nanoindentazzjoni AFM. Minflok sondi kollojdali sferiċi ta' daqs mikron, għażilna s-sonda tan-nitrid tas-silikon PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) b'dijametru tal-ponta ta' 140 nm, iddisinjata apposta għall-immappjar kwantitattiv tal-proprjetajiet mekkaniċi ta' kampjuni bijoloġiċi 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Ir-raġuni għall-użu ta' sondi relattivament jaqtgħu meta mqabbla mas-sondi kollojdali konvenzjonali tista' tiġi spjegata mill-karatteristiċi strutturali tal-materjal. Meta wieħed iqabbel id-daqs tal-ponta tas-sonda (~140 nm) mal-pinzell tal-polimeru ramifikat fuq il-wiċċ tas-CL lehfilcon A, muri fil-Fig. 3a, jista' jiġi konkluż li l-ponta hija kbira biżżejjed biex tiġi f'kuntatt dirett ma' dawn l-istrutturi tal-pinzell, li jnaqqas iċ-ċans li l-ponta tittaqqab minnhom. Biex nispjegaw dan il-punt, fil-Fig. 4 hemm immaġni STEM tal-lehfilcon A CL u l-ponta tal-indentazzjoni tas-sonda AFM (mpinġija skont l-iskala).
Skematika li turi immaġni STEM ta' lehfilcon A CL u sonda ta' indentazzjoni ACM (mpinġija fuq skala).
Barra minn hekk, id-daqs tal-ponta ta' 140 nm huwa żgħir biżżejjed biex jiġi evitat ir-riskju ta' kwalunkwe wieħed mill-effetti ta' estrużjoni li jwaħħlu rrappurtati qabel għal xkupilji tal-polimeru prodotti bil-metodu ta' nanoindentazzjoni CP-AFM69,71. Nassumu li minħabba l-forma kon-sferika speċjali u d-daqs relattivament żgħir ta' din il-ponta AFM (Fig. 1), in-natura tal-kurva tal-forza ġġenerata min-nanoindentazzjoni lehfilcon A CL mhux se tiddependi fuq il-veloċità tal-indentazzjoni jew il-veloċità tat-tagħbija/ħatt. Għalhekk, mhijiex affettwata minn effetti poroelastiċi. Biex tiġi ttestjata din l-ipoteżi, il-kampjuni ta' lehfilcon A CL ġew indentati b'forza massima fissa bl-użu ta' sonda PFQNM-LC-A-CAL, iżda b'żewġ veloċitajiet differenti, u l-kurvi tal-forza tat-tensjoni u tar-ritrattazzjoni li rriżultaw intużaw biex jipplottjaw il-forza (nN) fis-separazzjoni (µm) kif muri fil-Figura 5a. Jidher ċar li l-kurvi tal-forza waqt it-tagħbija u l-ħatt jikkoinċidu kompletament, u m'hemm l-ebda evidenza ċara li l-forza shear f'fond ta' indentazzjoni żero tiżdied mal-veloċità ta' indentazzjoni fil-figura, li tissuġġerixxi li l-elementi individwali tal-pinzell ġew ikkaratterizzati mingħajr effett poroelastiku. B'kuntrast, l-effetti taż-żamma tal-fluwidu (estrużjoni viskuża u effetti ta' poroelastiċità) huma evidenti għas-sonda AFM b'dijametru ta' 45 µm bl-istess veloċità ta' indentazzjoni u huma enfasizzati mill-isteresi bejn il-kurvi tat-tiġbid u r-ritrattazzjoni, kif muri fil-Figura 5b. Dawn ir-riżultati jappoġġjaw l-ipoteżi u jissuġġerixxu li s-sondi b'dijametru ta' 140 nm huma għażla tajba għall-karatterizzazzjoni ta' uċuħ rotob bħal dawn.
Kurvi tal-forza tal-indentazzjoni ta' lehfilcon A CL bl-użu tal-ACM; (a) bl-użu ta' sonda b'dijametru ta' 140 nm b'żewġ rati ta' tagħbija, li juru n-nuqqas ta' effett poroelastiku waqt l-indentazzjoni tal-wiċċ; (b) bl-użu ta' sondi b'dijametru ta' 45 µm u 140 nm. s juru l-effetti tal-estrużjoni viskuża u l-poroelastiċità għal sondi kbar meta mqabbla ma' sondi iżgħar.
Biex jiġu kkaratterizzati uċuħ ultra-rotob, il-metodi ta' nanoindentazzjoni tal-AFM irid ikollhom l-aħjar sonda biex jistudjaw il-proprjetajiet tal-materjal li qed jiġi studjat. Minbarra l-għamla u d-daqs tal-ponta, is-sensittività tas-sistema tad-ditekter tal-AFM, is-sensittività għad-deflessjoni tal-ponta fl-ambjent tat-test, u l-ebusija tal-cantilever għandhom rwol importanti fid-determinazzjoni tal-eżattezza u l-affidabbiltà tal-kejl tan-nanoindentazzjoni. Għas-sistema AFM tagħna, il-limitu ta' skoperta tad-Ditekter Sensittiv għall-Pożizzjoni (PSD) huwa ta' madwar 0.5 mV u huwa bbażat fuq ir-rata tar-rebbiegħa kalibrata minn qabel u s-sensittività kkalkulata għad-deflessjoni tal-fluwidu tas-sonda PFQNM-LC-A-CAL, li tikkorrispondi għas-sensittività teoretika tat-tagħbija, hija inqas minn 0.1 pN. Għalhekk, dan il-metodu jippermetti l-kejl ta' forza minima ta' indentazzjoni ≤ 0.1 pN mingħajr ebda komponent ta' storbju periferali. Madankollu, huwa kważi impossibbli għal sistema AFM li tnaqqas l-istorbju periferali għal dan il-livell minħabba fatturi bħall-vibrazzjoni mekkanika u d-dinamika tal-fluwidu. Dawn il-fatturi jillimitaw is-sensittività ġenerali tal-metodu ta' nanoindentazzjoni AFM u jirriżultaw ukoll f'sinjal ta' storbju fl-isfond ta' madwar ≤ 10 pN. Għall-karatterizzazzjoni tal-wiċċ, kampjuni tas-sottostrat lehfilcon A CL u SiHy ġew indentati taħt kundizzjonijiet kompletament idratati bl-użu ta' sonda ta' 140 nm għall-karatterizzazzjoni SEM, u l-kurvi tal-forza li rriżultaw ġew superimposti bejn il-forza (pN) u l-pressjoni. Il-plott tas-separazzjoni (µm) huwa muri fil-Figura 6a. Meta mqabbel mas-sottostrat bażi SiHy, il-kurva tal-forza lehfilcon A CL turi b'mod ċar fażi tranżizzjonali li tibda fil-punt ta' kuntatt mal-pinzell tal-polimeru furkettat u tispiċċa b'bidla qawwija fl-inklinazzjoni li timmarka l-kuntatt tal-ponta mal-materjal sottostanti. Din il-parti tranżizzjonali tal-kurva tal-forza tenfasizza l-imġiba tassew elastika tal-pinzell tal-polimeru ramifikat fuq il-wiċċ, kif evidenzjat mill-kurva tal-kompressjoni li ssegwi mill-qrib il-kurva tat-tensjoni u l-kuntrast fil-proprjetajiet mekkaniċi bejn l-istruttura tal-pinzell u l-materjal SiHy goff. Meta jitqabbel lefilcon. Is-separazzjoni tat-tul medju ta' pinzell tal-polimeru ramifikat fl-immaġni STEM tal-PCS (Fig. 3a) u l-kurva tal-forza tagħha tul l-axxiża fil-Fig. 3a. 6a turi li l-metodu kapaċi jinduna bil-ponta u l-polimeru ramifikat li jilħaq il-parti ta' fuq nett tal-wiċċ. Kuntatt bejn l-istrutturi tal-pinzell. Barra minn hekk, is-sovrappożizzjoni mill-qrib tal-kurvi tal-forza ma tindika l-ebda effett ta' żamma tal-likwidu. F'dan il-każ, m'hemm assolutament l-ebda adeżjoni bejn il-labra u l-wiċċ tal-kampjun. L-ogħla sezzjonijiet tal-kurvi tal-forza għaż-żewġ kampjuni jikkoinċidu, u dan jirrifletti x-xebh tal-proprjetajiet mekkaniċi tal-materjali tas-sottostrat.
(a) Kurvi tal-forza tan-nanoindentazzjoni AFM għal sottostrati ta' lehfilcon A CL u sottostrati ta' SiHy, (b) kurvi tal-forza li juru stima tal-punt ta' kuntatt bl-użu tal-metodu tal-limitu tal-ħoss fl-isfond.
Sabiex jiġu studjati d-dettalji aktar fini tal-kurva tal-forza, il-kurva tat-tensjoni tal-kampjun lehfilcon A CL hija pplottjata mill-ġdid fil-Fig. 6b b'forza massima ta' 50 pN tul l-assi y. Din il-grafika tipprovdi informazzjoni importanti dwar l-istorbju fl-isfond oriġinali. L-istorbju huwa fil-medda ta' ±10 pN, li tintuża biex tiddetermina b'mod preċiż il-punt ta' kuntatt u tikkalkula l-fond tal-indentazzjoni. Kif irrappurtat fil-letteratura, l-identifikazzjoni tal-punti ta' kuntatt hija kritika biex jiġu vvalutati b'mod preċiż il-proprjetajiet tal-materjal bħall-modulu85. Approċċ li jinvolvi l-ipproċessar awtomatiku tad-dejta tal-kurva tal-forza wera tqabbil mtejjeb bejn it-twaħħil tad-dejta u l-kejl kwantitattiv għal materjali rotob86. F'dan ix-xogħol, l-għażla tagħna ta' punti ta' kuntatt hija relattivament sempliċi u oġġettiva, iżda għandha l-limitazzjonijiet tagħha. L-approċċ konservattiv tagħna biex niddeterminaw il-punt ta' kuntatt jista' jirriżulta f'valuri tal-modulu kemxejn stmati żżejjed għal fond ta' indentazzjoni iżgħar (< 100 nm). L-użu ta' skoperta ta' punti ta' kuntatt ibbażata fuq algoritmu u pproċessar awtomatizzat tad-dejta jista' jkun kontinwazzjoni ta' dan ix-xogħol fil-futur biex intejbu aktar il-metodu tagħna. Għalhekk, għal storbju intrinsiku fl-isfond fl-ordni ta' ±10 pN, niddefinixxu l-punt ta' kuntatt bħala l-ewwel punt tad-dejta fuq l-assi x fil-Figura 6b b'valur ta' ≥10 pN. Imbagħad, skont il-limitu tal-istorbju ta' 10 pN, linja vertikali fil-livell ta' ~0.27 µm timmarka l-punt ta' kuntatt mal-wiċċ, u wara dan il-kurva tat-tiġbid tkompli sakemm is-sottostrat jilħaq il-fond tal-indentazzjoni ta' ~270 nm. Interessanti, abbażi tad-daqs tal-karatteristiċi tal-pinzell tal-polimeru ramifikat (300–400 nm) imkejla bl-użu tal-metodu tal-immaġini, il-fond tal-indentazzjoni tal-kampjun CL lehfilcon A osservat bl-użu tal-metodu tal-limitu tal-istorbju fl-isfond huwa madwar 270 nm, li huwa qrib ħafna tad-daqs tal-kejl bl-STEM. Dawn ir-riżultati jikkonfermaw aktar il-kompatibilità u l-applikabbiltà tal-forma u d-daqs tal-ponta tas-sonda AFM għall-indentazzjoni ta' din l-istruttura tal-pinzell tal-polimeru ramifikat ratba ħafna u elastika ħafna. Din id-dejta tipprovdi wkoll evidenza qawwija biex tappoġġja l-metodu tagħna li nużaw l-istorbju fl-isfond bħala limitu għall-identifikazzjoni tal-punti ta' kuntatt. Għalhekk, kwalunkwe riżultat kwantitattiv miksub mill-immudellar matematiku u t-twaħħil tal-kurva tal-forza għandu jkun relattivament preċiż.
Kejl kwantitattiv permezz ta' metodi ta' nanoindentazzjoni AFM jiddependi kompletament fuq il-mudelli matematiċi użati għall-għażla tad-dejta u l-analiżi sussegwenti. Għalhekk, huwa importanti li jiġu kkunsidrati l-fatturi kollha relatati mal-għażla tal-indenter, il-proprjetajiet tal-materjal u l-mekkaniżmi tal-interazzjoni tagħhom qabel ma jintgħażel mudell partikolari. F'dan il-każ, il-ġeometrija tal-ponta ġiet ikkaratterizzata bir-reqqa bl-użu ta' mikrografi SEM (Fig. 1), u abbażi tar-riżultati, is-sonda ta' nanoindentazzjoni AFM b'dijametru ta' 140 nm b'kon iebes u ġeometrija tal-ponta sferika hija għażla tajba għall-karatterizzazzjoni ta' kampjuni ta' lehfilcon A CL79. Fattur importanti ieħor li jeħtieġ li jiġi evalwat bir-reqqa huwa l-elastiċità tal-materjal polimeru li qed jiġi ttestjat. Għalkemm id-dejta inizjali tan-nanoindentazzjoni (Figuri 5a u 6a) tiddeskrivi b'mod ċar il-karatteristiċi tas-sovrappożizzjoni tal-kurvi tat-tensjoni u l-kompressjoni, jiġifieri, l-irkupru elastiku sħiħ tal-materjal, huwa estremament importanti li tiġi kkonfermata n-natura purament elastika tal-kuntatti. Għal dan il-għan, żewġ indentazzjonijiet suċċessivi twettqu fl-istess post fuq il-wiċċ tal-kampjun lehfilcon A CL b'rata ta' indentazzjoni ta' 1 µm/s taħt kundizzjonijiet ta' idratazzjoni sħiħa. Id-dejta tal-kurva tal-forza li tirriżulta hija murija fil-fig. 7 u, kif mistenni, il-kurvi ta' espansjoni u kompressjoni taż-żewġ stampi huma kważi identiċi, u dan jenfasizza l-elastiċità għolja tal-istruttura tal-pinzell tal-polimeru ramifikat.
Żewġ kurvi tal-forza tal-indentazzjoni fl-istess post fuq il-wiċċ ta' lehfilcon A CL jindikaw l-elastiċità ideali tal-wiċċ tal-lenti.
Abbażi ta' informazzjoni miksuba minn immaġini SEM u STEM tal-ponta tas-sonda u l-wiċċ lehfilcon A CL, rispettivament, il-mudell kon-sfera huwa rappreżentazzjoni matematika raġonevoli tal-interazzjoni bejn il-ponta tas-sonda AFM u l-materjal polimeriku artab li qed jiġi ttestjat. Barra minn hekk, għal dan il-mudell kon-sfera, is-suppożizzjonijiet fundamentali dwar il-proprjetajiet elastiċi tal-materjal stampat huma validi għal dan il-materjal bijomimetiku ġdid u jintużaw biex jikkwantifikaw il-modulu elastiku.
Wara evalwazzjoni komprensiva tal-metodu ta' nanoindentazzjoni tal-AFM u l-komponenti tiegħu, inklużi l-proprjetajiet tas-sonda tal-indentazzjoni (forma, daqs, u ebusija tar-rebbiegħa), is-sensittività (ħoss fl-isfond u stima tal-punt ta' kuntatt), u mudelli ta' twaħħil tad-dejta (kejl kwantitattiv tal-modulu), intuża l-metodu. biex jikkaratterizzaw kampjuni ultra-rotob disponibbli kummerċjalment biex jivverifikaw ir-riżultati kwantitattivi. Idroġel tal-poliakrilamida kummerċjali (PAAM) b'modulu elastiku ta' 1 kPa ġie ttestjat taħt kundizzjonijiet idrati bl-użu ta' sonda ta' 140 nm. Id-dettalji tal-ittestjar u l-kalkoli tal-modulu huma pprovduti fl-Informazzjoni Supplimentari. Ir-riżultati wrew li l-modulu medju mkejjel kien ta' 0.92 kPa, u l-%RSD u d-devjazzjoni perċentwali (%) mill-modulu magħruf kienu inqas minn 10%. Dawn ir-riżultati jikkonfermaw l-eżattezza u r-riproduċibbiltà tal-metodu ta' nanoindentazzjoni tal-AFM użat f'dan ix-xogħol biex jitkejlu l-moduli ta' materjali ultra-rotob. L-uċuħ tal-kampjuni lehfilcon A CL u s-sottostrat bażi SiHy ġew ikkaratterizzati aktar bl-użu tal-istess metodu ta' nanoindentazzjoni tal-AFM biex jiġi studjat il-modulu ta' kuntatt apparenti tal-wiċċ ultra-rotob bħala funzjoni tal-fond tal-indentazzjoni. Kurvi tas-separazzjoni tal-forza tal-indentazzjoni ġew iġġenerati għal tliet kampjuni ta' kull tip (n = 3; indentazzjoni waħda għal kull kampjun) b'forza ta' 300 pN, veloċità ta' 1 µm/s, u idratazzjoni sħiħa. Il-kurva tal-qsim tal-forza tal-indentazzjoni ġiet approssimata bl-użu ta' mudell ta' kon-sfera. Biex jinkiseb modulu dipendenti fuq il-fond tal-indentazzjoni, porzjon wiesa' 40 nm tal-kurva tal-forza ġie stabbilit f'kull żieda ta' 20 nm li tibda mill-punt tal-kuntatt, u tkejlu l-valuri tal-modulu f'kull pass tal-kurva tal-forza. Spin Cy et al. Approċċ simili ntuża biex jikkaratterizza l-gradjent tal-modulu tal-pniezel tal-polimeru poly(lauryl methacrylate) (P12MA) bl-użu ta' nanoindentazzjoni tas-sonda kollojdali AFM, u huma konsistenti mad-dejta li tuża l-mudell ta' kuntatt Hertz. Dan l-approċċ jipprovdi plott tal-modulu ta' kuntatt apparenti (kPa) kontra l-fond tal-indentazzjoni (nm), kif muri fil-Figura 8, li turi l-gradjent tal-modulu/fond tal-kuntatt apparenti. Il-modulu elastiku kkalkulat tal-kampjun CL lehfilcon A huwa fil-medda ta' 2–3 kPa fl-ewwel 100 nm tal-kampjun, li lil hinn minnu jibda jiżdied bil-fond. Min-naħa l-oħra, meta jiġi ttestjat is-sottostrat bażi SiHy mingħajr film bħal pinzell fuq il-wiċċ, il-fond massimu ta' indentazzjoni miksub b'forza ta' 300 pN huwa inqas minn 50 nm, u l-valur tal-modulu miksub mid-dejta huwa madwar 400 kPa, li huwa komparabbli mal-valuri tal-modulu ta' Young għal materjali bl-ingrossa.
Modulu ta' kuntatt apparenti (kPa) vs. fond ta' indentazzjoni (nm) għal sottostrati ta' lehfilcon A CL u SiHy bl-użu tal-metodu ta' nanoindentazzjoni AFM b'ġeometrija ta' kon-sfera biex jitkejjel il-modulu.
L-ogħla wiċċ tal-istruttura ġdida tal-pinzell tal-polimeru bijomimetiku ramifikat juri modulu ta' elastiċità estremament baxx (2–3 kPa). Dan se jaqbel mat-tarf imdendel ħieles tal-pinzell tal-polimeru furkettat kif muri fl-immaġni STEM. Filwaqt li hemm xi evidenza ta' gradjent tal-modulu fit-tarf ta' barra tas-CL, is-sottostrat ewlieni ta' modulu għoli huwa aktar influwenti. Madankollu, l-ogħla 100 nm tal-wiċċ huma fi żmien 20% tat-tul totali tal-pinzell tal-polimeru ramifikat, għalhekk huwa raġonevoli li wieħed jassumi li l-valuri mkejla tal-modulu f'din il-medda ta' fond ta' indentazzjoni huma relattivament preċiżi u ma jiddependux ħafna fuq l-effett tal-oġġett tal-qiegħ.
Minħabba d-disinn bijomimetiku uniku tal-lentijiet tal-kuntatt lehfilcon A, li jikkonsistu minn strutturi ta' xkupilji tal-polimeru PMPC ramifikati mlaqqma fuq il-wiċċ ta' sottostrati SiHy, huwa diffiċli ħafna li jiġu kkaratterizzati b'mod affidabbli l-proprjetajiet mekkaniċi tal-istrutturi tal-wiċċ tagħhom bl-użu ta' metodi ta' kejl tradizzjonali. Hawnhekk nippreżentaw metodu avvanzat ta' nanoindentazzjoni AFM għall-karatterizzazzjoni preċiża ta' materjali ultra-rotob bħal lefilcon A b'kontenut għoli ta' ilma u elastiċità estremament għolja. Dan il-metodu huwa bbażat fuq l-użu ta' sonda AFM li d-daqs u l-ġeometrija tal-ponta tagħha huma magħżula bir-reqqa biex jaqblu mad-dimensjonijiet strutturali tal-karatteristiċi tal-wiċċ ultra-rotob li għandhom jiġu stampati. Din il-kombinazzjoni ta' dimensjonijiet bejn is-sonda u l-istruttura tipprovdi sensittività akbar, li tippermettilna nkejlu l-modulu baxx u l-proprjetajiet elastiċi inerenti tal-elementi ta' xkupilji tal-polimeru ramifikati, irrispettivament mill-effetti poroelastiċi. Ir-riżultati wrew li x-xkupilji uniċi tal-polimeru PMPC ramifikati karatteristiċi tal-wiċċ tal-lenti kellhom modulu elastiku estremament baxx (sa 2 kPa) u elastiċità għolja ħafna (kważi 100%) meta ġew ittestjati f'ambjent akweju. Ir-riżultati tan-nanoindentazzjoni tal-AFM ippermettewlna wkoll li nikkaratterizzaw il-gradjent tal-modulu/fond tal-kuntatt apparenti (30 kPa/200 nm) tal-wiċċ tal-lenti bijomimetika. Dan il-gradjent jista' jkun dovut għad-differenza fil-modulu bejn il-pniezel tal-polimeru ramifikati u s-sottostrat SiHy, jew l-istruttura/densità ramifikata tal-pniezel tal-polimeru, jew taħlita tagħhom. Madankollu, huma meħtieġa aktar studji fil-fond biex tinftiehem bis-sħiħ ir-relazzjoni bejn l-istruttura u l-proprjetajiet, speċjalment l-effett tal-fergħat tal-pniezel fuq il-proprjetajiet mekkaniċi. Kejl simili jista' jgħin fil-karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet mekkaniċi tal-wiċċ ta' materjali ultra-rotob oħra u apparati mediċi.
Is-settijiet tad-dejta ġġenerati u/jew analizzati matul l-istudju attwali huma disponibbli mingħand l-awturi rispettivi fuq talba raġonevoli.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. u Haugen, HJ Reazzjonijiet bijoloġiċi għall-proprjetajiet fiżiċi u kimiċi tal-uċuħ tal-bijomaterjali. Chemical. Society. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM u Liu, X. Titjib ta' bijomaterjali derivati ​​mill-bniedem għall-inġinerija tat-tessuti. Programmazzjoni. Polimeru. Ix-xjenza. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Disinn, implimentazzjoni klinika, u rispons immuni ta' bijomaterjali fil-mediċina riġenerattiva. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK u Farr GM Metodu mtejjeb għad-determinazzjoni tal-ebusija u l-modulu elastiku bl-użu ta' esperimenti ta' indentazzjoni b'kejl tat-tagħbija u l-ispostament. J. Alma mater. tank tal-ħażna. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM L-oriġini storiċi tal-ittestjar tal-ebusija tal-indentazzjoni. alma mater. ix-xjenza. teknoloġiji. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Kejl tal-Ebusija tal-Indentazzjoni fuq l-Iskala Makro-, Mikro-, u Nanoskala: Reviżjoni Kritika. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD u Clapperich, SM Żbalji fid-detezzjoni tal-wiċċ iwasslu għal stima żejda tal-modulu fin-nanoindentazzjoni ta' materjali rotob. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR u Yahya M.Yu. Evalwazzjoni tal-metodu ta' nanoindentazzjoni għad-determinazzjoni tal-karatteristiċi mekkaniċi ta' nanokomposti eteroġenji bl-użu ta' metodi sperimentali u komputazzjonali. the science. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, u Owart, TS Karatterizzazzjoni mekkanika ta' ġellijiet viskoelastiċi rotob permezz ta' indentazzjoni u analiżi inversa tal-elementi finiti bbażata fuq l-ottimizzazzjoni. J. Mecha. Imġieba. Xjenza Bijomedika. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J u Chaneler D. Ottimizzazzjoni tad-determinazzjoni tal-viskoelastiċità bl-użu ta' sistemi ta' kejl kompatibbli. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. u Pellillo, E. Nanoindentazzjoni ta' uċuħ polimeriċi. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. u Van Vliet KJ Karatterizzazzjoni tal-proprjetajiet mekkaniċi viskoelastiċi ta' polimeri elastiċi ħafna u tessuti bijoloġiċi bl-użu ta' indentazzjoni ta' xokk. Ġurnal tal-Bijomaterjali. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evalwazzjoni tal-modulu elastiku u x-xogħol ta' adeżjoni ta' materjali rotob bl-użu tal-metodu estiż ta' Borodich-Galanov (BG) u indentazzjoni profonda. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Morfoloġija fuq skala nanometrika u proprjetajiet mekkaniċi ta' uċuħ polimeriċi bijomimetiċi ta' lentijiet tal-kuntatt tas-silikon idroġel. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).