Nature.com भ्रमण गर्नुभएकोमा धन्यवाद। तपाईं सीमित CSS समर्थन भएको ब्राउजर संस्करण प्रयोग गर्दै हुनुहुन्छ। उत्तम अनुभवको लागि, हामी तपाईंलाई अद्यावधिक गरिएको ब्राउजर प्रयोग गर्न सिफारिस गर्छौं (वा इन्टरनेट एक्सप्लोररमा अनुकूलता मोड असक्षम गर्नुहोस्)। यसको अतिरिक्त, निरन्तर समर्थन सुनिश्चित गर्न, हामी शैली र जाभास्क्रिप्ट बिना साइट देखाउँछौं।
एकै पटकमा तीन स्लाइडहरूको क्यारोसेल प्रदर्शन गर्दछ। एक पटकमा तीन स्लाइडहरू मार्फत सार्न अघिल्लो र अर्को बटनहरू प्रयोग गर्नुहोस्, वा एक पटकमा तीन स्लाइडहरू मार्फत सार्न अन्त्यमा स्लाइडर बटनहरू प्रयोग गर्नुहोस्।
चिकित्सा उपकरणहरू र बायोमेडिकल अनुप्रयोगहरूको लागि नयाँ अल्ट्रा-नरम सामग्रीहरूको विकाससँगै, तिनीहरूको भौतिक र यान्त्रिक गुणहरूको व्यापक विशेषता महत्त्वपूर्ण र चुनौतीपूर्ण दुवै छ। ब्रान्चेड पोलिमर ब्रश संरचनाहरूको तहले लेपित नयाँ लेहफिलकन ए बायोमिमेटिक सिलिकॉन हाइड्रोजेल कन्ट्याक्ट लेन्सको अत्यन्त कम सतह मोड्युलसलाई चित्रण गर्न परिमार्जित परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) न्यानोइन्डेन्टेसन प्रविधि लागू गरिएको थियो। यो विधिले ब्रान्चेड पोलिमरहरूको नजिक पुग्दा चिपचिपा एक्सट्रुजनको प्रभाव बिना सम्पर्क बिन्दुहरूको सटीक निर्धारण गर्न अनुमति दिन्छ। थप रूपमा, यसले पोरोइलास्टिकिटीको प्रभाव बिना व्यक्तिगत ब्रश तत्वहरूको मेकानिकल विशेषताहरू निर्धारण गर्न सम्भव बनाउँछ। यो डिजाइन (टिप साइज, ज्यामिति र स्प्रिङ रेट) भएको AFM प्रोब चयन गरेर प्राप्त गरिन्छ जुन विशेष गरी नरम सामग्री र जैविक नमूनाहरूको गुणहरू मापन गर्न उपयुक्त छ। यो विधिले धेरै नरम सामग्री लेहफिलकन ए को सही मापनको लागि संवेदनशीलता र शुद्धता सुधार गर्दछ, जसको सतह क्षेत्र (२ kPa सम्म) मा लोचको अत्यन्त कम मोड्युलस र आन्तरिक (लगभग १००%) जलीय वातावरणमा अत्यन्त उच्च लोच छ। सतह अध्ययनको नतिजाले लेहफिलकोन ए लेन्सको अल्ट्रा-नरम सतह गुणहरू मात्र प्रकट गरेन, तर ब्रान्चेड पोलिमर ब्रसको मोड्युलस सिलिकन-हाइड्रोजन सब्सट्रेटसँग तुलनात्मक रूपमा पनि देखायो। यो सतह विशेषता प्रविधि अन्य अल्ट्रा-नरम सामग्री र चिकित्सा उपकरणहरूमा लागू गर्न सकिन्छ।
जीवित तन्तुसँग प्रत्यक्ष सम्पर्कको लागि डिजाइन गरिएका सामग्रीहरूको मेकानिकल गुणहरू प्रायः जैविक वातावरणद्वारा निर्धारण गरिन्छ। यी भौतिक गुणहरूको उत्तम मिलानले प्रतिकूल सेलुलर प्रतिक्रियाहरू नदिई सामग्रीको इच्छित क्लिनिकल विशेषताहरू प्राप्त गर्न मद्दत गर्दछ1,2,3। थोक समरूप सामग्रीहरूको लागि, मानक प्रक्रियाहरू र परीक्षण विधिहरू (जस्तै, माइक्रोइन्डेन्टेसन4,5,6) को उपलब्धताको कारणले मेकानिकल गुणहरूको विशेषता तुलनात्मक रूपमा सजिलो छ। यद्यपि, जेल, हाइड्रोजेल, बायोपोलिमर, जीवित कोशिकाहरू, आदि जस्ता अति-नरम सामग्रीहरूको लागि, यी परीक्षण विधिहरू सामान्यतया मापन रिजोल्युसन सीमितताहरू र केही सामग्रीहरूको असंगतताको कारणले लागू हुँदैनन्7। वर्षौंको दौडान, परम्परागत इन्डेन्टेसन विधिहरू परिमार्जन गरिएका छन् र नरम सामग्रीहरूको विस्तृत दायरालाई चित्रण गर्न अनुकूलित गरिएका छन्, तर धेरै विधिहरू अझै पनि गम्भीर कमजोरीहरूबाट ग्रस्त छन् जसले तिनीहरूको प्रयोगलाई सीमित गर्दछ8,9,10,11,12,13। सुपरसफ्ट सामग्री र सतह तहहरूको मेकानिकल गुणहरूलाई सही र भरपर्दो रूपमा चित्रण गर्न सक्ने विशेष परीक्षण विधिहरूको अभावले विभिन्न अनुप्रयोगहरूमा तिनीहरूको प्रयोगलाई गम्भीर रूपमा सीमित गर्दछ।
हाम्रो अघिल्लो काममा, हामीले लेहफिलकोन ए (सीएल) कन्ट्याक्ट लेन्स प्रस्तुत गर्यौं, जुन आँखाको कोर्नियाको सतहबाट प्रेरित सम्भावित बायोमिमेटिक डिजाइनहरूबाट प्राप्त सबै अति-नरम सतह गुणहरू भएको नरम विषम सामग्री हो। यो बायोमटेरियललाई पोली(२-मेथाक्रिलोइलोक्साइथाइलफोस्फोरिलकोलाइन (एमपीसी)) (पीएमपीसी) को शाखायुक्त, क्रस-लिङ्क गरिएको पोलिमर तहलाई सिलिकॉन हाइड्रोजेल (एसआईएचआई) १५ मा आधारित चिकित्सा उपकरणहरूको लागि डिजाइन गरिएको द्वारा विकसित गरिएको थियो। यो ग्राफ्टिंग प्रक्रियाले सतहमा धेरै नरम र अत्यधिक लोचदार शाखायुक्त पोलिमरिक ब्रश संरचना मिलेर बनेको तह सिर्जना गर्दछ। हाम्रो अघिल्लो कामले पुष्टि गरेको छ कि लेहफिलकोन ए सीएलको बायोमिमेटिक संरचनाले सुधारिएको भिजेको र फाउलिंग रोकथाम, बढेको स्नेहकता, र कम सेल र ब्याक्टेरिया आसंजन १५,१६ जस्ता उच्च सतह गुणहरू प्रदान गर्दछ। थप रूपमा, यस बायोमिमेटिक सामग्रीको प्रयोग र विकासले अन्य बायोमेडिकल उपकरणहरूमा थप विस्तारको सुझाव पनि दिन्छ। त्यसकारण, भविष्यका विकास र अनुप्रयोगहरूलाई समर्थन गर्न व्यापक ज्ञान आधार सिर्जना गर्न यस अति-नरम सामग्रीको सतह गुणहरू चित्रण गर्नु र आँखासँग यसको यान्त्रिक अन्तरक्रिया बुझ्नु महत्त्वपूर्ण छ। धेरैजसो व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध SiHy सम्पर्क लेन्सहरू हाइड्रोफिलिक र हाइड्रोफोबिक पोलिमरहरूको एकरूप मिश्रणबाट बनेका हुन्छन् जसले एक समान सामग्री संरचना बनाउँछ17। परम्परागत कम्प्रेसन, तन्य र माइक्रोइन्डेन्टेसन परीक्षण विधिहरू18,19,20,21 प्रयोग गरेर तिनीहरूको यान्त्रिक गुणहरूको अनुसन्धान गर्न धेरै अध्ययनहरू सञ्चालन गरिएका छन्। यद्यपि, लेहफिलकोन A CL को उपन्यास बायोमिमेटिक डिजाइनले यसलाई एक अद्वितीय विषम सामग्री बनाउँछ जसमा शाखायुक्त पोलिमर ब्रश संरचनाहरूको यान्त्रिक गुणहरू SiHy आधार सब्सट्रेटको भन्दा धेरै फरक छन्। त्यसकारण, परम्परागत र इन्डेन्टेसन विधिहरू प्रयोग गरेर यी गुणहरूलाई सही रूपमा परिमाण गर्न धेरै गाह्रो छ। एक आशाजनक विधिले परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) मा लागू गरिएको न्यानोइन्डेन्टेसन परीक्षण विधि प्रयोग गर्दछ, जुन विधि जैविक कोशिकाहरू र तन्तुहरू, साथै नरम पोलिमरहरू22,23,24,25 जस्ता नरम भिस्कोइलास्टिक सामग्रीहरूको यान्त्रिक गुणहरू निर्धारण गर्न प्रयोग गरिएको छ। ,२६,२७,२८,२९,३०। AFM न्यानोइन्डेन्टेसनमा, न्यानोइन्डेन्टेसन परीक्षणको आधारभूत कुराहरूलाई AFM प्रविधिमा भएका नवीनतम प्रगतिहरूसँग जोडिएको छ जसले गर्दा मापन संवेदनशीलता र स्वाभाविक रूपमा सुपरसफ्ट सामग्रीहरूको विस्तृत दायराको परीक्षण बढेको छ। ३१,३२,३३,३४,३५,३६। थप रूपमा, प्रविधिले विभिन्न ज्यामितिहरूको प्रयोग मार्फत अन्य महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू प्रदान गर्दछ। इन्डेन्टर र प्रोब र विभिन्न तरल माध्यमहरूमा परीक्षणको सम्भावना।
AFM न्यानोइन्डेन्टेसनलाई सशर्त रूपमा तीन मुख्य घटकहरूमा विभाजन गर्न सकिन्छ: (१) उपकरण (सेन्सर, डिटेक्टर, प्रोब, आदि); (२) मापन प्यारामिटरहरू (जस्तै बल, विस्थापन, गति, र्‍याम्प आकार, आदि); (३) डेटा प्रशोधन (आधारभूत सुधार, स्पर्श बिन्दु अनुमान, डेटा फिटिंग, मोडेलिङ, आदि)। यस विधिको एउटा महत्त्वपूर्ण समस्या यो हो कि AFM न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोग गर्ने साहित्यमा धेरै अध्ययनहरूले एउटै नमूना/कोष/सामग्री प्रकारको लागि धेरै फरक मात्रात्मक परिणामहरू रिपोर्ट गर्छन्। उदाहरणका लागि, लेक्का एट अल। मेकानिकली एकरूप हाइड्रोजेल र विषम कोषहरूको नमूनाहरूको मापन गरिएको यंगको मोडुलसमा AFM प्रोब ज्यामितिको प्रभाव अध्ययन र तुलना गरिएको थियो। तिनीहरूले रिपोर्ट गर्छन् कि मोडुलस मानहरू क्यान्टिलभर चयन र टिप आकारमा अत्यधिक निर्भर हुन्छन्, पिरामिड-आकारको प्रोबको लागि उच्चतम मान र गोलाकार प्रोबको लागि सबैभन्दा कम मान ४२ हुन्छ। त्यस्तै गरी, सेल्हुबर-अनकेल एट अल। ACM43 न्यानोइन्डेन्टेसनद्वारा मापन गरिएको यंगको मोड्युलसलाई इन्डेन्टर गति, इन्डेन्टर आकार र पोलिएक्रिलामाइड (PAAM) नमूनाहरूको मोटाईले कसरी असर गर्छ भनेर देखाइएको छ। अर्को जटिल कारक भनेको मानक अत्यन्त कम मोड्युलस परीक्षण सामग्री र नि:शुल्क परीक्षण प्रक्रियाहरूको अभाव हो। यसले विश्वासका साथ सही परिणामहरू प्राप्त गर्न धेरै गाह्रो बनाउँछ। यद्यपि, समान नमूना प्रकारहरू बीचको सापेक्षिक मापन र तुलनात्मक मूल्याङ्कनका लागि यो विधि धेरै उपयोगी छ, उदाहरणका लागि क्यान्सर कोषहरूबाट सामान्य कोषहरू छुट्याउन AFM न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोग गर्नु 44, 45।
AFM न्यानोइन्डेन्टेसनको साथ नरम सामग्रीहरूको परीक्षण गर्दा, सामान्य नियम भनेको नमूना मोड्युलस र गोलार्ध/गोलाकार टिपसँग नजिकबाट मिल्ने कम स्प्रिङ स्थिरांक (k) भएको प्रोब प्रयोग गर्नु हो ताकि पहिलो प्रोबले नरम सामग्रीहरूसँग पहिलो सम्पर्कमा नमूना सतहहरूलाई छेड्न नपरोस्। यो पनि महत्त्वपूर्ण छ कि प्रोबद्वारा उत्पन्न विक्षेपन संकेत लेजर डिटेक्टर प्रणालीद्वारा पत्ता लगाउन पर्याप्त बलियो होस्24,34,46,47। अति-नरम विषम कोशिकाहरू, तन्तुहरू र जेलहरूको अवस्थामा, अर्को चुनौती भनेको पुनरुत्पादनयोग्य र भरपर्दो मापन सुनिश्चित गर्न प्रोब र नमूना सतह बीचको टाँसिने बललाई पार गर्नु हो48,49,50। हालसम्म, AFM न्यानोइन्डेन्टेसनमा धेरैजसो काम अपेक्षाकृत ठूला गोलाकार प्रोबहरू प्रयोग गरेर जैविक कोशिकाहरू, तन्तुहरू, जेलहरू, हाइड्रोजेलहरू र बायोमोलिक्युलहरूको मेकानिकल व्यवहारको अध्ययनमा केन्द्रित छ, जसलाई सामान्यतया कोलोइडल प्रोबहरू (CPs) भनिन्छ। , ४७, ५१, ५२, ५३, ५४, ५५। यी टिप्सहरूको त्रिज्या १ देखि ५० µm हुन्छ र सामान्यतया बोरोसिलिकेट गिलास, पोलिमिथाइल मेथाक्रिलेट (PMMA), पोलिस्टीरिन (PS), सिलिकन डाइअक्साइड (SiO2) र हीरा जस्तो कार्बन (DLC) बाट बनाइन्छ। यद्यपि CP-AFM न्यानोइन्डेन्टेसन प्रायः नरम नमूना विशेषताको लागि पहिलो रोजाइ हो, यसको आफ्नै समस्या र सीमितताहरू छन्। ठूला, माइक्रोन-आकारको गोलाकार टिप्सको प्रयोगले नमूनासँग टिपको कुल सम्पर्क क्षेत्र बढाउँछ र स्थानिय रिजोल्युसनको महत्त्वपूर्ण क्षति निम्त्याउँछ। नरम, असंगत नमूनाहरूको लागि, जहाँ स्थानीय तत्वहरूको मेकानिकल गुणहरू फराकिलो क्षेत्रमा औसत भन्दा उल्लेखनीय रूपमा फरक हुन सक्छन्, CP इन्डेन्टेसनले स्थानीय स्केलमा गुणहरूमा कुनै पनि असंगतता लुकाउन सक्छ52। कोलोइडल प्रोबहरू सामान्यतया इपोक्सी चिपकने प्रयोग गरेर टिपलेस क्यान्टिलभरहरूमा माइक्रोन-आकारको कोलोइडल गोलाहरू जोडेर बनाइन्छ। उत्पादन प्रक्रिया आफैंमा धेरै समस्याहरूले भरिएको छ र प्रोब क्यालिब्रेसन प्रक्रियामा असंगतिहरू निम्त्याउन सक्छ। थप रूपमा, कोलोइडल कणहरूको आकार र द्रव्यमानले क्यान्टिलभरको मुख्य क्यालिब्रेसन प्यारामिटरहरूलाई प्रत्यक्ष रूपमा असर गर्छ, जस्तै रेजोनन्ट फ्रिक्वेन्सी, स्प्रिङ कठोरता, र विक्षेपन संवेदनशीलता56,57,58। यसरी, परम्परागत AFM प्रोबहरूको लागि सामान्यतया प्रयोग हुने विधिहरू, जस्तै तापक्रम क्यालिब्रेसनले CP को लागि सही क्यालिब्रेसन प्रदान नगर्न सक्छ, र यी सुधारहरू गर्न अन्य विधिहरू आवश्यक पर्न सक्छ57, 59, 60, 61। विशिष्ट CP इन्डेन्टेसन प्रयोगहरूले नरम नमूनाहरूको गुणहरू अध्ययन गर्न ठूला विचलन क्यान्टिलिभर प्रयोग गर्छन्, जसले अपेक्षाकृत ठूला विचलनहरूमा क्यान्टिलिभरको गैर-रैखिक व्यवहार क्यालिब्रेट गर्दा अर्को समस्या सिर्जना गर्दछ62,63,64। आधुनिक कोलोइडल प्रोब इन्डेन्टेसन विधिहरूले सामान्यतया प्रोब क्यालिब्रेट गर्न प्रयोग गरिने क्यान्टिलिभरको ज्यामितिलाई ध्यानमा राख्छन्, तर कोलोइडल कणहरूको प्रभावलाई बेवास्ता गर्छन्, जसले विधिको शुद्धतामा थप अनिश्चितता सिर्जना गर्दछ38,61। त्यस्तै गरी, सम्पर्क मोडेल फिटिंग द्वारा गणना गरिएको इलास्टिक मोड्युलीहरू इन्डेन्टेसन प्रोबको ज्यामितिमा प्रत्यक्ष रूपमा निर्भर हुन्छन्, र टिप र नमूना सतह विशेषताहरू बीचको बेमेलले अशुद्धताहरू निम्त्याउन सक्छ27, 65, 66, 67, 68। स्पेन्सर एट अल द्वारा हालैका केही कामहरू। CP-AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि प्रयोग गरेर नरम पोलिमर ब्रशहरू चित्रण गर्दा ध्यानमा राख्नु पर्ने कारकहरू हाइलाइट गरिएका छन्। तिनीहरूले रिपोर्ट गरे कि गतिको कार्यको रूपमा पोलिमर ब्रशहरूमा चिपचिपा तरल पदार्थको अवधारणले हेड लोडिङमा वृद्धि हुन्छ र त्यसैले गति निर्भर गुणहरूको फरक मापन हुन्छ30,69,70,71।
यस अध्ययनमा, हामीले परिमार्जित AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि प्रयोग गरेर अल्ट्रा-नरम अत्यधिक लोचदार सामग्री लेहफिलकोन A CL को सतह मोड्युलसको विशेषता प्रस्तुत गरेका छौं। यस सामग्रीको गुणहरू र नयाँ संरचनालाई ध्यानमा राख्दै, परम्परागत इन्डेन्टेसन विधिको संवेदनशीलता दायरा यो अत्यन्त नरम सामग्रीको मोड्युलसको विशेषता प्रस्तुत गर्न स्पष्ट रूपमा अपर्याप्त छ, त्यसैले उच्च संवेदनशीलता र कम संवेदनशीलता स्तरको साथ AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि प्रयोग गर्न आवश्यक छ। अवस्थित कोलोइडल AFM प्रोब न्यानोइन्डेन्टेसन प्रविधिहरूको कमजोरीहरू र समस्याहरूको समीक्षा गरेपछि, हामी किन संवेदनशीलता, पृष्ठभूमि आवाज, सम्पर्कको पिनपोइन्ट बिन्दु, तरल पदार्थ अवधारण निर्भरता जस्ता नरम विषम सामग्रीहरूको वेग मोड्युलस मापन गर्न सानो, अनुकूलित-डिजाइन गरिएको AFM प्रोब छनौट गर्यौं भनेर देखाउँछौं। र सही परिमाणीकरण। थप रूपमा, हामी इन्डेन्टेसन टिपको आकार र आयामहरू सही रूपमा मापन गर्न सक्षम भयौं, जसले हामीलाई सामग्रीसँग टिपको सम्पर्क क्षेत्रको मूल्याङ्कन नगरी लोचको मोड्युलस निर्धारण गर्न कोन-गोला फिट मोडेल प्रयोग गर्न अनुमति दिन्छ। यस काममा परिमाणित गरिएका दुई निहित धारणाहरू पूर्ण रूपमा लोचदार सामग्री गुणहरू र इन्डेन्टेसन गहिराई-स्वतन्त्र मोड्युलस हुन्। यो विधि प्रयोग गरेर, हामीले पहिले विधिको परिमाण निर्धारण गर्न ज्ञात मोड्युलसको साथ अल्ट्रा-सफ्ट मापदण्डहरू परीक्षण गर्यौं, र त्यसपछि दुई फरक सम्पर्क लेन्स सामग्रीहरूको सतहहरू चित्रण गर्न यो विधि प्रयोग गर्यौं। बढ्दो संवेदनशीलताका साथ AFM न्यानोइन्डेन्टेसन सतहहरू चित्रण गर्ने यो विधि चिकित्सा उपकरणहरू र बायोमेडिकल अनुप्रयोगहरूमा सम्भावित प्रयोगको साथ बायोमिमेटिक विषम अल्ट्रासफ्ट सामग्रीहरूको विस्तृत दायरामा लागू हुने अपेक्षा गरिएको छ।
लेहफिलकन ए कन्ट्याक्ट लेन्स (अल्कोन, फोर्ट वर्थ, टेक्सास, संयुक्त राज्य अमेरिका) र तिनीहरूको सिलिकन हाइड्रोजेल सब्सट्रेटहरू न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोगहरूको लागि छनोट गरिएको थियो। प्रयोगमा विशेष रूपमा डिजाइन गरिएको लेन्स माउन्ट प्रयोग गरिएको थियो। परीक्षणको लागि लेन्स स्थापना गर्न, यसलाई गुम्बज आकारको स्ट्यान्डमा सावधानीपूर्वक राखिएको थियो, कुनै हावा बुलबुले भित्र नपरोस् भनेर सुनिश्चित गर्दै, र त्यसपछि किनारहरूसँग फिक्स गरिएको थियो। लेन्स होल्डरको शीर्षमा रहेको फिक्स्चरमा रहेको प्वालले तरल पदार्थलाई ठाउँमा राख्दा न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोगहरूको लागि लेन्सको अप्टिकल केन्द्रमा पहुँच प्रदान गर्दछ। यसले लेन्सहरूलाई पूर्ण रूपमा हाइड्रेटेड राख्छ। परीक्षण समाधानको रूपमा 500 μl कन्ट्याक्ट लेन्स प्याकेजिङ समाधान प्रयोग गरिएको थियो। मात्रात्मक परिणामहरू प्रमाणित गर्न, व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध गैर-सक्रिय पोलीएक्रिलामाइड (PAAM) हाइड्रोजेलहरू पोलीएक्रिलामाइड-सह-मिथिलीन-बिसाक्रिलामाइड संरचना (100 मिमी पेट्रिसफ्ट पेट्री डिश, म्याट्रिजेन, इरविन, CA, संयुक्त राज्य अमेरिका) बाट तयार पारिएको थियो, जुन 1 kPa को एक ज्ञात इलास्टिक मोड्युलस हो। AFM हाइड्रोजेल-प्रोब इन्टरफेसमा ४-५ थोपा (लगभग १२५ µl) फस्फेट बफर गरिएको सलाइन (कोर्निङ लाइफ साइन्सेस, टेवक्सबरी, एमए, संयुक्त राज्य अमेरिकाबाट PBS) र १ थोपा OPTI-मुक्त प्योरमोइस्ट कन्ट्याक्ट लेन्स सोल्युसन (अल्कोन, वाउड, TX, संयुक्त राज्य अमेरिका) प्रयोग गर्नुहोस्।
Lehfilcon A CL र SiHy सब्सट्रेटका नमूनाहरू स्क्यानिङ ट्रान्समिसन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (STEM) डिटेक्टरले सुसज्जित FEI क्वान्टा २५० फिल्ड इमिशन स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (FEG SEM) प्रणाली प्रयोग गरेर दृश्यावलोकन गरिएको थियो। नमूनाहरू तयार गर्न, लेन्सहरूलाई पहिले पानीले धोइयो र पाई-आकारको वेजहरूमा काटियो। नमूनाहरूको हाइड्रोफिलिक र हाइड्रोफोबिक घटकहरू बीचको भिन्न भिन्नता प्राप्त गर्न, RuO4 को ०.१०% स्थिर घोललाई डाईको रूपमा प्रयोग गरिएको थियो, जसमा नमूनाहरूलाई ३० मिनेटको लागि डुबाइएको थियो। lehfilcon A CL RuO4 स्टेनिङ सुधारिएको भिन्न भिन्नता प्राप्त गर्न मात्र महत्त्वपूर्ण छैन, तर ब्रान्च गरिएको पोलिमर ब्रशहरूको संरचनालाई तिनीहरूको मूल रूपमा सुरक्षित गर्न पनि मद्दत गर्दछ, जुन त्यसपछि STEM छविहरूमा देखिन्छ। त्यसपछि तिनीहरूलाई बढ्दो इथेनॉल सांद्रताको साथ इथेनॉल/पानी मिश्रणको श्रृंखलामा धोइयो र निर्जलित गरियो। त्यसपछि नमूनाहरूलाई EMBed 812/Araldite epoxy सँग कास्ट गरियो, जुन ७०°C मा रातभर निको भयो। रेजिन पोलिमराइजेसनद्वारा प्राप्त नमूना ब्लकहरूलाई अल्ट्रामाइक्रोटोमले काटिएको थियो, र परिणामस्वरूप पातलो खण्डहरूलाई 30 kV को एक्सेलेरेटिङ भोल्टेजमा कम भ्याकुम मोडमा STEM डिटेक्टरको साथ दृश्यात्मक रूपमा देखाइएको थियो। PFQNM-LC-A-CAL AFM प्रोब (ब्रुकर नानो, सान्ता बारबरा, CA, USA) को विस्तृत विशेषताको लागि उही SEM प्रणाली प्रयोग गरिएको थियो। AFM प्रोबको SEM छविहरू 30 kV को एक्सेलेरेटिङ भोल्टेजको साथ एक विशिष्ट उच्च भ्याकुम मोडमा प्राप्त गरिएको थियो। AFM प्रोब टिपको आकार र आकारको सबै विवरणहरू रेकर्ड गर्न विभिन्न कोणहरू र म्याग्निफिकेसनहरूमा छविहरू प्राप्त गर्नुहोस्। छविहरूमा रुचिको सबै टिप आयामहरू डिजिटल रूपमा मापन गरिएको थियो।
लेहफिलकन ए सीएल, सिएचवाई सब्सट्रेट, र पीएएएम हाइड्रोजेल नमूनाहरू कल्पना गर्न र न्यानोइन्डेन्टेट गर्न "पीकफोर्स क्यूएनएम इन फ्लुइड" मोड भएको आयाम फास्टस्क्यान बायो आइकन एटोमिक फोर्स माइक्रोस्कोप (ब्रुकर नानो, सान्ता बारबरा, क्यालिफोर्निया, संयुक्त राज्य अमेरिका) प्रयोग गरिएको थियो। इमेजिङ प्रयोगहरूको लागि, ०.५० हर्ट्जको स्क्यान दरमा नमूनाको उच्च रिजोल्युसन छविहरू खिच्न १ एनएमको नाममात्र टिप त्रिज्या भएको PEAKFORCE-HIRS-FA प्रोब (ब्रुकर) प्रयोग गरिएको थियो। सबै छविहरू जलीय घोलमा लिइएका थिए।
AFM न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोगहरू PFQNM-LC-A-CAL प्रोब (ब्रुकर) प्रयोग गरेर गरिएको थियो। AFM प्रोबमा ३४५ nm बाक्लो, ५४ µm लामो र ४.५ µm चौडा नाइट्राइड क्यान्टिलभरमा सिलिकन टिप छ जसको ४५ kHz को रेजोनन्ट फ्रिक्वेन्सी छ। यो विशेष गरी नरम जैविक नमूनाहरूमा मात्रात्मक न्यानोमेकानिकल मापनहरू चित्रण गर्न र प्रदर्शन गर्न डिजाइन गरिएको हो। सेन्सरहरू पूर्व-क्यालिब्रेटेड स्प्रिंग सेटिङहरूसँग कारखानामा व्यक्तिगत रूपमा क्यालिब्रेट गरिएका छन्। यस अध्ययनमा प्रयोग गरिएका प्रोबहरूको स्प्रिंग स्थिरांकहरू ०.०५–०.१ N/m को दायरामा थिए। टिपको आकार र आकार सही रूपमा निर्धारण गर्न, SEM प्रयोग गरेर प्रोबलाई विस्तृत रूपमा चित्रण गरिएको थियो। चित्रमा। चित्र १a ले PFQNM-LC-A-CAL प्रोबको उच्च रिजोल्युसन, कम म्याग्निफिकेसन स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोग्राफ देखाउँछ, जसले प्रोब डिजाइनको समग्र दृश्य प्रदान गर्दछ। चित्रमा। चित्र १b ले प्रोब टिपको माथिल्लो भागको विस्तारित दृश्य देखाउँछ, जसले टिपको आकार र आकारको बारेमा जानकारी प्रदान गर्दछ। चरम छेउमा, सुई लगभग १४० एनएम व्यासको गोलार्ध हो (चित्र १c)। यसको तल, टिप शंक्वाकार आकारमा ट्याप हुन्छ, लगभग ५०० एनएमको मापन गरिएको लम्बाइमा पुग्छ। टेपरिङ क्षेत्र बाहिर, टिप बेलनाकार हुन्छ र १.१८ µm को कुल टिप लम्बाइमा समाप्त हुन्छ। यो प्रोब टिपको मुख्य कार्यात्मक भाग हो। थप रूपमा, ४५ µm को टिप व्यास र २ N/m को स्प्रिङ स्थिरांक भएको ठूलो गोलाकार पोलिस्टीरिन (PS) प्रोब (नोभास्क्यान टेक्नोलोजीज, इंक, बून, आयोवा, संयुक्त राज्य अमेरिका) पनि कोलोइडल प्रोबको रूपमा परीक्षणको लागि प्रयोग गरिएको थियो। तुलनाको लागि PFQNM-LC-A-CAL १४० एनएम प्रोबको साथ।
न्यानोइन्डेन्टेसनको समयमा AFM प्रोब र पोलिमर ब्रश संरचनाको बीचमा तरल पदार्थ फँस्न सक्छ भन्ने रिपोर्ट गरिएको छ, जसले AFM प्रोबलाई वास्तवमा सतहमा छुनु अघि माथितिर बल प्रयोग गर्नेछ69। तरल पदार्थ अवधारणको कारणले यो चिपचिपा एक्सट्रुजन प्रभावले सम्पर्कको स्पष्ट बिन्दु परिवर्तन गर्न सक्छ, जसले गर्दा सतह मोड्युलस मापनलाई असर गर्छ। तरल पदार्थ अवधारणमा प्रोब ज्यामिति र इन्डेन्टेसन गतिको प्रभाव अध्ययन गर्न, लेहफिलकोन A CL नमूनाहरूको लागि 1 µm/s र 2 µm/s को स्थिर विस्थापन दरमा 140 nm व्यास प्रोब प्रयोग गरेर इन्डेन्टेसन बल वक्रहरू प्लट गरिएको थियो। प्रोब व्यास 45 µm, स्थिर बल सेटिङ 6 nN 1 µm/s मा प्राप्त भयो। माथिल्लो पलकको शारीरिक दायरा (1-8 kPa) भित्र सम्पर्क दबाब सिर्जना गर्न छनौट गरिएको, 1 µm/s को इन्डेन्टेसन गति र 300 pN को सेट बलमा 140 nm व्यासको प्रोबको साथ प्रयोगहरू गरिएको थियो। चाप ७२. १४० एनएम व्यास भएको प्रोब प्रयोग गरेर १ μm/s को गतिमा ५० pN को इन्डेन्टेसन बलको लागि १ kPa को चाप भएको PAA हाइड्रोजेलको नरम तयार नमूनाहरूको परीक्षण गरिएको थियो।
PFQNM-LC-A-CAL प्रोबको टिपको शंक्वाकार भागको लम्बाइ लगभग ५०० एनएम भएकोले, कुनै पनि इन्डेन्टेसन गहिराइ <५०० एनएमको लागि यो सुरक्षित रूपमा मान्न सकिन्छ कि इन्डेन्टेसनको समयमा प्रोबको ज्यामिति यसको शंक्वाकार आकारमा सत्य रहनेछ। थप रूपमा, यो मानिन्छ कि परीक्षण अन्तर्गत सामग्रीको सतहले उल्टाउन मिल्ने लोचदार प्रतिक्रिया प्रदर्शन गर्नेछ, जुन निम्न खण्डहरूमा पनि पुष्टि गरिनेछ। त्यसकारण, टिपको आकार र आकारमा निर्भर गर्दै, हामीले हाम्रो AFM न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोगहरू (न्यानोस्कोप) प्रशोधन गर्न विक्रेताको सफ्टवेयरमा उपलब्ध ब्रिस्को, सेबास्टियन र एडम्स द्वारा विकसित कोन-स्फेयर फिटिंग मोडेल छनौट गर्यौं। पृथकीकरण डेटा विश्लेषण सफ्टवेयर, ब्रुकर) ७३। मोडेलले गोलाकार शीर्ष दोष भएको शंक्वाकारको लागि बल-विस्थापन सम्बन्ध F(δ) वर्णन गर्दछ। चित्रमा। चित्र २ ले गोलाकार टिपसँगको कठोर शंकुको अन्तरक्रियाको क्रममा सम्पर्क ज्यामिति देखाउँछ, जहाँ R गोलाकार टिपको त्रिज्या हो, a सम्पर्क त्रिज्या हो, b गोलाकार टिपको अन्त्यमा सम्पर्क त्रिज्या हो, δ सम्पर्क त्रिज्या हो। इन्डेन्टेसन गहिराई, θ शंकुको आधा-कोण हो। यस प्रोबको SEM छविले स्पष्ट रूपमा देखाउँछ कि १४० nm व्यासको गोलाकार टिप स्पर्शिक रूपमा शंकुमा मर्ज हुन्छ, त्यसैले यहाँ b लाई R मार्फत मात्र परिभाषित गरिएको छ, अर्थात् b = R cos θ। विक्रेता-आपूर्ति गरिएको सफ्टवेयरले a > b मान्दै बल पृथकीकरण डेटाबाट यंगको मोड्युलस (E) मानहरू गणना गर्न शंकु-गोला सम्बन्ध प्रदान गर्दछ। सम्बन्ध:
जहाँ F इन्डेन्टेसन बल हो, E यंगको मोड्युलस हो, ν पोइसनको अनुपात हो। सम्पर्क त्रिज्या a को अनुमान निम्न प्रयोग गरेर गर्न सकिन्छ:
लेफिलकन कन्ट्याक्ट लेन्सको सामग्रीमा थिचिएको गोलाकार टिप भएको कठोर शंकुको सम्पर्क ज्यामितिको योजना, जसमा शाखायुक्त पोलिमर ब्रशको सतह तह हुन्छ।
यदि a ≤ b हो भने, सम्बन्ध परम्परागत गोलाकार इन्डेन्टरको समीकरणमा घट्छ;
हामी विश्वास गर्छौं कि PMPC पोलिमर ब्रसको शाखायुक्त संरचनासँग इन्डेन्टिङ प्रोबको अन्तरक्रियाले सम्पर्क त्रिज्या a लाई गोलाकार सम्पर्क त्रिज्या b भन्दा बढी बनाउनेछ। त्यसकारण, यस अध्ययनमा गरिएको लोचदार मोड्युलसको सबै मात्रात्मक मापनहरूको लागि, हामीले केस a > b को लागि प्राप्त निर्भरता प्रयोग गर्यौं।
यस अध्ययनमा अध्ययन गरिएका अल्ट्रासफ्ट बायोमिमेटिक सामग्रीहरू सतहको नमूना क्रस सेक्सन र परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (AFM) को स्क्यानिङ ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (STEM) प्रयोग गरेर व्यापक रूपमा छवि गरिएको थियो। यो विस्तृत सतह विशेषता हाम्रो पहिले प्रकाशित कार्यको विस्तारको रूपमा प्रदर्शन गरिएको थियो, जसमा हामीले निर्धारण गर्यौं कि PMPC-परिमार्जित lehfilcon A CL सतहको गतिशील रूपमा ब्रान्च गरिएको पोलिमरिक ब्रश संरचनाले नेटिभ कोर्नियल टिस्यु 14 जस्तै मेकानिकल गुणहरू प्रदर्शन गर्यो। यस कारणले गर्दा, हामी सम्पर्क लेन्स सतहहरूलाई बायोमिमेटिक सामग्री14 को रूपमा उल्लेख गर्छौं। चित्र 3a,b मा क्रमशः lehfilcon A CL सब्सट्रेट र उपचार नगरिएको SiHy सब्सट्रेटको सतहमा ब्रान्च गरिएको PMPC पोलिमर ब्रश संरचनाहरूको क्रस सेक्सनहरू देखाउनुहोस्। दुबै नमूनाहरूको सतहहरू उच्च-रिजोल्युसन AFM छविहरू प्रयोग गरेर थप विश्लेषण गरिएको थियो, जसले STEM विश्लेषणको नतिजाहरूलाई थप पुष्टि गर्‍यो (चित्र 3c, d)। सँगै लिँदा, यी छविहरूले 300-400 nm मा PMPC ब्रान्च गरिएको पोलिमर ब्रश संरचनाको अनुमानित लम्बाइ दिन्छ, जुन AFM न्यानोइन्डेन्टेसन मापनको व्याख्याको लागि महत्त्वपूर्ण छ। तस्बिरहरूबाट प्राप्त अर्को प्रमुख अवलोकन भनेको CL बायोमिमेटिक सामग्रीको समग्र सतह संरचना SiHy सब्सट्रेट सामग्री भन्दा मोर्फोलोजिकली फरक छ। तिनीहरूको सतह मोर्फोलोजीमा यो भिन्नता इन्डेन्टिङ AFM प्रोबसँगको मेकानिकल अन्तरक्रियाको समयमा र त्यसपछि मापन गरिएको मोड्युलस मानहरूमा स्पष्ट हुन सक्छ।
(a) lehfilcon A CL र (b) SiHy सब्सट्रेटको क्रस-सेक्शनल STEM छविहरू। स्केल बार, ५०० nm। lehfilcon A CL सब्सट्रेट (c) र आधार SiHy सब्सट्रेट (d) (३ µm × ३ µm) को सतहको AFM छविहरू।
बायोइन्स्पायर्ड पोलिमर र पोलिमर ब्रश संरचनाहरू स्वाभाविक रूपमा नरम हुन्छन् र विभिन्न बायोमेडिकल अनुप्रयोगहरूमा व्यापक रूपमा अध्ययन र प्रयोग गरिएको छ74,75,76,77। त्यसकारण, AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि प्रयोग गर्नु महत्त्वपूर्ण छ, जसले तिनीहरूको मेकानिकल गुणहरूलाई सही र भरपर्दो रूपमा मापन गर्न सक्छ। तर एकै समयमा, यी अति-नरम सामग्रीहरूको अद्वितीय गुणहरू, जस्तै अत्यन्त कम लोचदार मोड्युलस, उच्च तरल सामग्री र उच्च लोच, प्रायः इन्डेन्टिङ प्रोबको सही सामग्री, आकार र आकार छनौट गर्न गाह्रो बनाउँछ। आकार। यो महत्त्वपूर्ण छ ताकि इन्डेन्टरले नमूनाको नरम सतहलाई छेड्ने छैन, जसले सतहसँग सम्पर्कको बिन्दु र सम्पर्कको क्षेत्र निर्धारण गर्न त्रुटिहरू निम्त्याउनेछ।
यसका लागि, अल्ट्रा-सफ्ट बायोमिमेटिक सामग्री (लेहफिलकोन ए सीएल) को आकारविज्ञानको विस्तृत बुझाइ आवश्यक छ। इमेजिङ विधि प्रयोग गरेर प्राप्त गरिएको ब्रान्चेड पोलिमर ब्रसको आकार र संरचनाको बारेमा जानकारीले AFM न्यानोइन्डेन्टेसन प्रविधिहरू प्रयोग गरेर सतहको मेकानिकल विशेषताको लागि आधार प्रदान गर्दछ। माइक्रोन-आकारको गोलाकार कोलोइडल प्रोबहरूको सट्टा, हामीले १४० एनएमको टिप व्यास भएको PFQNM-LC-A-CAL सिलिकन नाइट्राइड प्रोब (ब्रुकर) छनौट गर्यौं, विशेष रूपमा जैविक नमूनाहरूको मेकानिकल गुणहरूको मात्रात्मक म्यापिङको लागि डिजाइन गरिएको ७८, ७९, ८०, ८१, ८२, ८३, ८४। परम्परागत कोलोइडल प्रोबहरूको तुलनामा अपेक्षाकृत तीखो प्रोबहरू प्रयोग गर्ने औचित्य सामग्रीको संरचनात्मक सुविधाहरूद्वारा व्याख्या गर्न सकिन्छ। चित्र ३a मा देखाइएको CL lehfilcon A को सतहमा रहेको ब्रान्च्ड पोलिमर ब्रससँग प्रोब टिप साइज (~१४० nm) को तुलना गर्दा, यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि टिप यी ब्रश संरचनाहरूसँग प्रत्यक्ष सम्पर्कमा आउन पर्याप्त ठूलो छ, जसले गर्दा टिप तिनीहरूबाट छेडिने सम्भावना कम हुन्छ। यो बिन्दुलाई चित्रण गर्न, चित्र ४ मा लेहफिल्कोन A CL र AFM प्रोबको इन्डेन्टिङ टिपको STEM छवि (स्केलमा कोरिएको) छ।
लेहफिलकोन ए सीएल र एसीएम इन्डेन्टेसन प्रोबको STEM छवि देखाउने योजनाबद्ध (स्केलमा कोरिएको)।
यसको अतिरिक्त, १४० एनएमको टिप साइज CP-AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधिद्वारा उत्पादित पोलिमर ब्रशहरूको लागि पहिले रिपोर्ट गरिएको कुनै पनि स्टिकी एक्सट्रुजन प्रभावहरूको जोखिमबाट बच्न पर्याप्त सानो छ69,71। हामी मान्दछौं कि विशेष शंकु-गोलाकार आकार र यस AFM टिपको अपेक्षाकृत सानो आकारको कारण (चित्र १), लेहफिलकन ए सीएल न्यानोइन्डेन्टेसनद्वारा उत्पन्न बल वक्रको प्रकृति इन्डेन्टेसन गति वा लोडिङ/अनलोडिङ गतिमा निर्भर हुनेछैन। त्यसकारण, यो पोरोइलास्टिक प्रभावहरूबाट प्रभावित हुँदैन। यो परिकल्पना परीक्षण गर्न, लेहफिलकन ए सीएल नमूनाहरू PFQNM-LC-A-CAL प्रोब प्रयोग गरेर निश्चित अधिकतम बलमा इन्डेन्ट गरिएको थियो, तर दुई फरक वेगहरूमा, र परिणामस्वरूप तन्य र फिर्ता लिने बल वक्रहरू विभाजन (µm) मा बल (nN) प्लट गर्न प्रयोग गरिएको थियो चित्र ५a मा देखाइएको छ। लोडिङ र अनलोडिङको समयमा बल कर्भहरू पूर्ण रूपमा ओभरल्याप हुन्छन् भन्ने कुरा स्पष्ट छ, र चित्रमा इन्डेन्टेसन गतिसँगै शून्य इन्डेन्टेसन गहिराइमा बल शीयर बढ्छ भन्ने कुनै स्पष्ट प्रमाण छैन, जसले सुझाव दिन्छ कि व्यक्तिगत ब्रश तत्वहरू पोरोइलास्टिक प्रभाव बिना नै चित्रित गरिएको थियो। यसको विपरित, तरल पदार्थ अवधारण प्रभावहरू (चिपक एक्सट्रुजन र पोरोइलास्टिकिटी प्रभावहरू) समान इन्डेन्टेसन गतिमा ४५ µm व्यास AFM प्रोबको लागि स्पष्ट छन् र चित्र ५b मा देखाइए अनुसार स्ट्रेच र रिट्र्याक्ट कर्भहरू बीचको हिस्टेरेसिसद्वारा हाइलाइट गरिएका छन्। यी परिणामहरूले परिकल्पनालाई समर्थन गर्छन् र सुझाव दिन्छन् कि १४० एनएम व्यास प्रोबहरू यस्ता नरम सतहहरूको विशेषताका लागि राम्रो विकल्प हुन्।
lehfilcon A CL इन्डेन्टेसन बल ACM प्रयोग गरेर वक्र गर्दछ; (a) दुई लोडिङ दरहरूमा १४० nm व्यास भएको प्रोब प्रयोग गरेर, सतह इन्डेन्टेसनको समयमा पोरोइलास्टिक प्रभावको अनुपस्थिति प्रदर्शन गर्दछ; (b) ४५ µm र १४० nm व्यास भएका प्रोबहरू प्रयोग गरेर साना प्रोबहरूको तुलनामा ठूला प्रोबहरूको लागि चिपचिपा एक्सट्रुजन र पोरोइलास्टिकिटीको प्रभाव देखाउँछ।
अल्ट्रासफ्ट सतहहरूको विशेषता निर्धारण गर्न, AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधिहरूमा अध्ययन अन्तर्गत सामग्रीको गुणहरू अध्ययन गर्न उत्तम प्रोब हुनुपर्छ। टिप आकार र आकारको अतिरिक्त, AFM डिटेक्टर प्रणालीको संवेदनशीलता, परीक्षण वातावरणमा टिप विक्षेपणको संवेदनशीलता, र क्यान्टिलभर कठोरताले न्यानोइन्डेन्टेसनको शुद्धता र विश्वसनीयता निर्धारण गर्न महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्छ। मापन। हाम्रो AFM प्रणालीको लागि, स्थिति संवेदनशील डिटेक्टर (PSD) पत्ता लगाउने सीमा लगभग 0.5 mV छ र पूर्व-क्यालिब्रेटेड स्प्रिंग दर र PFQNM-LC-A-CAL प्रोबको गणना गरिएको तरल विक्षेपण संवेदनशीलतामा आधारित छ, जुन सैद्धान्तिक लोड संवेदनशीलतासँग मेल खान्छ। 0.1 pN भन्दा कम छ। त्यसकारण, यो विधिले कुनै पनि परिधीय आवाज घटक बिना न्यूनतम इन्डेन्टेसन बल ≤ 0.1 pN मापन गर्न अनुमति दिन्छ। यद्यपि, मेकानिकल कम्पन र तरल गतिशीलता जस्ता कारकहरूको कारणले गर्दा AFM प्रणालीको लागि परिधीय आवाजलाई यो स्तरमा घटाउन लगभग असम्भव छ। यी कारकहरूले AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधिको समग्र संवेदनशीलतालाई सीमित गर्छन् र लगभग ≤ १० pN को पृष्ठभूमि आवाज संकेत पनि निम्त्याउँछन्। सतह विशेषताको लागि, SEM विशेषताको लागि १४० nm प्रोब प्रयोग गरेर पूर्ण रूपमा हाइड्रेटेड अवस्थाहरूमा lehfilcon A CL र SiHy सब्सट्रेट नमूनाहरू इन्डेन्ट गरिएका थिए, र परिणामस्वरूप बल वक्रहरू बल (pN) र दबाब बीच सुपरइम्पोज गरिएका थिए। पृथकीकरण प्लट (µm) चित्र ६a मा देखाइएको छ। SiHy आधार सब्सट्रेटको तुलनामा, lehfilcon A CL बल वक्रले फोर्क्ड पोलिमर ब्रशसँग सम्पर्कको बिन्दुबाट सुरु हुने र अन्तर्निहित सामग्रीसँग टिपको ढलान चिन्ह लगाउने सम्पर्कमा तीव्र परिवर्तनको साथ समाप्त हुने संक्रमणकालीन चरण स्पष्ट रूपमा देखाउँछ। बल वक्रको यो संक्रमणकालीन भागले सतहमा शाखायुक्त पोलिमर ब्रशको साँच्चै लोचदार व्यवहारलाई हाइलाइट गर्दछ, जसरी तनाव वक्रलाई नजिकबाट पछ्याउने कम्प्रेसन कर्भ र ब्रश संरचना र भारी SiHy सामग्री बीचको मेकानिकल गुणहरूमा भिन्नता द्वारा प्रमाणित हुन्छ। लेफिलकन तुलना गर्दा। PCS (चित्र ३a) को STEM छविमा ब्रान्चेड पोलिमर ब्रसको औसत लम्बाइ र चित्र ३a मा abscissa सँग यसको बल वक्रको पृथक्करणले देखाउँछ कि विधिले टिप र सतहको धेरै माथि पुग्ने ब्रान्चेड पोलिमर पत्ता लगाउन सक्षम छ। ब्रश संरचनाहरू बीचको सम्पर्क। थप रूपमा, बल वक्रहरूको नजिकको ओभरल्यापले तरल अवधारण प्रभावलाई संकेत गर्दैन। यस अवस्थामा, सुई र नमूनाको सतह बीच बिल्कुल कुनै आसंजन छैन। दुई नमूनाहरूको लागि बल वक्रहरूको माथिल्लो भागहरू ओभरल्याप हुन्छन्, जसले सब्सट्रेट सामग्रीहरूको मेकानिकल गुणहरूको समानतालाई प्रतिबिम्बित गर्दछ।
(a) lehfilcon A CL सब्सट्रेटहरू र SiHy सब्सट्रेटहरूको लागि AFM न्यानोइन्डेन्टेसन बल कर्भहरू, (b) पृष्ठभूमि आवाज थ्रेसहोल्ड विधि प्रयोग गरेर सम्पर्क बिन्दु अनुमान देखाउने बल कर्भहरू।
बल कर्भको सूक्ष्म विवरणहरू अध्ययन गर्न, लेहफिलकोन A CL नमूनाको तनाव कर्भलाई चित्र 6b मा y-अक्षमा 50 pN को अधिकतम बलको साथ पुन: प्लट गरिएको छ। यो ग्राफले मूल पृष्ठभूमि आवाजको बारेमा महत्त्वपूर्ण जानकारी प्रदान गर्दछ। आवाज ±10 pN को दायरामा छ, जुन सम्पर्क बिन्दुलाई सही रूपमा निर्धारण गर्न र इन्डेन्टेसन गहिराइ गणना गर्न प्रयोग गरिन्छ। साहित्यमा रिपोर्ट गरिए अनुसार, सम्पर्क बिन्दुहरूको पहिचान मोडुलस85 जस्ता सामग्री गुणहरूको सही रूपमा मूल्याङ्कन गर्न महत्त्वपूर्ण छ। बल कर्भ डेटाको स्वचालित प्रशोधन समावेश गर्ने दृष्टिकोणले नरम सामग्रीहरूको लागि डेटा फिटिंग र मात्रात्मक मापनहरू बीच सुधारिएको फिट देखाएको छ86। यस कार्यमा, सम्पर्क बिन्दुहरूको हाम्रो छनोट अपेक्षाकृत सरल र वस्तुनिष्ठ छ, तर यसको सीमितताहरू छन्। सम्पर्क बिन्दु निर्धारण गर्ने हाम्रो रूढिवादी दृष्टिकोणले सानो इन्डेन्टेसन गहिराइ (< 100 nm) को लागि थोरै बढी अनुमानित मोडुलस मानहरू निम्त्याउन सक्छ। एल्गोरिथ्म-आधारित टचपोइन्ट पत्ता लगाउने र स्वचालित डेटा प्रशोधनको प्रयोग भविष्यमा हाम्रो विधिलाई अझ सुधार गर्न यो कामको निरन्तरता हुन सक्छ। यसरी, ±१० pN को क्रममा आन्तरिक पृष्ठभूमि आवाजको लागि, हामी चित्र ६b मा x-अक्षमा पहिलो डेटा बिन्दुको रूपमा सम्पर्क बिन्दुलाई परिभाषित गर्छौं जसको मान ≥१० pN हुन्छ। त्यसपछि, १० pN को आवाज थ्रेसहोल्ड अनुसार, ~०.२७ µm को स्तरमा ठाडो रेखाले सतहसँगको सम्पर्क बिन्दुलाई चिन्ह लगाउँछ, त्यसपछि स्ट्रेचिङ कर्भ जारी रहन्छ जबसम्म सब्सट्रेटले ~२७० nm को इन्डेन्टेसन गहिराइ पूरा गर्दैन। चाखलाग्दो कुरा के छ भने, इमेजिङ विधि प्रयोग गरेर मापन गरिएको शाखायुक्त पोलिमर ब्रश सुविधाहरू (३००–४०० nm) को आकारमा आधारित, CL लेहफिलकोनको इन्डेन्टेसन गहिराइ पृष्ठभूमि आवाज थ्रेसहोल्ड विधि प्रयोग गरेर अवलोकन गरिएको नमूना लगभग २७० nm हो, जुन STEM सँग मापन आकारको धेरै नजिक छ। यी परिणामहरूले यो धेरै नरम र अत्यधिक लोचदार शाखायुक्त पोलिमर ब्रश संरचनाको इन्डेन्टेसनको लागि AFM प्रोब टिपको आकार र आकारको अनुकूलता र प्रयोज्यतालाई थप पुष्टि गर्दछ। यो डेटाले सम्पर्क बिन्दुहरूलाई पिनपोइन्ट गर्न थ्रेसहोल्डको रूपमा पृष्ठभूमि आवाज प्रयोग गर्ने हाम्रो विधिलाई समर्थन गर्न बलियो प्रमाण पनि प्रदान गर्दछ। तसर्थ, गणितीय मोडेलिङ र बल कर्भ फिटिंगबाट प्राप्त कुनै पनि मात्रात्मक परिणामहरू अपेक्षाकृत सही हुनुपर्छ।
AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधिहरूद्वारा मात्रात्मक मापनहरू डेटा चयन र त्यसपछिको विश्लेषणको लागि प्रयोग गरिने गणितीय मोडेलहरूमा पूर्ण रूपमा निर्भर हुन्छन्। त्यसकारण, विशेष मोडेल छनौट गर्नु अघि इन्डेन्टरको छनोट, सामग्री गुणहरू र तिनीहरूको अन्तरक्रियाको मेकानिक्ससँग सम्बन्धित सबै कारकहरू विचार गर्नु महत्त्वपूर्ण छ। यस अवस्थामा, टिप ज्यामितिलाई SEM माइक्रोग्राफहरू (चित्र १) प्रयोग गरेर सावधानीपूर्वक चित्रण गरिएको थियो, र परिणामहरूको आधारमा, कडा शंकु र गोलाकार टिप ज्यामिति भएको १४० एनएम व्यास AFM न्यानोइन्डेन्टिङ प्रोब लेहफिलकोन A CL79 नमूनाहरू चित्रण गर्नको लागि राम्रो विकल्प हो। अर्को महत्त्वपूर्ण कारक जुन सावधानीपूर्वक मूल्याङ्कन गर्न आवश्यक छ त्यो पोलिमर सामग्रीको लोच परीक्षण गरिँदैछ। यद्यपि न्यानोइन्डेन्टेसनको प्रारम्भिक डेटा (चित्र ५a र ६a) ले तनाव र कम्प्रेसन कर्भहरूको ओभरल्यापिङका विशेषताहरू, अर्थात्, सामग्रीको पूर्ण लोचदार रिकभरीको विशेषताहरूलाई स्पष्ट रूपमा रूपरेखा दिन्छ, सम्पर्कहरूको विशुद्ध लोचदार प्रकृति पुष्टि गर्न अत्यन्त महत्त्वपूर्ण छ। यस उद्देश्यका लागि, पूर्ण हाइड्रेशन अवस्थाहरूमा १ µm/s को इन्डेन्टेशन दरमा लेहफिलकोन A CL नमूनाको सतहमा एउटै स्थानमा दुईवटा लगातार इन्डेन्टेशनहरू गरियो। परिणामस्वरूप बल कर्भ डेटा चित्र ७ मा देखाइएको छ र, अपेक्षा गरिए अनुसार, दुई प्रिन्टहरूको विस्तार र कम्प्रेसन कर्भहरू लगभग समान छन्, जसले शाखायुक्त पोलिमर ब्रश संरचनाको उच्च लोचलाई हाइलाइट गर्दछ।
लेहफिलकोन ए सीएलको सतहमा एउटै स्थानमा दुई इन्डेन्टेसन बल वक्रहरूले लेन्स सतहको आदर्श लोचलाई जनाउँछ।
क्रमशः प्रोब टिप र लेहफिलकोन ए सीएल सतहको SEM र STEM छविहरूबाट प्राप्त जानकारीको आधारमा, कोन-स्फेयर मोडेल AFM प्रोब टिप र परीक्षण भइरहेको नरम पोलिमर सामग्री बीचको अन्तरक्रियाको उचित गणितीय प्रतिनिधित्व हो। थप रूपमा, यस कोन-स्फेयर मोडेलको लागि, छापिएको सामग्रीको लोचदार गुणहरूको बारेमा आधारभूत धारणाहरू यस नयाँ बायोमिमेटिक सामग्रीको लागि सत्य हुन्छन् र लोचदार मोड्युलसको मात्रा निर्धारण गर्न प्रयोग गरिन्छ।
AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि र यसका घटकहरूको व्यापक मूल्याङ्कन पछि, जसमा इन्डेन्टेसन प्रोब गुणहरू (आकार, आकार, र वसन्त कठोरता), संवेदनशीलता (पृष्ठभूमि आवाज र सम्पर्क बिन्दु अनुमान), र डेटा फिटिंग मोड्युलस (परिमाणात्मक मोड्युलस मापन) समावेश छन्, विधि प्रयोग गरिएको थियो। मात्रात्मक परिणामहरू प्रमाणित गर्न व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध अल्ट्रा-सफ्ट नमूनाहरू चित्रण गर्नुहोस्। 1 kPa को लोचदार मोड्युलस भएको व्यावसायिक पोलीएक्रिलामाइड (PAAM) हाइड्रोजेललाई 140 nm प्रोब प्रयोग गरेर हाइड्रेटेड अवस्थाहरूमा परीक्षण गरिएको थियो। मोड्युल परीक्षण र गणनाहरूको विवरण पूरक जानकारीमा प्रदान गरिएको छ। परिणामहरूले देखाए कि मापन गरिएको औसत मोड्युलस 0.92 kPa थियो, र ज्ञात मोड्युलसबाट %RSD र प्रतिशत (%) विचलन 10% भन्दा कम थियो। यी परिणामहरूले अल्ट्रासफ्ट सामग्रीहरूको मोड्युल मापन गर्न यस कार्यमा प्रयोग गरिएको AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधिको शुद्धता र पुनरुत्पादनशीलता पुष्टि गर्दछ। लेहफिलकोन ए सीएल नमूनाहरू र सिहाइ आधार सब्सट्रेटको सतहहरूलाई इन्डेन्टेसन गहिराइको कार्यको रूपमा अल्ट्रासफ्ट सतहको स्पष्ट सम्पर्क मोड्युलस अध्ययन गर्न उही AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि प्रयोग गरेर थप विशेषता दिइएको थियो। इन्डेन्टेसन बल विभाजन वक्रहरू प्रत्येक प्रकारका तीन नमूनाहरूको लागि (n = 3; प्रति नमूना एक इन्डेन्टेसन) 300 pN को बल, 1 µm/s को गति, र पूर्ण हाइड्रेशनमा उत्पन्न गरिएको थियो। इन्डेन्टेसन बल साझेदारी वक्र कोन-स्फेयर मोडेल प्रयोग गरेर अनुमानित गरिएको थियो। इन्डेन्टेसन गहिराइमा निर्भर मोड्युलस प्राप्त गर्न, सम्पर्क बिन्दुबाट सुरु हुने 20 nm को प्रत्येक वृद्धिमा बल वक्रको 40 nm चौडा भाग सेट गरिएको थियो, र बल वक्रको प्रत्येक चरणमा मोड्युलसको मानहरू मापन गरिएको थियो। स्पिन साइ एट अल। कोलोइडल AFM प्रोब न्यानोइन्डेन्टेसन प्रयोग गरेर पोली(लौरिल मेथाक्रिलेट) (P12MA) पोलिमर ब्रशको मोड्युलस ग्रेडियन्टलाई चित्रण गर्न समान दृष्टिकोण प्रयोग गरिएको छ, र तिनीहरू हर्ट्ज सम्पर्क मोडेल प्रयोग गरेर डेटासँग एकरूप छन्। यो दृष्टिकोणले चित्र ८ मा देखाइए अनुसार स्पष्ट सम्पर्क मोड्युलस (kPa) बनाम इन्डेन्टेसन गहिराई (nm) को प्लट प्रदान गर्दछ, जसले स्पष्ट सम्पर्क मोड्युलस/गहिराई ग्रेडियन्टलाई चित्रण गर्दछ। CL lehfilcon A नमूनाको गणना गरिएको लोचदार मोड्युलस नमूनाको माथिल्लो १०० nm भित्र २-३ kPa को दायरामा हुन्छ, जसभन्दा बाहिर यो गहिराइसँगै बढ्न थाल्छ। अर्कोतर्फ, सतहमा ब्रश-जस्तो फिल्म बिना SiHy आधार सब्सट्रेट परीक्षण गर्दा, ३०० pN को बलमा प्राप्त गरिएको अधिकतम इन्डेन्टेसन गहिराइ ५० nm भन्दा कम हुन्छ, र डेटाबाट प्राप्त मोड्युलस मान लगभग ४०० kPa हुन्छ, जुन थोक सामग्रीहरूको लागि यंगको मोड्युलसको मानहरूसँग तुलना गर्न सकिन्छ।
मोड्युलस मापन गर्न कोन-स्फेयर ज्यामितिको साथ AFM न्यानोइन्डेन्टेशन विधि प्रयोग गरेर लेहफिलकोन A CL र SiHy सब्सट्रेटहरूको लागि स्पष्ट सम्पर्क मोड्युलस (kPa) बनाम इन्डेन्टेशन गहिराई (nm)।
उपन्यास बायोमिमेटिक ब्रान्चेड पोलिमर ब्रश संरचनाको माथिल्लो सतहले अत्यन्तै कम लोचको मोड्युलस (२–३ kPa) प्रदर्शन गर्दछ। यसले STEM छविमा देखाइए अनुसार फोर्क्ड पोलिमर ब्रशको फ्री ह्याङ्गिङ एन्डसँग मेल खान्छ। CL को बाहिरी किनारामा मोड्युलस ग्रेडियन्टको केही प्रमाण भए पनि, मुख्य उच्च मोड्युलस सब्सट्रेट बढी प्रभावशाली छ। यद्यपि, सतहको माथिल्लो १०० nm ब्रान्चेड पोलिमर ब्रशको कुल लम्बाइको २०% भित्र छ, त्यसैले यो इन्डेन्टेसन गहिराई दायरामा मोड्युलसको मापन गरिएको मानहरू अपेक्षाकृत सही छन् र तल्लो वस्तुको प्रभावमा दृढ रूपमा निर्भर गर्दैनन् भन्ने मान्नु उचित छ।
SiHy सब्सट्रेटहरूको सतहमा ग्राफ्ट गरिएको ब्रान्च गरिएको PMPC पोलिमर ब्रश संरचनाहरू मिलेर बनेको लेहफिल्कन A कन्ट्याक्ट लेन्सको अद्वितीय बायोमिमेटिक डिजाइनको कारणले गर्दा, परम्परागत मापन विधिहरू प्रयोग गरेर तिनीहरूको सतह संरचनाहरूको मेकानिकल गुणहरूलाई विश्वसनीय रूपमा चित्रण गर्न धेरै गाह्रो छ। यहाँ हामी उच्च पानी सामग्री र अत्यन्त उच्च लोच भएको लेफिल्कन A जस्ता अल्ट्रा-नरम सामग्रीहरूलाई सही रूपमा चित्रण गर्नको लागि एक उन्नत AFM न्यानोइन्डेन्टेसन विधि प्रस्तुत गर्दछौं। यो विधि AFM प्रोबको प्रयोगमा आधारित छ जसको टिप आकार र ज्यामितिलाई छाप्नको लागि अल्ट्रा-नरम सतह सुविधाहरूको संरचनात्मक आयामहरूसँग मिलाउन सावधानीपूर्वक छनोट गरिएको छ। प्रोब र संरचना बीचको आयामहरूको यो संयोजनले बढ्दो संवेदनशीलता प्रदान गर्दछ, जसले हामीलाई पोरोइलास्टिक प्रभावहरूको पर्वाह नगरी, ब्रान्च गरिएको पोलिमर ब्रश तत्वहरूको कम मोड्युलस र निहित लोचदार गुणहरू मापन गर्न अनुमति दिन्छ। परिणामहरूले देखाए कि लेन्स सतहको विशेषता अद्वितीय ब्रान्च गरिएको PMPC पोलिमर ब्रशहरूमा जलीय वातावरणमा परीक्षण गर्दा अत्यन्त कम लोचदार मोड्युलस (२ kPa सम्म) र धेरै उच्च लोच (लगभग १००%) थियो। AFM न्यानोइन्डेन्टेसनको नतिजाले हामीलाई बायोमिमेटिक लेन्स सतहको स्पष्ट सम्पर्क मोड्युलस/गहिराई ग्रेडियन्ट (30 kPa/200 nm) लाई चित्रण गर्न पनि अनुमति दियो। यो ग्रेडियन्ट ब्रान्चेड पोलिमर ब्रस र SiHy सब्सट्रेट बीचको मोड्युलस भिन्नता, वा पोलिमर ब्रसको ब्रान्चेड संरचना/घनत्व, वा तिनीहरूको संयोजनको कारणले हुन सक्छ। यद्यपि, संरचना र गुणहरू बीचको सम्बन्धलाई पूर्ण रूपमा बुझ्न थप गहन अध्ययनहरू आवश्यक छ, विशेष गरी मेकानिकल गुणहरूमा ब्रश ब्रान्चिङको प्रभाव। समान मापनहरूले अन्य अल्ट्रा-नरम सामग्री र चिकित्सा उपकरणहरूको सतहको मेकानिकल गुणहरू चित्रण गर्न मद्दत गर्न सक्छ।
हालको अध्ययनको क्रममा उत्पन्न र/वा विश्लेषण गरिएका डाटासेटहरू उचित अनुरोधमा सम्बन्धित लेखकहरूबाट उपलब्ध छन्।
रहमती, एम., सिल्भा, ईए, रिसल्याण्ड, जेई, हेवर्ड, के. र हाउगेन, एचजे जैविक पदार्थहरूको सतहहरूको भौतिक र रासायनिक गुणहरूमा जैविक प्रतिक्रियाहरू। केमिकल। समाज। एड। ४९, ५१७८–५२२४ (२०२०)।
चेन, एफएम र लिउ, एक्स। टिस्यु इन्जिनियरिङका लागि मानव-व्युत्पन्न बायोमटेरियलको सुधार। प्रोग्रामिङ। पोलिमर। विज्ञान। ५३, ८६ (२०१६)।
स्याडलर, के. एट अल। पुनर्जन्म औषधिमा बायोमटेरियलको डिजाइन, क्लिनिकल कार्यान्वयन, र प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया। राष्ट्रिय म्याट रेभ. १, १६०४० (२०१६)।
ओलिभर डब्लुके र फार जीएम। लोड र विस्थापन मापनको साथ इन्डेन्टेसन प्रयोगहरू प्रयोग गरेर कठोरता र लोचदार मोड्युलस निर्धारण गर्ने एक सुधारिएको विधि। जे. अल्मा मेटर। भण्डारण ट्याङ्की। ७, १५६४–१५८३ (२०११)।
वाली, एसएम इन्डेन्टेसन कठोरता परीक्षणको ऐतिहासिक उत्पत्ति। अल्मा मेटर। विज्ञान। प्रविधिहरू। २८, १०२८–१०४४ (२०१२)।
ब्रोइटम्यान, ई. म्याक्रो-, माइक्रो-, र नानोस्केलमा इन्डेन्टेसन कठोरता मापन: एक आलोचनात्मक समीक्षा। जनजाति। राइट। ६५, १–१८ (२०१७)।
काउफम्यान, जेडी र क्ल्यापेरिच, एसएम सतह पत्ता लगाउने त्रुटिहरूले नरम पदार्थहरूको न्यानोइन्डेन्टेसनमा मोड्युलस ओभरस्टिमेशन निम्त्याउँछ। जे. मेका। व्यवहार। बायोमेडिकल विज्ञान। अल्मा मेटर। २, ३१२–३१७ (२००९)।
करिमजादे ए., कोलूर एसएसआर, अयातोल्लाखी एमआर, बुशरोआ एआर र याह्या एम.यू. प्रयोगात्मक र कम्प्युटेसनल विधिहरू प्रयोग गरेर विषम न्यानोकम्पोजिटहरूको मेकानिकल विशेषताहरू निर्धारण गर्न न्यानोइन्डेन्टेसन विधिको मूल्याङ्कन। विज्ञान। घर ९, १५७६३ (२०१९)।
लिउ, के., भ्यानलेन्डिङह्याम, एमआर, र ओवार्ट, टीएस इन्डेन्टेसन र अप्टिमाइजेसन-आधारित इन्भर्स फिनिट एलिमेन्ट विश्लेषणद्वारा नरम भिस्कोइलास्टिक जेलहरूको मेकानिकल विशेषताकरण। जे. मेचा। व्यवहार। बायोमेडिकल साइन्स। अल्मा मेटर। २, ३५५–३६३ (२००९)।
एन्ड्रयूज जेडब्ल्यू, बोवेन जे र च्यानेलर डी। उपयुक्त मापन प्रणाली प्रयोग गरेर भिस्कोइलास्टिकिटी निर्धारणको अनुकूलन। सफ्ट म्याटर ९, ५५८१–५५९३ (२०१३)।
ब्रिस्को, बीजे, फियोरी, एल. र पेलिल्लो, ई. पोलिमरिक सतहहरूको न्यानोइन्डेन्टेसन। जे. भौतिकशास्त्र। डी. भौतिकशास्त्रको लागि आवेदन। ३१, २३९५ (१९९८)।
मियाइलोभिच एएस, सिन बी., फोर्टुनाटो डी. र भ्यान भ्लिएट केजे। शक इन्डेन्टेसन प्रयोग गरेर अत्यधिक लोचदार पोलिमर र जैविक तन्तुहरूको भिस्कोइलास्टिक मेकानिकल गुणहरूको विशेषता। जर्नल अफ बायोमटेरियल्स। ७१, ३८८–३९७ (२०१८)।
पेरेपेल्किन एनभी, कोभालेभ एई, गोर्ब एसएन, बोरोडिच एफएम विस्तारित बोरोडिच-गालानोभ (बीजी) विधि र गहिरो इन्डेन्टेसन प्रयोग गरेर नरम पदार्थहरूको लोचदार मोड्युलस र आसंजन कार्यको मूल्याङ्कन। फर। अल्मा मेटर। १२९, १९८–२१३ (२०१९)।
शि, एक्स. एट अल। सिलिकन हाइड्रोजेल कन्ट्याक्ट लेन्सको बायोमिमेटिक पोलिमरिक सतहहरूको नानोस्केल मोर्फोलोजी र मेकानिकल गुणहरू। लांगमुइर ३७, १३९६१–१३९६७ (२०२१)।