Hatur nuhun parantos nganjang ka Nature.com. Anjeun nganggo vérsi browser anu dukungan CSSna terbatas. Pikeun pangalaman anu pangsaéna, kami nyarankeun anjeun nganggo browser anu diénggalan (atanapi mareuman Modeu Kompatibilitas dina Internet Explorer). Salian ti éta, pikeun mastikeun dukungan anu terus-terusan, kami nunjukkeun situs ieu tanpa gaya sareng JavaScript.
Nampilkeun korsel tilu slide sakaligus. Anggo tombol Sateuacanna sareng Salajengna pikeun ngaléngkah dina tilu slide sakaligus, atanapi anggo tombol slider di tungtungna pikeun ngaléngkah dina tilu slide sakaligus.
Kalayan kamekaran bahan ultra-lemes anyar pikeun alat médis sareng aplikasi biomédis, karakterisasi komprehensif sipat fisik sareng mékanisna penting sareng nangtang. Téhnik nanoindentasi mikroskop gaya atom anu dimodifikasi (AFM) diterapkeun pikeun ngacirikeun modulus permukaan anu handap pisan tina lénsa kontak hidrogel silikon biomimetik lehfilcon A anyar anu dilapis ku lapisan struktur sikat polimér cabang. Métode ieu ngamungkinkeun nangtukeun titik kontak anu tepat tanpa épék ékstrusi kentel nalika ngadeukeutan polimér cabang. Salaku tambahan, éta ngamungkinkeun pikeun nangtukeun karakteristik mékanis tina unsur sikat individu tanpa pangaruh poroélastisitas. Ieu kahontal ku milih probe AFM kalayan desain (ukuran ujung, géométri sareng laju pegas) anu cocog pisan pikeun ngukur sipat bahan lemes sareng sampel biologis. Métode ieu ningkatkeun sensitivitas sareng akurasi pikeun pangukuran anu akurat tina bahan anu lemes pisan lehfilcon A, anu gaduh modulus élastisitas anu handap pisan dina daérah permukaan (dugi ka 2 kPa) sareng élastisitas anu luhur pisan dina lingkungan cai internal (ampir 100%). Hasil tina panilitian permukaan henteu ngan ukur ngungkabkeun sipat permukaan ultra-lemes tina lénsa lehfilcon A, tapi ogé nunjukkeun yén modulus sikat polimér anu bercabang sami sareng substrat silikon-hidrogén. Téhnik karakterisasi permukaan ieu tiasa diterapkeun kana bahan ultra-lemes sareng alat médis anu sanés.
Sipat mékanis bahan anu dirancang pikeun kontak langsung sareng jaringan hirup sering ditangtukeun ku lingkungan biologis. Cocogna sipat bahan ieu ngabantosan pikeun ngahontal karakteristik klinis anu dipikahoyong tina bahan tanpa nyababkeun réspon sélular anu ngarugikeun1,2,3. Pikeun bahan homogen massal, karakterisasi sipat mékanis relatif gampang kusabab ayana prosedur standar sareng metode uji (contona, mikroindéntasi4,5,6). Nanging, pikeun bahan ultra-lemes sapertos gél, hidrogel, biopolimer, sél hirup, jsb., metode uji ieu umumna henteu tiasa dianggo kusabab watesan résolusi pangukuran sareng inhomogenitas sababaraha bahan7. Salila sababaraha taun, metode indéntasi tradisional parantos dirobih sareng diadaptasi pikeun ngacirikeun rupa-rupa bahan lemes, tapi seueur metode masih kakurangan anu serius anu ngawatesan panggunaanana8,9,10,11,12,13. Kurangna metode uji khusus anu tiasa sacara akurat sareng dipercaya ngacirikeun sipat mékanis bahan super lemes sareng lapisan permukaan sacara parah ngawatesan panggunaanana dina rupa-rupa aplikasi.
Dina karya kami sateuacanna, kami ngenalkeun lénsa kontak lehfilcon A (CL), bahan heterogen anu lemes kalayan sadaya sipat permukaan ultra-lemes anu diturunkeun tina desain biomimetik anu poténsial diideuan ku permukaan kornea panon. Biomaterial ieu dikembangkeun ku cara nyangkokkeun lapisan polimér anu bercabang, saling terkait tina poli(2-metakriloyloksietilfosforilkolin (MPC)) (PMPC) kana hidrogel silikon (SiHy) 15 anu dirancang pikeun alat médis dumasar kana. Prosés nyangkokkeun ieu nyiptakeun lapisan dina permukaan anu diwangun ku struktur sikat polimér bercabang anu lemes pisan sareng elastis pisan. Karya kami sateuacanna parantos mastikeun yén struktur biomimetik lehfilcon A CL nyayogikeun sipat permukaan anu unggul sapertos ningkatkeun pencegahan baseuh sareng pangotoran, ningkatkeun pelumasan, sareng ngirangan adhesi sél sareng baktéri15,16. Salaku tambahan, panggunaan sareng pamekaran bahan biomimetik ieu ogé nunjukkeun ékspansi salajengna kana alat biomédis anu sanés. Ku kituna, penting pisan pikeun ngacirikeun sipat permukaan bahan ultra-lemes ieu sareng ngartos interaksi mékanisna sareng panon supados nyiptakeun basis pangaweruh anu komprehensif pikeun ngadukung pamekaran sareng aplikasi ka hareup. Kaseueuran lensa kontak SiHy anu sayogi sacara komersil diwangun ku campuran homogen polimér hidrofilik sareng hidrofobik anu ngabentuk struktur bahan anu seragam17. Sababaraha panilitian parantos dilakukeun pikeun nalungtik sipat mékanisna nganggo metode uji komprési, tarik sareng mikroindéntasi tradisional18,19,20,21. Nanging, desain biomimetik anyar lehfilcon A CL ngajantenkeun éta bahan hétérogén anu unik dimana sipat mékanis struktur sikat polimér cabang béda sacara signifikan ti substrat dasar SiHy. Ku alatan éta, hésé pisan pikeun ngitung sacara akurat sipat-sipat ieu nganggo metode konvensional sareng indéntasi. Métode anu ngajangjikeun nganggo metode uji nanoindéntasi anu diimplementasikeun dina mikroskop gaya atom (AFM), metode anu parantos dianggo pikeun nangtukeun sipat mékanis bahan viskoelastis lemes sapertos sél sareng jaringan biologis, ogé polimér lemes22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. Dina nanoindentation AFM, dasar-dasar uji nanoindentation digabungkeun sareng kamajuan panganyarna dina téknologi AFM pikeun nyayogikeun sensitivitas pangukuran anu ningkat sareng uji coba rupa-rupa bahan anu lemes pisan31,32,33,34,35,36. Salian ti éta, téknologi ieu nawiskeun kaunggulan penting anu sanés ngalangkungan panggunaan géométri anu béda. indentor sareng probe sareng kamungkinan uji coba dina rupa-rupa média cair.
Nanoindentation AFM sacara kondisional tiasa dibagi kana tilu komponén utama: (1) alat (sensor, detektor, probe, jsb.); (2) parameter pangukuran (sapertos gaya, pamindahan, kecepatan, ukuran ramp, jsb.); (3) Pamrosésan data (koreksi garis dasar, estimasi titik toél, pas data, modél, jsb.). Masalah anu signifikan sareng metode ieu nyaéta sababaraha panilitian dina literatur anu nganggo nanoindentation AFM ngalaporkeun hasil kuantitatif anu béda pisan pikeun jinis sampel/sél/bahan anu sami37,38,39,40,41. Salaku conto, Lekka et al. Pangaruh géométri probe AFM kana modulus Young anu diukur tina sampel hidrogel homogen mékanis sareng sél hétérogén parantos di diajar sareng dibandingkeun. Aranjeunna ngalaporkeun yén nilai modulus gumantung pisan kana pilihan kantilever sareng bentuk ujung, kalayan nilai pangluhurna pikeun probe bentuk piramida sareng nilai panghandapna 42 pikeun probe buleud. Nya kitu, Selhuber-Unkel et al. Geus ditémbongkeun kumaha laju indenter, ukuran indenter, jeung ketebalan sampel poliakrilamida (PAAM) mangaruhan modulus Young anu diukur ku nanoindentation ACM43. Faktor séjén anu ngarumitkeun nyaéta kurangna bahan uji modulus standar anu handap pisan jeung prosedur uji bébas. Ieu ngajadikeun hésé pisan pikeun meunangkeun hasil anu akurat kalawan percaya diri. Nanging, metode ieu mangpaat pisan pikeun pangukuran relatif jeung évaluasi komparatif antara jinis sampel anu sarupa, contona ngagunakeun nanoindentation AFM pikeun ngabédakeun sél normal tina sél kanker 44, 45.
Nalika nguji bahan lemes nganggo nanoindentation AFM, aturan umum nyaéta nganggo probe kalayan konstanta pegas anu handap (k) anu cocog pisan sareng modulus sampel sareng ujung hemispherical/bunder supados probe munggaran henteu nembus permukaan sampel dina kontak munggaran sareng bahan lemes. Penting ogé yén sinyal defleksi anu dihasilkeun ku probe cekap kuat pikeun dideteksi ku sistem detektor laser24,34,46,47. Dina kasus sél, jaringan, sareng gél hétérogén ultra-lemes, tantangan anu sanés nyaéta pikeun ngungkulan gaya perekat antara probe sareng permukaan sampel pikeun mastikeun pangukuran anu tiasa diulang sareng dipercaya48,49,50. Nepi ka ayeuna, kaseueuran padamelan dina nanoindentation AFM parantos fokus kana panilitian paripolah mékanis sél biologis, jaringan, gél, hidrogel, sareng biomolekul nganggo probe buleud anu relatif ageung, anu umumna disebut probe koloid (CP). , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ujung-ujung ieu mibanda radius 1 nepi ka 50 µm sarta umumna dijieun tina kaca borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirena (PS), silikon dioksida (SiO2) jeung karbon kawas inten (DLC). Sanajan nanoindéntasi CP-AFM mindeng jadi pilihan kahiji pikeun karakterisasi sampel lemes, éta miboga masalah jeung watesan sorangan. Pamakéan ujung buleud anu gedé, ukuran mikron, ningkatkeun total luas kontak ujung jeung sampel sarta ngabalukarkeun leungitna résolusi spasial anu signifikan. Pikeun spésimén lemes jeung teu homogen, dimana sipat mékanis unsur lokal bisa béda sacara signifikan ti rata-rata di daérah anu leuwih lega, indéntasi CP bisa nyumputkeun inhomogenitas dina sipat dina skala lokal52. Probe koloid biasana dijieun ku cara ngalampirkeun bola koloid ukuran mikron kana cantilever tanpa ujung maké perekat époksi. Prosés manufaktur sorangan pinuh ku seueur masalah sareng tiasa nyababkeun inkonsistensi dina prosés kalibrasi probe. Salian ti éta, ukuran sareng massa partikel koloid sacara langsung mangaruhan parameter kalibrasi utama kantilever, sapertos frékuénsi résonansi, kaku pegas, sareng sensitivitas defleksi56,57,58. Ku kituna, metode anu umum dianggo pikeun probe AFM konvensional, sapertos kalibrasi suhu, panginten henteu nyayogikeun kalibrasi anu akurat pikeun CP, sareng metode sanés panginten diperyogikeun pikeun ngalaksanakeun koréksi ieu57, 59, 60, 61. Ékspérimén indéntasi CP has nganggo kantilever simpangan ageung pikeun nalungtik sipat sampel lemes, anu nyiptakeun masalah sanés nalika ngalibrasi paripolah non-linier kantilever dina simpangan anu relatif ageung62,63,64. Métode indéntasi probe koloid modéren biasana merhatikeun géométri kantilever anu dianggo pikeun ngalibrasi probe, tapi teu malire pangaruh partikel koloid, anu nyiptakeun kateupastian tambahan dina akurasi metode38,61. Sarua kitu, moduli élastis anu diitung ku cara nyocogkeun modél kontak sacara langsung gumantung kana géométri probe indéntasi, sareng ketidakcocokan antara karakteristik permukaan ujung sareng sampel tiasa nyababkeun ketidakakuratan27, 65, 66, 67, 68. Sababaraha karya anyar ku Spencer et al. Faktor-faktor anu kedah diperhatoskeun nalika ngacirikeun sikat polimér lemes nganggo metode nanoindéntasi CP-AFM disorot. Aranjeunna ngalaporkeun yén ingetan cairan kentel dina sikat polimér salaku fungsi kecepatan nyababkeun paningkatan beban sirah sareng ku kituna pangukuran anu béda tina sipat anu gumantung kana kecepatan30,69,70,71.
Dina ieu panilitian, urang parantos ngacirikeun modulus permukaan bahan ultra-lemes anu elastis pisan lehfilcon A CL nganggo metode nanoindentation AFM anu dimodifikasi. Kusabab sipat sareng struktur énggal bahan ieu, rentang sensitivitas metode indentasi tradisional jelas teu cekap pikeun ngacirikeun modulus bahan anu lemes pisan ieu, janten perlu nganggo metode nanoindentation AFM kalayan tingkat sensitivitas anu langkung luhur sareng tingkat sensitivitas anu langkung handap. Saatos marios kakurangan sareng masalah téknik nanoindentation probe koloid AFM anu tos aya, urang nunjukkeun kunaon urang milih probe AFM anu langkung alit sareng dirancang khusus pikeun ngaleungitkeun sensitivitas, noise latar, nangtukeun titik kontak, ngukur modulus kecepatan bahan heterogen lemes sapertos gumantung kana ingetan cairan, sareng kuantifikasi anu akurat. Salaku tambahan, urang tiasa ngukur bentuk sareng diménsi ujung indentasi sacara akurat, anu ngamungkinkeun urang nganggo modél pas cone-sphere pikeun nangtukeun modulus élastisitas tanpa meunteun daérah kontak ujung sareng bahan. Dua asumsi implisit anu diukur dina ieu karya nyaéta sipat bahan anu elastis pinuh sareng modulus anu henteu gumantung kana jerona indentasi. Ngagunakeun metode ieu, mimitina urang nguji standar ultra-lemes kalayan modulus anu dipikanyaho pikeun ngitung metode ieu, teras nganggo metode ieu pikeun ngacirikeun permukaan dua bahan lensa kontak anu béda. Metode pikeun ngacirikeun permukaan nanoindentasi AFM kalayan sensitivitas anu ningkat ieu diperkirakeun tiasa diterapkeun kana rupa-rupa bahan ultralemes biomimetik heterogen kalayan poténsi panggunaan dina alat médis sareng aplikasi biomédis.
Lénsa kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, AS) sareng substrat hidrogel silikonna dipilih pikeun ékspérimén nanoindéntasi. Dudukan lénsa anu dirancang khusus dianggo dina ékspérimén ieu. Pikeun masang lénsa pikeun diuji, éta disimpen sacara saksama dina dudukan anu bentukna kubah, mastikeun yén teu aya gelembung hawa anu asup ka jero, teras dipasangkeun ku ujung-ujungna. Liang dina fixture di luhur wadah lénsa nyayogikeun aksés ka puseur optik lénsa pikeun ékspérimén nanoindéntasi bari nahan cairan dina tempatna. Ieu ngajaga lénsa tetep terhidrasi. 500 μl larutan kemasan lénsa kontak dianggo salaku larutan tés. Pikeun mastikeun hasil kuantitatif, hidrogel poliakrilamida non-diaktipkeun (PAAM) anu sayogi sacara komersil disiapkeun tina komposisi poliakrilamida-ko-métilén-bisakrilamida (100 mm piring Petrisoft Petri, Matrigen, Irvine, CA, AS), modulus élastis anu dipikanyaho nyaéta 1 kPa. Anggo 4-5 tetes (kira-kira 125 µl) larutan saline buffer fosfat (PBS ti Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, AS) sareng 1 tetes larutan lensa kontak OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, AS). ) dina antarmuka hidrogel-probe AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL sareng SiHy divisualisasikeun nganggo sistem Mikroskop Éléktron Scanning Émisi Lapangan FEI Quanta 250 (FEG SEM) anu dilengkepan ku detektor Mikroskop Éléktron Scanning Transmission (STEM). Pikeun nyiapkeun sampel, lénsa mimitina dikumbah ku cai teras dipotong-potong bentukna pai. Pikeun ngahontal kontras diferensial antara komponén hidrofilik sareng hidrofobik tina sampel, larutan RuO4 anu distabilisasi 0,10% dianggo salaku pewarna, dimana sampel dicelupkeun salami 30 menit. Pewarnaan lehfilcon A CL RuO4 penting henteu ngan ukur pikeun ngahontal kontras diferensial anu langkung saé, tapi ogé ngabantosan pikeun ngajaga struktur sikat polimér cabang dina bentuk aslina, anu teras katingali dina gambar STEM. Teras dikumbah sareng didehidrasi dina sarangkaian campuran étanol/cai kalayan konsentrasi étanol anu ningkat. Sampel teras dicor nganggo époksi EMBed 812/Araldite, anu dikeringkeun sapeuting dina suhu 70°C. Blok sampel anu diala ku polimérisasi résin dipotong nganggo ultramikrotome, sareng bagian ipis anu dihasilkeun divisualisasikeun nganggo detektor STEM dina modeu vakum rendah dina tegangan akselerasi 30 kV. Sistem SEM anu sami dianggo pikeun karakterisasi lengkep probe PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA). Gambar SEM tina probe AFM diala dina modeu vakum tinggi has kalayan tegangan akselerasi 30 kV. Candak gambar dina sudut sareng pembesaran anu béda pikeun ngarékam sadaya detil bentuk sareng ukuran ujung probe AFM. Sadaya diménsi ujung anu dipikaresep dina gambar diukur sacara digital.
Mikroskop gaya atom Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) kalayan modeu "PeakForce QNM in Fluid" dianggo pikeun ngavisualisasikeun sareng nanoindentate sampel lehfilcon A CL, substrat SiHy, sareng hidrogel PAAm. Pikeun ékspérimén pencitraan, probe PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) kalayan radius ujung nominal 1 nm dianggo pikeun néwak gambar résolusi luhur tina sampel dina laju scan 0,50 Hz. Sadaya gambar dicandak dina leyuran cai.
Ékspérimén nanoindéntasi AFM dilaksanakeun nganggo probe PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Probe AFM ngagaduhan ujung silikon dina kantilever nitrida kandelna 345 nm, panjangna 54 µm sareng lébarna 4,5 µm kalayan frékuénsi résonansi 45 kHz. Éta dirancang khusus pikeun ngacirikeun sareng ngalakukeun pangukuran nanomekanik kuantitatif dina sampel biologis lemes. Sénsor dikalibrasi sacara individual di pabrik kalayan setélan pegas anu tos dikalibrasi. Konstanta pegas probe anu dianggo dina panilitian ieu aya dina kisaran 0,05–0,1 N/m. Pikeun nangtukeun bentuk sareng ukuran ujung sacara akurat, probe dicirikeun sacara rinci nganggo SEM. Dina gambar. Gambar 1a nunjukkeun mikrograf éléktron scanning résolusi tinggi, pembesaran rendah tina probe PFQNM-LC-A-CAL, anu nyayogikeun pandangan holistik ngeunaan desain probe. Dina gambar. 1b nunjukkeun pandangan anu digedekeun tina luhur ujung probe, anu nyayogikeun inpormasi ngeunaan bentuk sareng ukuran ujungna. Di tungtung pangjauhna, jarumna mangrupa belahan bumi anu diaméterna kira-kira 140 nm (Gambar 1c). Di handap ieu, tungtungana ngaruncing jadi bentuk kerucut, ngahontal panjang anu diukur kira-kira 500 nm. Di luar daérah anu ngaruncing, tungtungana silinder sareng réngsé dina panjang total tungtung 1,18 µm. Ieu mangrupikeun bagian fungsional utama tina tungtung probe. Salian ti éta, probe polistirena (PS) buleud ageung (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, AS) kalayan diaméter tungtung 45 µm sareng konstanta pegas 2 N/m ogé dianggo pikeun uji coba salaku probe koloid. Kalayan probe PFQNM-LC-A-CAL 140 nm pikeun babandingan.
Geus dilaporkeun yén cairan bisa kajebak antara probe AFM jeung struktur sikat polimér salila nanoindentation, anu bakal ngaluarkeun gaya ka luhur dina probe AFM sateuacan sabenerna némpél beungeut69. Éfék ékstrusi kentel ieu alatan ingetan cairan bisa ngarobah titik kontak anu katingali, sahingga mangaruhan pangukuran modulus beungeut. Pikeun nalungtik pangaruh géométri probe jeung kecepatan indentasi kana ingetan cairan, kurva gaya indentasi diplot pikeun sampel lehfilcon A CL maké probe diaméter 140 nm dina laju pamindahan konstan 1 µm/s jeung 2 µm/s. diaméter probe 45 µm, setélan gaya tetep 6 nN kahontal dina 1 µm/s. Ékspérimén kalawan probe diaméter 140 nm dilaksanakeun dina kecepatan indentasi 1 µm/s jeung gaya anu disetel 300 pN, dipilih pikeun nyiptakeun tekanan kontak dina rentang fisiologis (1–8 kPa) tina kongkolak panon luhur. tekanan 72. Sampel hidrogel PAA anu lemes sareng siap pakai kalayan tekanan 1 kPa diuji pikeun gaya lekukan 50 pN dina kecepatan 1 μm/s nganggo probe kalayan diaméter 140 nm.
Kusabab panjang bagian kerucut tina ujung probe PFQNM-LC-A-CAL sakitar 500 nm, pikeun jerona indentasi < 500 nm, tiasa diasumsikeun sacara aman yén géométri probe salami indentasi bakal tetep satia kana bentuk kerucutna. Salaku tambahan, diasumsikeun yén permukaan bahan anu diuji bakal nunjukkeun réspon élastis anu tiasa dibalikkeun, anu ogé bakal dikonfirmasi dina bagian-bagian ieu. Ku alatan éta, gumantung kana bentuk sareng ukuran ujungna, urang milih modél pas kerucut-bola anu dikembangkeun ku Briscoe, Sebastian sareng Adams, anu sayogi dina parangkat lunak vendor, pikeun ngolah ékspérimén nanoindentasi AFM urang (NanoScope). Parangkat lunak analisis data pamisahan, Bruker) 73. Modél ngajelaskeun hubungan gaya-perpindahan F(δ) pikeun kerucut kalayan cacad puncak bola. Dina gambar. Gambar 2 nunjukkeun géométri kontak nalika interaksi kerucut kaku sareng ujung buleud, dimana R nyaéta radius ujung buleud, a nyaéta radius kontak, b nyaéta radius kontak di tungtung ujung buleud, δ nyaéta radius kontak. jerona lekukan, θ nyaéta satengah sudut kerucut. Gambar SEM tina probe ieu sacara jelas nunjukkeun yén ujung buleud diaméter 140 nm ngahiji sacara tangensial kana kerucut, janten di dieu b dihartikeun ngan ukur ngaliwatan R, nyaéta b = R cos θ. Parangkat lunak anu disayogikeun ku vendor nyayogikeun hubungan kerucut-bola pikeun ngitung nilai modulus Young (E) tina data pamisahan gaya anu nganggap a > b. Hubungan:
dimana F nyaéta gaya lekukan, E nyaéta modulus Young, ν nyaéta babandingan Poisson. Radius kontak a tiasa dikira-kira nganggo:
Skéma géométri kontak tina kerucut kaku kalayan ujung buleud anu dipencet kana bahan lénsa kontak Lefilcon kalayan lapisan permukaan sikat polimér cabang.
Upami a ≤ b, hubunganana ngirangan kana persamaan pikeun indentor sferis konvensional;
Kami yakin yén interaksi probe indentasi sareng struktur cabang tina sikat polimér PMPC bakal nyababkeun radius kontak a langkung ageung tibatan radius kontak buleud b. Ku alatan éta, pikeun sadaya pangukuran kuantitatif modulus élastis anu dilakukeun dina panilitian ieu, kami nganggo gumantungna anu diala pikeun kasus a > b.
Bahan biomimetik ultra lemes anu ditalungtik dina panilitian ieu dicitra sacara komprehensif nganggo mikroskop éléktron transmisi scanning (STEM) tina potongan melintang sampel sareng mikroskop gaya atom (AFM) tina permukaan. Karakterisasi permukaan anu lengkep ieu dilakukeun salaku perpanjangan tina karya anu parantos diterbitkeun sateuacanna, dimana kami nangtukeun yén struktur sikat polimér anu bercabang sacara dinamis tina permukaan lehfilcon A CL anu dimodifikasi PMPC nunjukkeun sipat mékanis anu sami sareng jaringan kornea asli 14. Kusabab kitu, kami nyebat permukaan lénsa kontak salaku bahan biomimetik 14. Dina gambar 3a, b nunjukkeun potongan melintang struktur sikat polimér PMPC bercabang dina permukaan substrat lehfilcon A CL sareng substrat SiHy anu henteu dirawat. Permukaan duanana sampel dianalisis salajengna nganggo gambar AFM résolusi tinggi, anu salajengna mastikeun hasil analisis STEM (Gambar 3c, d). Sacara gembleng, gambar-gambar ieu masihan perkiraan panjang struktur sikat polimér bercabang PMPC dina 300–400 nm, anu penting pikeun napsirkeun pangukuran nanoindéntasi AFM. Observasi konci séjén anu dicandak tina gambar nyaéta yén struktur permukaan sakabéh bahan biomimetik CL béda sacara morfologis sareng bahan substrat SiHy. Béda dina morfologi permukaanna ieu tiasa katingali nalika interaksi mékanisna sareng probe AFM anu ngalengkung sareng salajengna dina nilai modulus anu diukur.
Gambar STEM potongan melintang tina (a) lehfilcon A CL sareng (b) substrat SiHy. Skala bar, 500 nm. Gambar AFM tina permukaan substrat lehfilcon A CL (c) sareng substrat SiHy dasar (d) (3 µm × 3 µm).
Polimer anu diideuan ku bio sareng struktur sikat polimér sacara inheren lemes sareng parantos seueur ditalungtik sareng dianggo dina rupa-rupa aplikasi biomédis74,75,76,77. Ku kituna, penting pikeun nganggo metode nanoindentation AFM, anu tiasa ngukur sipat mékanisna sacara akurat sareng dipercaya. Tapi dina waktos anu sami, sipat unik tina bahan ultra-lemes ieu, sapertos modulus élastis anu handap pisan, eusi cairan anu luhur sareng élastisitas anu luhur, sering ngajantenkeun hésé milih bahan, bentuk sareng bentuk probe indentasi anu pas. Ieu penting supados indentor henteu nembus permukaan lemes sampel, anu bakal nyababkeun kasalahan dina nangtukeun titik kontak sareng permukaan sareng daérah kontak.
Pikeun ieu, pamahaman anu lengkep ngeunaan morfologi bahan biomimetik ultra-lemes (lehfilcon A CL) penting pisan. Inpormasi ngeunaan ukuran sareng struktur sikat polimér cabang anu diala nganggo metode pencitraan nyayogikeun dasar pikeun karakterisasi mékanis permukaan nganggo téknik nanoindentasi AFM. Tinimbang probe koloid buleud ukuran mikron, kami milih probe silikon nitrida PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) kalayan diaméter ujung 140 nm, dirancang khusus pikeun pemetaan kuantitatif sipat mékanis sampel biologis 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 Alesan pikeun nganggo probe anu relatif seukeut dibandingkeun sareng probe koloid konvensional tiasa dijelaskeun ku fitur struktural bahan. Ngabandingkeun ukuran ujung probe (~140 nm) sareng sikat polimér cabang dina permukaan CL lehfilcon A, anu dipidangkeun dina Gambar 3a, tiasa disimpulkeun yén ujungna cukup ageung pikeun kontak langsung sareng struktur sikat ieu, anu ngirangan kasempetan ujung nembus ngaliwatan éta. Pikeun ngagambarkeun hal ieu, dina Gambar 4 aya gambar STEM tina lehfilcon A CL sareng ujung indentasi tina probe AFM (digambar dumasar skala).
Skéma anu némbongkeun gambar STEM lehfilcon A CL sareng probe lekukan ACM (digambar dumasar skala).
Salian ti éta, ukuran ujung 140 nm cukup leutik pikeun nyingkahan résiko tina épék ékstrusi lengket anu dilaporkeun sateuacanna pikeun sikat polimér anu dihasilkeun ku metode nanoindentation CP-AFM69,71. Kami nganggap yén kusabab bentuk kerucut-buleud khusus sareng ukuran ujung AFM anu relatif leutik (Gambar 1), sifat kurva gaya anu dihasilkeun ku nanoindentation lehfilcon A CL moal gumantung kana kecepatan indentation atanapi kecepatan loading/unloading. Ku alatan éta, éta henteu kapangaruhan ku épék poroelastis. Pikeun nguji hipotesis ieu, sampel lehfilcon A CL diindentasi dina gaya maksimum anu tetep nganggo probe PFQNM-LC-A-CAL, tapi dina dua kecepatan anu béda, sareng kurva gaya tarik sareng tarik anu dihasilkeun dianggo pikeun ngaplot gaya (nN) dina pamisahan (µm) anu dipidangkeun dina Gambar 5a. Jelas yén kurva gaya nalika ngamuat sareng ngabongkar tumpang tindih pisan, sareng teu aya bukti anu jelas yén geseran gaya dina jerona indentasi nol ningkat sareng kecepatan indentasi dina gambar, nunjukkeun yén unsur sikat individu dicirikeun tanpa pangaruh poroelastis. Sabalikna, pangaruh ingetan cairan (ékstrusi kentel sareng pangaruh poroelastisitas) katingali pikeun probe AFM diaméter 45 µm dina kecepatan indentasi anu sami sareng disorot ku histeresis antara kurva regangan sareng retract, sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 5b. Hasil ieu ngadukung hipotesis sareng nunjukkeun yén probe diaméter 140 nm mangrupikeun pilihan anu saé pikeun ngacirikeun permukaan lemes sapertos kitu.
Kurva gaya indentasi lehfilcon A CL ngagunakeun ACM; (a) ngagunakeun probe kalayan diaméter 140 nm dina dua laju pemuatan, nunjukkeun henteuna pangaruh poroelastis salami indentasi permukaan; (b) ngagunakeun probe kalayan diaméter 45 µm sareng 140 nm. s nunjukkeun pangaruh ékstrusi kentel sareng poroelastisitas pikeun probe ageung dibandingkeun sareng probe anu langkung alit.
Pikeun ngacirikeun permukaan anu ultra lemes, metode nanoindentation AFM kedah ngagaduhan probe anu pangsaéna pikeun nalungtik sipat-sipat bahan anu ditalungtik. Salian ti bentuk sareng ukuran ujung, sensitivitas sistem detektor AFM, sensitivitas kana defleksi ujung dina lingkungan uji, sareng kaku kantilever maénkeun peran penting dina nangtukeun akurasi sareng reliabilitas nanoindentation. pangukuran. Pikeun sistem AFM urang, wates deteksi Position Sensitive Detector (PSD) nyaéta sakitar 0,5 mV sareng dumasar kana laju pegas anu tos dikalibrasi sateuacanna sareng sensitivitas defleksi cairan anu diitung tina probe PFQNM-LC-A-CAL, anu saluyu sareng sensitivitas beban téoritis. kirang ti 0,1 pN. Ku alatan éta, metode ieu ngamungkinkeun pangukuran gaya indentasi minimum ≤ 0,1 pN tanpa komponén noise periferal. Nanging, ampir teu mungkin pikeun sistem AFM pikeun ngirangan noise periferal kana tingkat ieu kusabab faktor-faktor sapertos geteran mékanis sareng dinamika cairan. Faktor-faktor ieu ngawatesan sensitivitas sakabéh metode nanoindentation AFM sareng ogé ngahasilkeun sinyal noise latar sakitar ≤ 10 pN. Pikeun karakterisasi permukaan, sampel substrat lehfilcon A CL sareng SiHy diindentasi dina kaayaan terhidrasi pinuh nganggo probe 140 nm pikeun karakterisasi SEM, sareng kurva gaya anu dihasilkeun ditumpangkeun antara gaya (pN) sareng tekanan. Plot pamisahan (µm) dipidangkeun dina Gambar 6a. Dibandingkeun sareng substrat dasar SiHy, kurva gaya lehfilcon A CL sacara jelas nunjukkeun fase transisi anu dimimitian dina titik kontak sareng sikat polimér bercabang sareng réngsé ku parobahan seukeut dina kontak tanda lamping ujung sareng bahan anu aya di handapeunna. Bagian transisi tina kurva gaya ieu nyorot paripolah élastis anu leres tina sikat polimér bercabang dina permukaan, sakumaha dibuktikeun ku kurva komprési anu nuturkeun kurva tegangan sareng kontras dina sipat mékanis antara struktur sikat sareng bahan SiHy anu ageung. Nalika ngabandingkeun lefilcon. Pamisahan panjang rata-rata sikat polimér cabang dina gambar STEM PCS (Gambar 3a) sareng kurva gaya na sapanjang absis dina Gambar 3a. 6a nunjukkeun yén metode ieu tiasa ngadeteksi ujung sareng polimér cabang anu ngahontal puncak permukaan. Kontak antara struktur sikat. Salaku tambahan, tumpang tindih anu caket tina kurva gaya nunjukkeun teu aya pangaruh ingetan cairan. Dina hal ieu, teu aya pisan adhesi antara jarum sareng permukaan sampel. Bagian paling luhur tina kurva gaya pikeun dua sampel tumpang tindih, ngagambarkeun kamiripan sipat mékanis bahan substrat.
(a) Kurva gaya nanoindéntasi AFM pikeun substrat lehfilcon A CL sareng substrat SiHy, (b) kurva gaya anu nunjukkeun estimasi titik kontak nganggo metode ambang bising latar.
Pikeun nalungtik detil anu langkung rinci tina kurva gaya, kurva tegangan sampel lehfilcon A CL diplot ulang dina Gambar 6b ​​kalayan gaya maksimum 50 pN sapanjang sumbu-y. Grafik ieu nyayogikeun inpormasi penting ngeunaan noise latar tukang aslina. Noise aya dina kisaran ±10 pN, anu dianggo pikeun nangtukeun titik kontak sacara akurat sareng ngitung jerona indentasi. Sakumaha anu dilaporkeun dina literatur, idéntifikasi titik kontak penting pisan pikeun meunteun sipat bahan sapertos modulus85 sacara akurat. Hiji pendekatan anu ngalibatkeun pamrosésan otomatis data kurva gaya parantos nunjukkeun kasaluyuan anu ningkat antara pas data sareng pangukuran kuantitatif pikeun bahan lemes86. Dina karya ieu, pilihan titik kontak urang relatif saderhana sareng obyektif, tapi gaduh watesanna. Pendekatan konservatif urang pikeun nangtukeun titik kontak tiasa nyababkeun nilai modulus anu rada kaleuleuwihi pikeun jerona indentasi anu langkung alit (<100 nm). Panggunaan deteksi titik toél berbasis algoritma sareng pamrosésan data otomatis tiasa janten tuluyan tina karya ieu di hareup pikeun langkung ningkatkeun metode urang. Ku kituna, pikeun noise latar intrinsik dina urutan ±10 pN, urang ngahartikeun titik kontak salaku titik data munggaran dina sumbu-x dina Gambar 6b ​​kalayan nilai ≥10 pN. Teras, saluyu sareng ambang noise 10 pN, garis vertikal dina tingkat ~0,27 µm nandakeun titik kontak sareng permukaan, saatos éta kurva manjang terus dugi ka substrat minuhan jerona indentasi ~270 nm. Anu pikaresepeun, dumasar kana ukuran fitur sikat polimér cabang (300–400 nm) anu diukur nganggo metode pencitraan, jerona indentasi CL lehfilcon Sampel anu dititénan nganggo metode ambang noise latar nyaéta sakitar 270 nm, anu caket pisan sareng ukuran pangukuran sareng STEM. Hasil ieu langkung mastikeun kasaluyuan sareng aplikasi bentuk sareng ukuran ujung probe AFM pikeun indentasi struktur sikat polimér cabang anu lemes pisan sareng elastis pisan ieu. Data ieu ogé nyayogikeun bukti anu kuat pikeun ngadukung metode urang ngagunakeun noise latar salaku ambang pikeun nangtukeun titik kontak. Ku kituna, sagala hasil kuantitatif anu diala tina modél matematika sareng pas kurva gaya kedah relatif akurat.
Pangukuran kuantitatif ku metode nanoindentation AFM sagemblengna gumantung kana modél matematika anu dianggo pikeun pamilihan data sareng analisis salajengna. Ku kituna, penting pikeun mertimbangkeun sadaya faktor anu aya hubunganana sareng pilihan indentor, sipat bahan sareng mékanika interaksina sateuacan milih modél khusus. Dina hal ieu, géométri ujung dicirikeun sacara saksama nganggo mikrograf SEM (Gambar 1), sareng dumasar kana hasilna, probe nanoindenting AFM diaméter 140 nm kalayan kerucut teuas sareng géométri ujung buleud mangrupikeun pilihan anu saé pikeun ngacirikeun sampel lehfilcon A CL79. Faktor penting anu sanés anu kedah dievaluasi sacara saksama nyaéta élastisitas bahan polimér anu diuji. Sanaos data awal nanoindentation (Gambar 5a sareng 6a) sacara jelas ngajelaskeun fitur tumpang tindih kurva tegangan sareng komprési, nyaéta, pamulihan élastis lengkep bahan, penting pisan pikeun mastikeun sifat élastis murni tina kontak. Pikeun tujuan ieu, dua lekukan anu padeukeut dilakukeun di lokasi anu sami dina permukaan sampel lehfilcon A CL dina laju lekukan 1 µm/s dina kaayaan hidrasi pinuh. Data kurva gaya anu dihasilkeun dipidangkeun dina gambar 7 sareng, sapertos anu dipiharep, kurva ékspansi sareng komprési tina dua cetakan ampir sami, anu nunjukkeun élastisitas anu luhur tina struktur sikat polimér anu bercabang.
Dua kurva gaya lekukan di lokasi anu sami dina permukaan lehfilcon A CL nunjukkeun élastisitas idéal tina permukaan lénsa.
Dumasar kana informasi anu diala tina gambar SEM sareng STEM tina ujung probe sareng permukaan lehfilcon A CL, masing-masing, modél cone-sphere mangrupikeun representasi matematis anu masuk akal tina interaksi antara ujung probe AFM sareng bahan polimér lemes anu diuji. Salian ti éta, pikeun modél cone-sphere ieu, asumsi dasar ngeunaan sipat élastis bahan anu dicitak leres pikeun bahan biomimetik énggal ieu sareng dianggo pikeun ngitung modulus élastis.
Saatos évaluasi anu komprehensif ngeunaan metode nanoindéntasi AFM sareng komponénna, kalebet sipat probe indéntasi (bentuk, ukuran, sareng kaku pegas), sensitivitas (estimasi noise latar sareng titik kontak), sareng modél pas data (pangukuran modulus kuantitatif), metode ieu dianggo. ngacirikeun sampel ultra-lemes anu sayogi sacara komersil pikeun mastikeun hasil kuantitatif. Hidrogel poliakrilamida komérsial (PAAM) kalayan modulus élastis 1 kPa diuji dina kaayaan terhidrasi nganggo probe 140 nm. Rincian uji modul sareng itungan disayogikeun dina Inpormasi Tambahan. Hasilna nunjukkeun yén modulus rata-rata anu diukur nyaéta 0,92 kPa, sareng %RSD sareng persentase (%) simpangan tina modulus anu dipikanyaho kirang ti 10%. Hasil ieu mastikeun akurasi sareng réproduksibilitas metode nanoindéntasi AFM anu dianggo dina karya ieu pikeun ngukur moduli bahan ultralemes. Beungeut sampel lehfilcon A CL sareng substrat dasar SiHy salajengna dicirikeun nganggo metode nanoindentation AFM anu sami pikeun nalungtik modulus kontak anu katingali tina permukaan ultrasoft salaku fungsi tina jerona indentasi. Kurva pamisahan gaya indentasi dihasilkeun pikeun tilu spésimén tina unggal jinis (n = 3; hiji indentasi per spésimén) dina gaya 300 pN, kecepatan 1 µm/s, sareng hidrasi pinuh. Kurva babagi gaya indentasi diperkirakeun nganggo modél cone-sphere. Pikeun kéngingkeun modulus anu gumantung kana jerona indentasi, bagian lébar 40 nm tina kurva gaya disetel dina unggal paningkatan 20 nm dimimitian ti titik kontak, sareng ngukur nilai modulus dina unggal léngkah kurva gaya. Spin Cy et al. Pendekatan anu sami parantos dianggo pikeun ngajelaskeun gradien modulus sikat polimér poli(lauril metakrilat) (P12MA) nganggo nanoindentation probe koloid AFM, sareng éta konsisten sareng data nganggo modél kontak Hertz. Pamarekan ieu nyayogikeun plot modulus kontak semu (kPa) dibandingkeun sareng jerona indentasi (nm), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 8, anu ngagambarkeun modulus kontak semu/gradien jerona. Modulus élastis anu diitung tina sampel CL lehfilcon A aya dina kisaran 2–3 kPa dina 100 nm luhur sampel, saluareun éta mimiti ningkat kalayan jerona. Di sisi anu sanés, nalika nguji substrat dasar SiHy tanpa pilem sapertos sikat dina permukaan, jerona indentasi maksimum anu kahontal dina gaya 300 pN kirang ti 50 nm, sareng nilai modulus anu diala tina data nyaéta sakitar 400 kPa, anu tiasa dibandingkeun sareng nilai modulus Young pikeun bahan curah.
Modulus kontak semu (kPa) vs. jerona lekukan (nm) pikeun substrat lehfilcon A CL sareng SiHy nganggo metode nanoindentasi AFM kalayan géométri cone-sphere pikeun ngukur modulus.
Beungeut pangluhurna tina struktur sikat polimér cabang biomimetik anyar némbongkeun modulus élastisitas anu handap pisan (2–3 kPa). Ieu bakal cocog sareng tungtung ngagantung bébas tina sikat polimér bercabang sapertos anu dipidangkeun dina gambar STEM. Sanaos aya sababaraha bukti gradien modulus di ujung luar CL, substrat modulus utama anu luhur langkung mangaruhan. Nanging, 100 nm luhur permukaan aya dina 20% tina total panjang sikat polimér cabang, janten masuk akal pikeun nganggap yén nilai modulus anu diukur dina rentang jerona indéntasi ieu relatif akurat sareng henteu gumantung pisan kana pangaruh objék handap.
Kusabab desain biomimetik anu unik tina lensa kontak lehfilcon A, anu diwangun ku struktur sikat polimér PMPC cabang anu dicangkokkeun kana permukaan substrat SiHy, hésé pisan pikeun ngacirikeun sipat mékanis struktur permukaanana sacara akurat nganggo metode pangukuran tradisional. Di dieu kami nampilkeun metode nanoindentasi AFM canggih pikeun ngacirikeun bahan ultra-lemes sapertos lefilcon A kalayan kandungan cai anu luhur sareng élastisitas anu luhur pisan. Métode ieu dumasar kana panggunaan probe AFM anu ukuran ujung sareng géométri dipilih sacara saksama pikeun cocog sareng diménsi struktural fitur permukaan ultra-lemes anu bakal dicitak. Kombinasi diménsi antara probe sareng struktur ieu nyayogikeun sensitivitas anu ningkat, anu ngamungkinkeun urang pikeun ngukur modulus anu handap sareng sipat élastis anu aya dina unsur sikat polimér cabang, henteu paduli épék poroélastis. Hasilna nunjukkeun yén sikat polimér PMPC cabang unik anu janten ciri permukaan lénsa ngagaduhan modulus élastis anu handap pisan (dugi ka 2 kPa) sareng élastisitas anu luhur pisan (ampir 100%) nalika diuji dina lingkungan cai. Hasil nanoindéntasi AFM ogé ngamungkinkeun urang pikeun ngacirikeun modulus kontak anu katingali/gradien jerona (30 kPa/200 nm) tina permukaan lénsa biomimetik. Gradien ieu tiasa disababkeun ku bédana modulus antara sikat polimér anu bercabang sareng substrat SiHy, atanapi struktur/kapadetan bercabang tina sikat polimér, atanapi kombinasi tina éta. Nanging, panilitian anu langkung jero diperyogikeun pikeun ngartos sacara lengkep hubungan antara struktur sareng sipat, khususna pangaruh percabangan sikat kana sipat mékanis. Pangukuran anu sami tiasa ngabantosan ngacirikeun sipat mékanis tina permukaan bahan ultra-lemes sareng alat médis anu sanés.
Set data anu dihasilkeun sareng/atanapi dianalisis salami panilitian ayeuna sayogi ti masing-masing panulis upami aya pamundut anu wajar.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. sareng Haugen, HJ Réaksi biologis kana sipat fisik sareng kimia permukaan biomaterial. Kimia. masarakat. Ed. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM sareng Liu, X. Peningkatan biomaterial anu asalna ti manusa pikeun rékayasa jaringan. pamrograman. polimér. élmu. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al. Desain, implementasi klinis, sareng réspon imun biomaterial dina ubar regeneratif. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK sareng Farr GM Métode anu ditingkatkeun pikeun nangtukeun karasa sareng modulus élastis nganggo ékspérimén indéntasi kalayan pangukuran beban sareng pamindahan. J. Alma mater. tanki panyimpenan. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Asal-usul sajarah uji karasa indentasi. almamater. élmu pangaweruh. téknologi. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Pangukuran Karasa Indentasi dina Skala Makro, Mikro, sareng Nano: Tinjauan Kritis. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD sareng Clapperich, SM Kasalahan deteksi permukaan nyababkeun modulus overestimasi dina nanoindéntasi bahan lemes. J. Mecha. Paripolah. Élmu Biomédis. almamater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR sareng Yahya M.Yu. Evaluasi metode nanoindentation pikeun nangtukeun karakteristik mékanis nanokomposit hétérogén nganggo metode ékspériméntal sareng komputasi. élmu. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, sareng Owart, TS Karakterisasi mékanis gél viskoelastis lemes ku indéntasi sareng analisis unsur terbatas inversi dumasar optimasi. J. Mecha. Paripolah. Élmu Biomédis. almamater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J sareng Chaneler D. Optimasi panangtuan viskoelastisitas nganggo sistem pangukuran anu cocog. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. sareng Pellillo, E. Nanoindéntasi permukaan polimér. J. Physics. D. Apply for physics. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. sareng Van Vliet KJ Karakterisasi sipat mékanis viskoelastis polimér anu élastis pisan sareng jaringan biologis nganggo indéntasi kejut. Journal of Biomaterials. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluasi modulus élastis sareng padamelan adhesi bahan lemes nganggo metode Borodich-Galanov (BG) anu diperpanjang sareng lekukan anu jero. bulu. almamater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al. Morfologi nanoskala sareng sipat mékanis permukaan polimér biomimetik tina lénsa kontak hidrogel silikon. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).