Хвала вам што сте посетили Nature.com. Користите верзију прегледача са ограниченом CSS подршком. За најбоље искуство, препоручујемо вам да користите ажурирани прегледач (или да онемогућите режим компатибилности у Internet Explorer-у). Поред тога, како бисмо осигурали континуирану подршку, приказујемо сајт без стилова и JavaScript-а.
Приказује вртешку од три слајда одједном. Користите дугмад Претходно и Следеће да бисте се кретали кроз три слајда истовремено или користите клизаче на крају да бисте се кретали кроз три слајда одједном.
Са развојем нових ултра-меких материјала за медицинске уређаје и биомедицинске примене, свеобухватна карактеризација њихових физичких и механичких својстава је и важна и изазовна. Модификована техника наноиндентације атомском силовом микроскопијом (АФМ) примењена је за карактеризацију изузетно ниског површинског модула новог биомиметичког силикон-хидрогел контактног сочива lehfilcon A, пресвученог слојем разгранатих полимерних четкастих структура. Ова метода омогућава прецизно одређивање контактних тачака без ефеката вискозне екструзије при приближавању разгранатим полимерима. Поред тога, омогућава одређивање механичких карактеристика појединачних елемената четкице без ефекта пороеластичности. Ово се постиже избором АФМ сонде са дизајном (величина врха, геометрија и чврстоћа опруге) који је посебно погодан за мерење својстава меких материјала и биолошких узорака. Ова метода побољшава осетљивост и тачност за прецизно мерење веома меког материјала lehfilcon A, који има изузетно низак модул еластичности на површини (до 2 kPa) и изузетно високу еластичност у унутрашњем (скоро 100%) воденом окружењу. Резултати студије површине нису само открили ултра-мека површинска својства lehfilcon A сочива, већ су показали и да је модул разгранатих полимерних четкица упоредив са модулом силицијум-водоничног супстрата. Ова техника карактеризације површине може се применити на друге ултра-меке материјале и медицинске уређаје.
Механичка својства материјала дизајнираних за директан контакт са живим ткивом често су одређена биолошким окружењем. Савршено подударање ових својстава материјала помаже у постизању жељених клиничких карактеристика материјала без изазивања неповољних ћелијских одговора1,2,3. За хомогене материјале у расутом стању, карактеризација механичких својстава је релативно лака због доступности стандардних поступака и метода испитивања (нпр. микроудубљивање4,5,6). Међутим, за ултра-меке материјале као што су гелови, хидрогелови, биополимери, живе ћелије итд., ове методе испитивања генерално нису применљиве због ограничења резолуције мерења и нехомогености неких материјала7. Током година, традиционалне методе удубљивања су модификоване и прилагођене да би се окарактерисао широк спектар меких материјала, али многе методе и даље пате од озбиљних недостатака који ограничавају њихову употребу8,9,10,11,12,13. Недостатак специјализованих метода испитивања које могу прецизно и поуздано окарактерисати механичка својства супермеких материјала и површинских слојева озбиљно ограничава њихову употребу у различитим применама.
У нашем претходном раду, представили смо контактно сочиво lehfilcon A (CL), меки хетерогени материјал са свим ултра-меким површинским својствима изведеним из потенцијално биомиметичких дизајна инспирисаних површином рожњаче ока. Овај биоматеријал је развијен калемљењем разгранатог, умреженог полимерног слоја поли(2-метакрилоилоксиетилфосфорилхолина (MPC)) (PMPC) на силиконски хидрогел (SiHy) 15 дизајниран за медицинске уређаје на бази. Овај процес калемљења ствара слој на површини који се састоји од веома меке и високо еластичне разгранате полимерне четкасте структуре. Наш претходни рад је потврдио да биомиметичка структура lehfilcon A CL пружа супериорна површинска својства као што су побољшано влажење и спречавање прљавштине, повећана лубрикација и смањена адхезија ћелија и бактерија 15,16. Поред тога, употреба и развој овог биомиметичког материјала такође сугерише даље ширење на друге биомедицинске уређаје. Стога је кључно окарактерисати површинска својства овог ултра-меког материјала и разумети његову механичку интеракцију са оком како би се створила свеобухватна база знања која ће подржати будући развој и примене. Већина комерцијално доступних SiHy контактних сочива састоји се од хомогене мешавине хидрофилних и хидрофобних полимера који формирају једноличну структуру материјала17. Спроведено је неколико студија како би се испитала њихова механичка својства коришћењем традиционалних метода испитивања компресије, затезања и микроудубљивања18,19,20,21. Међутим, нови биомиметички дизајн lehfilcon A CL чини га јединственим хетерогеним материјалом у коме се механичка својства разгранатих полимерних четкастих структура значајно разликују од оних SiHy базне подлоге. Стога је веома тешко прецизно квантификовати ова својства коришћењем конвенционалних метода и метода удубљивања. Обећавајућа метода користи методу испитивања наноудубљивања имплементирану у атомској силовој микроскопији (AFM), методу која је коришћена за одређивање механичких својстава меких вискоеластичних материјала као што су биолошке ћелије и ткива, као и меки полимери22,23,24,25, ,26,27,28,29,30. Код AFM наноиндентације, основе наноиндентационог испитивања комбинују се са најновијим достигнућима у AFM технологији како би се обезбедила повећана осетљивост мерења и испитивање широког спектра инхерентно супермеких материјала31,32,33,34,35,36. Поред тога, технологија нуди и друге важне предности кроз употребу различитих геометрија увлакача и сонде и могућност испитивања у различитим течним медијумима.
АФМ наноиндентација се условно може поделити на три главне компоненте: (1) опрема (сензори, детектори, сонде итд.); (2) параметри мерења (као што су сила, померање, брзина, величина рампе итд.); (3) обрада података (корекција основне линије, процена тачке додира, прилагођавање података, моделирање итд.). Значајан проблем са овом методом је то што неколико студија у литератури које користе АФМ наноиндентацију извештавају о веома различитим квантитативним резултатима за исти тип узорка/ћелије/материјала37,38,39,40,41. На пример, Лека и др. проучавали су и упоређивали утицај геометрије АФМ сонде на измерени Јангов модул еластичности узорака механички хомогеног хидрогела и хетерогених ћелија. Они извештавају да су вредности модула у великој мери зависне од избора конзоле и облика врха, са највећом вредношћу за сонду у облику пирамиде и најнижом вредношћу од 42 за сферну сонду. Слично томе, Селхубер-Ункел и др. Показано је како брзина утискивача, величина утискивача и дебљина узорака полиакриламида (PAAM) утичу на Јангов модул еластичности измерен ACM43 наноиндентацијом. Још један компликовани фактор је недостатак стандардних материјала за тестирање са изузетно ниским модулом еластичности и бесплатних процедура тестирања. Због тога је веома тешко добити тачне резултате са поуздањем. Међутим, метода је веома корисна за релативна мерења и упоредне процене између сличних типова узорака, на пример коришћењем AFM наноиндентације за разликовање нормалних ћелија од ћелија рака 44, 45.
Приликом тестирања меких материјала помоћу AFM наноиндентације, опште правило је да се користи сонда са ниском константом опруге (k) која се блиско поклапа са модулом узорка и хемисферичним/округлим врхом тако да прва сонда не пробије површине узорка при првом контакту са меким материјалима. Такође је важно да сигнал скретања који генерише сонда буде довољно јак да га детектује систем ласерског детектора24,34,46,47. У случају ултра-меких хетерогених ћелија, ткива и гелова, још један изазов је превазилажење силе адхезије између сонде и површине узорка како би се осигурала репродуктивна и поуздана мерења48,49,50. До недавно, већина радова на AFM наноиндентацији фокусирала се на проучавање механичког понашања биолошких ћелија, ткива, гелова, хидрогелова и биомолекула коришћењем релативно великих сферних сонди, које се обично називају колоидне сонде (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ови врхови имају радијус од 1 до 50 µм и обично се праве од боросиликатног стакла, полиметил метакрилата (PMMA), полистирена (PS), силицијум диоксида (SiO2) и дијаманту сличног угљеника (DLC). Иако је CP-AFM наноиндентација често први избор за карактеризацију меких узорака, она има своје проблеме и ограничења. Употреба великих, сферних врхова микронске величине повећава укупну површину контакта врха са узорком и резултира значајним губитком просторне резолуције. За меке, нехомогене узорке, где се механичка својства локалних елемената могу значајно разликовати од просека на ширем подручју, CP индентација може сакрити сваку нехомогеност у својствима на локалном нивоу52. Колоидне сонде се обично праве причвршћивањем колоидних сфера микронске величине на конзоле без врхова помоћу епоксидних лепкова. Сам процес производње је пун многих проблема и може довести до недоследности у процесу калибрације сонде. Поред тога, величина и маса колоидних честица директно утичу на главне параметре калибрације конзоле, као што су резонантна фреквенција, крутост опруге и осетљивост на отклон 56,57,58. Стога, уобичајено коришћене методе за конвенционалне AFM сонде, као што је калибрација температуре, можда неће пружити тачну калибрацију за CP, и могу бити потребне друге методе за извођење ових корекција 57, 59, 60, 61. Типични експерименти увлачења CP користе конзолу са великим одступањима за проучавање својстава меких узорака, што ствара још један проблем при калибрацији нелинеарног понашања конзоле при релативно великим одступањима 62,63,64. Модерне методе увлачења колоидних сонди обично узимају у обзир геометрију конзоле која се користи за калибрацију сонде, али игноришу утицај колоидних честица, што ствара додатну несигурност у тачности методе 38,61. Слично томе, модули еластичности израчунати помоћу уклапања контактног модела директно зависе од геометрије сонде за удубљивање, а неусклађеност између карактеристика врха и површине узорка може довести до нетачности27, 65, 66, 67, 68. Истакнути су неки скорашњи радови Спенсера и др. Фактори које треба узети у обзир приликом карактеризације меких полимерних четкица коришћењем CP-AFM методе наноиндентације. Они су известили да задржавање вискозне течности у полимерним четкицама као функција брзине доводи до повећања оптерећења главе и самим тим до различитих мерења својстава зависних од брзине30,69,70,71.
У овој студији, окарактерисали смо површински модул ултра-меког високо еластичног материјала lehfilcon A CL користећи модификовану АФМ методу наноиндентације. С обзиром на својства и нову структуру овог материјала, опсег осетљивости традиционалне методе увлачења је очигледно недовољан за карактеризацију модула овог изузетно меког материјала, па је неопходно користити АФМ методу наноиндентације са вишим и нижим нивоом осетљивости. Након прегледа недостатака и проблема постојећих техника наноиндентације колоидном АФМ сондом, показујемо зашто смо изабрали мању, посебно дизајнирану АФМ сонду како бисмо елиминисали осетљивост, позадинску буку, прецизно одредили тачку контакта, измерили модул брзине меких хетерогених материјала као што је зависност од задржавања течности и прецизно квантификационо одређивање. Поред тога, били смо у могућности да прецизно измеримо облик и димензије врха увлачења, што нам је омогућило да користимо модел конус-сферног поклапања за одређивање модула еластичности без процене површине контакта врха са материјалом. Две имплицитне претпоставке које су квантификоване у овом раду су потпуно еластична својства материјала и модул независан од дубине увлачења. Користећи ову методу, прво смо тестирали ултра-меке стандарде са познатим модулом како бисмо квантификовали методу, а затим смо је користили за карактеризацију површина два различита материјала контактних сочива. Очекује се да ће ова метода карактеризације АФМ наноиндентационих површина са повећаном осетљивошћу бити применљива на широк спектар биомиметичких хетерогених ултра-меких материјала са потенцијалном употребом у медицинским уређајима и биомедицинским применама.
За експерименте наноиндентације одабрана су контактна сочива Lehfilcon A (Alcon, Форт Ворт, Тексас, САД) и њихове силикон-хидрогелне подлоге. У експерименту је коришћен специјално дизајниран носач сочива. Да би се сочиво инсталирало за тестирање, пажљиво је постављено на постоље у облику куполе, водећи рачуна да унутра не уђу мехурићи ваздуха, а затим је фиксирано ивицама. Рупа у држачу на врху држача сочива омогућава приступ оптичком центру сочива за експерименте наноиндентације, док течност остаје на месту. Ово одржава сочива потпуно хидрирана. 500 μl раствора за паковање контактних сочива коришћено је као тест раствор. Да би се верификовали квантитативни резултати, комерцијално доступни неактивирани полиакриламидни (PAAM) хидрогелови су припремљени од полиакриламид-ко-метилен-бисакриламидног састава (100 mm Petrisoft Петријеве шоље, Matrigen, Irvine, CA, САД), познатог модула еластичности од 1 kPa. Користите 4-5 капи (приближно 125 µl) фосфатно пуферованог физиолошког раствора (PBS од Corning Life Sciences, Тјуксбери, Масачусетс, САД) и 1 кап раствора за контактна сочива OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Во, Тексас, САД). ) на граничној површини AFM хидрогела и сонде.
Узорци Lehfilcon A CL и SiHy супстрата су визуелизовани коришћењем FEI Quanta 250 система за скенирање електронским микроскопом са емисијом поља (FEG SEM) опремљеног СТЕМ детектором. За припрему узорака, сочива су прво испрана водом и исечена у клинове у облику пите. Да би се постигао диференцијални контраст између хидрофилних и хидрофобних компоненти узорака, коришћен је 0,10% стабилизовани раствор RuO4 као боја, у коју су узорци уроњени 30 минута. Бојење lehfilcon A CL RuO4 је важно не само за постизање побољшаног диференцијалног контраста, већ и помаже у очувању структуре разгранатих полимерних четкица у њиховом оригиналном облику, које су затим видљиве на СТЕМ сликама. Затим су испрани и дехидрирани у серији смеша етанол/вода са повећањем концентрације етанола. Узорци су затим изливени са EMBed 812/Araldite епоксидом, који је очврснуо преко ноћи на 70°C. Блокови узорака добијени полимеризацијом смоле исечени су ултрамикротомом, а добијени танки пресеци су визуализовани STEM детектором у режиму ниског вакуума при убрзавајућем напону од 30 kV. Исти SEM систем је коришћен за детаљну карактеризацију PFQNM-LC-A-CAL AFM сонде (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорнија, САД). SEM слике AFM сонде су добијене у типичном режиму високог вакуума са убрзавајућим напоном од 30 kV. Снимљене су слике под различитим угловима и увећањима да би се забележили сви детаљи облика и величине врха AFM сонде. Све димензије врха од интереса на сликама су дигитално измерене.
За визуелизацију и наноиндентацију узорака lehfilcon A CL, SiHy супстрата и PAAm хидрогела коришћен је атомски силови микроскоп Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Санта Барбара, Калифорнија, САД) са режимом „PeakForce QNM in Fluid“. За експерименте снимања, коришћена је PEAKFORCE-HIRS-FA сонда (Bruker) са номиналним радијусом врха од 1 nm за снимање слика високе резолуције узорка брзином скенирања од 0,50 Hz. Све слике су снимљене у воденом раствору.
Експерименти са AFM наноиндентацијом су спроведени коришћењем PFQNM-LC-A-CAL сонде (Bruker). AFM сонда има силицијумски врх на нитридној конзоли дебљине 345 nm, дужине 54 µm и ширине 4,5 µm са резонантном фреквенцијом од 45 kHz. Посебно је дизајнирана за карактеризацију и извођење квантитативних наномеханичких мерења на меким биолошким узорцима. Сензори су појединачно калибрисани у фабрици са претходно калибрисаним подешавањима опруга. Константе опруге сонди коришћених у овој студији биле су у опсегу од 0,05–0,1 N/m. Да би се прецизно одредио облик и величина врха, сонда је детаљно окарактерисана коришћењем SEM-а. На слици 1а је приказана фотографија PFQNM-LC-A-CAL сонде добијена скенирајућом електронском микроскопијом високе резолуције и малог увећања, пружајући холистички поглед на дизајн сонде. На слици 1б је приказан увећани поглед на врх врха сонде, пружајући информације о облику и величини врха. На крајњем крају, игла је хемисфера пречника око 140 nm (Сл. 1c). Испод овога, врх се сужава у конусни облик, достижући измерену дужину од приближно 500 nm. Ван подручја сужавања, врх је цилиндричан и завршава се укупном дужином врха од 1,18 µm. Ово је главни функционални део врха сонде. Поред тога, велика сферна полистиренска (PS) сонда (Novascan Technologies, Inc., Бун, Ајова, САД) са пречником врха од 45 µm и константом опруге од 2 N/m је такође коришћена за тестирање као колоидна сонда, са PFQNM-LC-A-CAL сондом од 140 nm за поређење.
Пријављено је да течност може бити заробљена између AFM сонде и полимерне четкичасте структуре током наноиндентације, што ће деловати силом навише на AFM сонду пре него што она заправо додирне површину69. Овај ефекат вискозне екструзије услед задржавања течности може променити привидну тачку контакта, чиме утиче на мерења модула површине. Да би се проучио утицај геометрије сонде и брзине увлачења на задржавање течности, криве силе увлачења су нацртане за узорке lehfilcon A CL коришћењем сонде пречника 140 nm при константним брзинама померања од 1 µm/s и 2 µm/s. Пречник сонде 45 µm, фиксно подешавање силе 6 nN постигнуто је при 1 µm/s. Експерименти са сондом пречника 140 nm су спроведени при брзини увлачења од 1 µm/s и подешеној сили од 300 pN, изабраној да створи контактни притисак унутар физиолошког опсега (1–8 kPa) горњег капка. притисак 72. Меки готови узорци PAA хидрогела са притиском од 1 kPa тестирани су на силу утискивања од 50 pN при брзини од 1 μm/s коришћењем сонде пречника 140 nm.
Пошто је дужина коничног дела врха PFQNM-LC-A-CAL сонде приближно 500 nm, за било коју дубину увлачења < 500 nm може се безбедно претпоставити да ће геометрија сонде током увлачења остати верна свом конусном облику. Поред тога, претпоставља се да ће површина материјала који се тестира показивати реверзибилни еластични одговор, што ће такође бити потврђено у наредним одељцима. Стога смо, у зависности од облика и величине врха, изабрали модел конус-сфера који су развили Бриско, Себастијан и Адамс, а који је доступан у софтверу произвођача, за обраду наших AFM експеримената наноиндентације (NanoScope). Софтвер за анализу података о раздвајању, Bruker) 73. Модел описује однос силе и померања F(δ) за конус са сферним дефектом врха. На слици... Слика 2 приказује геометрију контакта током интеракције крутог конуса са сферним врхом, где је R полупречник сферног врха, a је полупречник контакта, b је полупречник контакта на крају сферног врха, δ је полупречник контакта. θ је дубина удубљења, полуугао конуса. СЕМ слика ове сонде јасно показује да се сферни врх пречника 140 nm тангенцијално спаја са конусом, тако да је овде b дефинисано само кроз R, тј. b = R cos θ. Софтвер који је испоручио произвођач пружа везу конус-сфера за израчунавање вредности Јанговог модула (E) из података о раздвајању сила под претпоставком да је a > b. Веза:
где је F сила утискивања, E је Јангов модул, ν је Поасонов коефицијент. Контактни радијус a може се проценити помоћу:
Шема контактне геометрије крутог конуса са сферним врхом утиснутим у материјал Лефилкон контактног сочива са површинским слојем разгранатих полимерних четкица.
Ако је a ≤ b, релација се своди на једначину за конвенционални сферни индентер;
Верујемо да ће интеракција сонде за удубљивање са разгранатом структуром PMPC полимерне четкице проузроковати да контактни радијус a буде већи од сферног контактног радијуса b. Стога смо за сва квантитативна мерења модула еластичности изведена у овој студији користили зависност добијену за случај a > b.
Ултрамеки биомиметички материјали проучавани у овој студији свеобухватно су снимљени коришћењем скенирајуће трансмисионе електронске микроскопије (СТЕМ) попречног пресека узорка и атомске силове микроскопије (АСМ) површине. Ова детаљна карактеризација површине је извршена као продужетак нашег претходно објављеног рада, у којем смо утврдили да динамички разграната полимерна четкаста структура ПМПЦ-модификоване површине lehfilcon A CL показује слична механичка својства као и природно ткиво рожњаче 14. Из тог разлога, површине контактних сочива називамо биомиметичким материјалима 14. На сликама 3а и б приказани су попречни пресеци разгранатих ПМПЦ полимерних четкастих структура на површини lehfilcon A CL подлоге и необрађене SiHy подлоге, респективно. Површине оба узорка су даље анализиране коришћењем АФМ слика високе резолуције, што је додатно потврдило резултате СТЕМ анализе (слика 3ц и д). Заједно, ове слике дају приближну дужину ПМПЦ разгранате полимерне четкасте структуре на 300–400 nm, што је критично за тумачење АФМ наноиндентационих мерења. Још једно кључно запажање изведено из слика је да се укупна површинска структура CL биомиметичког материјала морфолошки разликује од структуре SiHy подлоге. Ова разлика у њиховој површинској морфологији може постати очигледна током њихове механичке интеракције са AFM сондом за увлачење, а потом и у измереним вредностима модула.
Попречни пресеци STEM слика (а) lehfilcon A CL и (б) SiHy подлоге. Размера, 500 nm. AFM слике површине lehfilcon A CL подлоге (ц) и основне SiHy подлоге (д) (3 µm × 3 µm).
Биоинспирисани полимери и полимерне четкасте структуре су инхерентно мекани и широко су проучавани и коришћени у различитим биомедицинским применама74,75,76,77. Стога је важно користити AFM методу наноиндентације, која може прецизно и поуздано да измери њихова механичка својства. Али истовремено, јединствена својства ових ултра-меких материјала, као што су изузетно низак модул еластичности, висок садржај течности и висока еластичност, често отежавају избор правог материјала, облика и величине сонде за увлачење. Ово је важно како увлакач не би пробушио меку површину узорка, што би довело до грешака у одређивању тачке контакта са површином и површине контакта.
За ово је неопходно свеобухватно разумевање морфологије ултра-меких биомиметичких материјала (лехфилкон А ЦЛ). Информације о величини и структури разгранатих полимерних четкица добијених методом снимања пружају основу за механичку карактеризацију површине коришћењем AFM техника наноиндентације. Уместо сферних колоидних сонди микронске величине, изабрали смо PFQNM-LC-A-CAL силицијум нитридну сонду (Bruker) са пречником врха од 140 nm, специјално дизајнирану за квантитативно мапирање механичких својстава биолошких узорака 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Разлог за коришћење релативно оштрих сонди у поређењу са конвенционалним колоидним сондама може се објаснити структурним карактеристикама материјала. Упоређујући величину врха сонде (~140 nm) са разгранатим полимерним четкицама на површини CL лехфилкона А, приказаним на слици 3а, може се закључити да је врх довољно велик да дође у директан контакт са овим структурама четкица, што смањује могућност да врх пробије кроз њих. Да би се илустровала ова поента, на слици 4 је STEM слика lehfilcon A CL и врха за увлачење AFM сонде (нацртано у размери).
Шематски приказ STEM слике lehfilcon A CL и ACM сонде за увлачење (нацртано у размери).
Поред тога, величина врха од 140 nm је довољно мала да се избегне ризик од било ког од ефеката лепљиве екструзије који су претходно пријављени за полимерне четке произведене методом CP-AFM наноиндентације69,71. Претпостављамо да због посебног конусног сферног облика и релативно мале величине овог AFM врха (Сл. 1), природа криве силе генерисане наноиндентацијом lehfilcon A CL неће зависити од брзине увлачења или брзине утовара/истежења. Стога, на њу не утичу пороеластични ефекти. Да би се тестирала ова хипотеза, узорци lehfilcon A CL су утиснути фиксном максималном силом помоћу PFQNM-LC-A-CAL сонде, али при две различите брзине, а резултујуће криве силе затезања и повлачења коришћене су за приказивање силе (nN) при размаку (µm) као што је приказано на слици 5a. Јасно је да се криве силе током оптерећења и растерећења потпуно преклапају и да нема јасних доказа да се сила смицања на нултој дубини увлачења повећава са брзином увлачења на слици, што сугерише да су појединачни елементи четкице окарактерисани без пороеластичног ефекта. Насупрот томе, ефекти задржавања течности (вискозна екструзија и ефекти пороеластичности) су евидентни за AFM сонду пречника 45 µm при истој брзини увлачења и истакнути су хистерезисом између кривих истезања и увлачења, као што је приказано на слици 5б. Ови резултати подржавају хипотезу и сугеришу да су сонде пречника 140 nm добар избор за карактеризацију таквих меких површина.
Криве силе увлачења lehfilcon A CL коришћењем ACM-а; (а) коришћење сонде пречника 140 nm при две брзине оптерећења, демонстрирајући одсуство пороеластичног ефекта током површинског увлачења; (б) коришћење сонди пречника 45 µm и 140 nm. s приказују ефекте вискозне екструзије и пороеластичности за велике сонде у поређењу са мањим сондама.
Да би се окарактерисале ултрамеке површине, АФМ методе наноиндентације морају имати најбољу сонду за проучавање својстава материјала који се испитује. Поред облика и величине врха, осетљивост АФМ детекторског система, осетљивост на скретање врха у тест окружењу и крутост конзоле играју важну улогу у одређивању тачности и поузданости мерења наноиндентације. За наш АФМ систем, граница детекције позиционо осетљивог детектора (PSD) је приближно 0,5 mV и заснива се на претходно калибрисаној чврстоћи опруге и израчунатој осетљивости на скретање флуида сонде PFQNM-LC-A-CAL, што одговара теоријској осетљивости оптерећења, мања је од 0,1 pN. Стога, ова метода омогућава мерење минималне силе увлачења ≤ 0,1 pN без икакве периферне компоненте шума. Међутим, готово је немогуће да АФМ систем смањи периферни шум на овај ниво због фактора као што су механичке вибрације и динамика флуида. Ови фактори ограничавају укупну осетљивост АФМ методе наноиндентације и такође резултирају сигналом позадинске буке од приближно ≤ 10 pN. За карактеризацију површине, узорци подлоге lehfilcon A CL и SiHy су ​​утиснути под потпуно хидратисаним условима коришћењем сонде од 140 nm за SEM карактеризацију, а резултујуће криве силе су суперпониране између силе (pN) и притиска. График раздвајања (µm) је приказан на слици 6а. У поређењу са основном подлогом SiHy, крива силе lehfilcon A CL јасно показује прелазну фазу која почиње у тачки контакта са виљушкастом полимерном четком и завршава се оштро променом нагиба која означава контакт врха са основним материјалом. Овај прелазни део криве силе истиче истински еластично понашање разгранате полимерне четке на површини, што се види по кривој компресије која блиско прати криву затезања и контрасту у механичким својствима између структуре четке и гломазног SiHy материјала. Приликом поређења lefilcon-а. Раздвајање просечне дужине разгранате полимерне четке на STEM слици PCS-а (слика 3а) и њене криве силе дуж апсцисе на слици 3а. Слика 6а показује да је метода у стању да детектује врх и разгранати полимер који досежу сам врх површине. Контакт између структура четкица. Поред тога, блиско преклапање кривих силе указује на одсуство ефекта задржавања течности. У овом случају, апсолутно нема адхезије између игле и површине узорка. Најгорњи делови кривих силе за два узорка се преклапају, што одражава сличност механичких својстава материјала подлоге.
(а) Криве силе AFM наноиндентације за lehfilcon A CL подлоге и SiHy подлоге, (б) криве силе које приказују процену контактне тачке коришћењем методе прага позадинске буке.
Да би се проучили финији детаљи криве силе, крива затезања узорка lehfilcon A CL је поново приказана на слици 6б са максималном силом од 50 pN дуж y-осе. Овај графикон пружа важне информације о оригиналној позадинској буци. Шум је у опсегу од ±10 pN, што се користи за прецизно одређивање тачке контакта и израчунавање дубине удубљења. Као што је објављено у литератури, идентификација контактних тачака је кључна за прецизну процену својстава материјала као што је модул85. Приступ који укључује аутоматску обраду података криве силе показао је побољшано подударање између подешавања података и квантитативних мерења за меке материјале86. У овом раду, наш избор тачака контакта је релативно једноставан и објективан, али има своја ограничења. Наш конзервативни приступ одређивању тачке контакта може резултирати благо прецењеним вредностима модула за мање дубине удубљења (< 100 nm). Употреба детекције тачака контакта засноване на алгоритму и аутоматизоване обраде података могла би бити наставак овог рада у будућности како би се даље побољшала наша метода. Дакле, за сопствену позадинску буку реда величине ±10 pN, дефинишемо тачку контакта као прву тачку података на x-оси на слици 6б са вредношћу ≥10 pN. Затим, у складу са прагом шума од 10 pN, вертикална линија на нивоу од ~0,27 µm означава тачку контакта са површином, након чега се крива истезања наставља док подлога не достигне дубину удубљења од ~270 nm. Занимљиво је да, на основу величине карактеристика разгранате полимерне четкице (300–400 nm) мерених методом снимања, дубина удубљења узорка CL lehfilcon A посматрана методом прага позадинске буке је око 270 nm, што је веома близу величини мерења са STEM-ом. Ови резултати додатно потврђују компатибилност и применљивост облика и величине врха AFM сонде за удубљивање ове веома меке и високо еластичне структуре разгранате полимерне четкице. Ови подаци такође пружају снажне доказе који подржавају наш метод коришћења позадинске буке као прага за прецизно одређивање контактних тачака. Стога, сви квантитативни резултати добијени математичким моделирањем и уклапањем криве силе требало би да буду релативно тачни.
Квантитативна мерења методама АФМ наноиндентације потпуно зависе од математичких модела који се користе за селекцију података и накнадну анализу. Стога је важно узети у обзир све факторе везане за избор увлакача, својства материјала и механику њихове интеракције пре избора одређеног модела. У овом случају, геометрија врха је пажљиво окарактерисана коришћењем СЕМ микрографија (Сл. 1), и на основу резултата, АФМ наноиндентациона сонда пречника 140 нм са тврдим конусом и сферном геометријом врха је добар избор за карактеризацију узорака lehfilcon A CL79. Још један важан фактор који треба пажљиво проценити је еластичност полимерног материјала који се тестира. Иако почетни подаци наноиндентације (Сл. 5а и 6а) јасно указују на карактеристике преклапања кривих затезања и компресије, тј. потпуни еластични опоравак материјала, изузетно је важно потврдити чисто еластичну природу контаката. У том циљу, извршена су два узастопна удубљења на истој локацији на површини узорка lehfilcon A CL брзином удубљења од 1 µm/s под условима пуне хидратације. Добијени подаци криве силе приказани су на слици 7 и, као што се и очекивало, криве ширења и компресије два отиска су готово идентичне, што истиче високу еластичност структуре разгранате полимерне четке.
Две криве силе увлачења на истој локацији на површини lehfilcon A CL указују на идеалну еластичност површине сочива.
На основу информација добијених из SEM и STEM слика врха сонде и површине lehfilcon A CL, респективно, модел конуса и сфере је разуман математички приказ интеракције између врха AFM сонде и меког полимерног материјала који се тестира. Поред тога, за овај модел конуса и сфере, основне претпоставке о еластичним својствима отиснутог материјала важе за овај нови биомиметички материјал и користе се за квантификацију модула еластичности.
Након свеобухватне евалуације АФМ методе наноиндентације и њених компоненти, укључујући својства сонде за увлачење (облик, величина и крутост опруге), осетљивост (позадински шум и процена контактне тачке) и моделе уклапања података (мерења квантитативног модула), коришћена је ова метода. карактеризовати комерцијално доступне ултра-меке узорке ради верификације квантитативних резултата. Комерцијални полиакриламидни (ПААМ) хидрогел са модулом еластичности од 1 kPa тестиран је под хидратисаним условима коришћењем сонде од 140 nm. Детаљи тестирања модула и прорачуна дати су у Додатним информацијама. Резултати су показали да је просечан измерени модул био 0,92 kPa, а %RSD и процентуално (%) одступање од познатог модула били су мањи од 10%. Ови резултати потврђују тачност и поновљивост АФМ методе наноиндентације која се користи у овом раду за мерење модула ултра-меких материјала. Површине узорака lehfilcon A CL и SiHy базне подлоге су даље окарактерисане коришћењем исте AFM методе наноиндентације како би се проучио привидни контактни модул ултрамеке површине као функција дубине увлачења. Криве раздвајања силе увлачења су генерисане за три узорка сваког типа (n = 3; једно увлачење по узорку) при сили од 300 pN, брзини од 1 µm/s и пуној хидратацији. Крива расподеле силе увлачења је апроксимирана коришћењем конус-сферног модела. Да би се добио модул који зависи од дубине увлачења, део криве силе ширине 40 nm је постављен на сваки корак од 20 nm почевши од тачке контакта, и измерене су вредности модула на сваком кораку криве силе. Spin Cy et al. Сличан приступ је коришћен за карактеризацију градијента модула четкица од полимера поли(лаурил метакрилата) (P12MA) коришћењем колоидне AFM сонде наноиндентације, и они су у складу са подацима коришћењем Hertz-овог контактног модела. Овај приступ пружа графикон привидног контактног модула (kPa) у односу на дубину удубљења (nm), као што је приказано на слици 8, ​​која илуструје градијент привидног контактног модула/дубине. Израчунати модул еластичности узорка CL lehfilcon A је у опсегу од 2–3 kPa унутар горњих 100 nm узорка, након чега почиње да се повећава са дубином. С друге стране, приликом тестирања SiHy базне подлоге без филма налик четкици на површини, максимална дубина удубљења постигнута при сили од 300 pN је мања од 50 nm, а вредност модула добијена из података је око 400 kPa, што је упоредиво са вредностима Јанговог модула за расуте материјале.
Привидни контактни модул (kPa) у односу на дубину удубљења (nm) за lehfilcon A CL и SiHy подлоге коришћењем AFM методе наноиндентације са геометријом конуса и сфере за мерење модула.
Најгорња површина нове биомиметичке структуре разгранате полимерне четке показује изузетно низак модул еластичности (2–3 kPa). Ово ће се поклапати са слободно висећим крајем виљушкасте полимерне четке као што је приказано на STEM слици. Иако постоје неки докази о градијенту модула на спољашњој ивици CL, главна подлога са високим модулом је утицајнија. Међутим, горњих 100 nm површине је унутар 20% укупне дужине разгранате полимерне четке, па је разумно претпоставити да су измерене вредности модула у овом опсегу дубине удубљења релативно тачне и да не зависе у великој мери од ефекта доњег објекта.
Због јединственог биомиметичког дизајна контактних сочива lehfilcon A, који се састоје од разгранатих PMPC полимерних четкичастих структура калемљених на површину SiHy подлога, веома је тешко поуздано окарактерисати механичка својства њихових површинских структура коришћењем традиционалних метода мерења. Овде представљамо напредну AFM методу наноиндентације за прецизну карактеризацију ултра-меких материјала као што је lefilcon A са високим садржајем воде и изузетно високом еластичношћу. Ова метода се заснива на употреби AFM сонде чија су величина и геометрија врха пажљиво одабране како би се подударали са структурним димензијама ултра-меких површинских карактеристика које треба утиснути. Ова комбинација димензија између сонде и структуре пружа повећану осетљивост, омогућавајући нам да измеримо низак модул и инхерентна еластична својства елемената разгранатих полимерних четкица, без обзира на пороеластичне ефекте. Резултати су показали да јединствене разгранате PMPC полимерне четкице карактеристичне за површину сочива имају изузетно низак модул еластичности (до 2 kPa) и веома високу еластичност (скоро 100%) када се тестирају у воденом окружењу. Резултати AFM наноиндентације су нам такође омогућили да окарактеришемо привидни градијент контактног модула/дубине (30 kPa/200 nm) површине биомиметичког сочива. Овај градијент може бити последица разлике у модулу између разгранатих полимерних четкица и SiHy подлоге, или разгранате структуре/густине полимерних четкица, или њихове комбинације. Међутим, потребна су даља детаљнија истраживања како би се у потпуности разумео однос између структуре и својстава, посебно утицај гранања четкица на механичка својства. Слична мерења могу помоћи у карактеризацији механичких својстава површине других ултра-меких материјала и медицинских уређаја.
Скупови података генерисани и/или анализирани током текуће студије доступни су од одговарајућих аутора на разуман захтев.
Рахмати, М., Силва, ЕА, Резеланд, ЈЕ, Хејвард, К. и Хауген, ХЈ Биолошке реакције на физичка и хемијска својства површина биоматеријала. Chemical society. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Чен, ФМ и Лиу, X. Унапређење биоматеријала људског порекла за ткивно инжењерство. програмирање. полимер. наука. 53, 86 (2016).
Садтлер, К. и др. Дизајн, клиничка примена и имуни одговор биоматеријала у регенеративној медицини. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Оливер ВК и Фар ГМ Побољшана метода за одређивање тврдоће и модула еластичности коришћењем експеримената увлачења са мерењима оптерећења и померања. J. Alma mater. storage tank. 7, 1564–1583 (2011).
Воли, СМ Историјско порекло испитивања тврдоће удубљењем. Алма матер. Наука. Технологије. 28, 1028–1044 (2012).
Бројтман, Е. Мерења тврдоће удубљењем на макро-, микро- и наноскали: Критички преглед. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Кауфман, Ј. Д. и Клаперих, С. М. Грешке у детекцији површине доводе до прецењивања модула еластичности код наноиндентације меких материјала. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колор ССР, Ајатолаки МР, Бушроа АР и Јахја М.Ју. Евалуација методе наноиндентације за одређивање механичких карактеристика хетерогених нанокомпозита коришћењем експерименталних и рачунарских метода. the science. House 9, 15763 (2019).
Лиу, К., ВанЛендингхам, МР и Оварт, ТС Механичка карактеризација меких вискоеластичних гелова увлачењем и оптимизацијом заснованом инверзном анализом коначних елемената. J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Ендруз Џ. В., Боуен Џ. и Шанелер Д. Оптимизација одређивања вискоеластичности коришћењем компатибилних мерних система. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Бриско, Б.Ј., Фиори, Л. и Пелило, Е. Наноиндентација полимерних површина. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Мијаилович АС, Цин Б., Фортунато Д. и Ван Влит КЈ Карактеризација вискоеластичних механичких својстава високо еластичних полимера и биолошких ткива коришћењем ударног увлачења. Часопис за биоматеријале. 71, 388–397 (2018).
Перепелкин НВ, Коваљов АЕ, Горб СН, Бородич ФМ Процена модула еластичности и адхезионог рада меких материјала коришћењем проширене Бородич-Галановљеве (БГ) методе и дубоког увлачења. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Ши, X. и др. Наноразмерна морфологија и механичка својства биомиметичких полимерних површина силиконских хидрогелних контактних сочива. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).