ขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.com คุณกำลังใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่รองรับ CSS ได้อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าการสนับสนุนจะดำเนินต่อไป เราจึงแสดงเว็บไซต์โดยไม่ใช้สไตล์และ JavaScript
แสดงภาพสไลด์แบบหมุนสามสไลด์พร้อมกัน ใช้ปุ่ม "ก่อนหน้า" และ "ถัดไป" เพื่อเลื่อนดูสไลด์สามสไลด์พร้อมกัน หรือใช้ปุ่ม "เลื่อน" ที่ท้ายสไลด์เพื่อเลื่อนดูสไลด์สามสไลด์พร้อมกัน
ด้วยการพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ที่มีความอ่อนนุ่มเป็นพิเศษสำหรับอุปกรณ์การแพทย์และการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ การระบุคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลอย่างครอบคลุมจึงมีความสำคัญและท้าทาย ได้มีการนำเทคนิคการเยื้องนาโนด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบดัดแปลง (AFM) มาใช้เพื่อระบุโมดูลัสพื้นผิวที่ต่ำมากของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจลเลียนแบบชีวภาพ Lehfilcon A รุ่นใหม่ที่เคลือบด้วยชั้นของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่ง วิธีการนี้ช่วยให้สามารถกำหนดจุดสัมผัสได้อย่างแม่นยำโดยไม่เกิดผลกระทบจากการอัดรีดแบบหนืดเมื่อเข้าใกล้โพลีเมอร์แบบกิ่ง นอกจากนี้ ยังทำให้สามารถระบุคุณสมบัติเชิงกลขององค์ประกอบแปรงแต่ละชิ้นได้โดยไม่เกิดผลกระทบจากความยืดหยุ่นแบบรูพรุน ซึ่งทำได้โดยการเลือกหัววัด AFM ที่มีการออกแบบ (ขนาดปลาย รูปทรง และอัตราสปริง) ที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดคุณสมบัติของวัสดุอ่อนและตัวอย่างทางชีวภาพ วิธีนี้ช่วยเพิ่มความไวและความแม่นยำในการวัดวัสดุ lehfilcon A ที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษได้อย่างแม่นยำ ซึ่งมีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมากบนพื้นผิว (สูงสุด 2 kPa) และมีความยืดหยุ่นสูงมากในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำภายใน (เกือบ 100%) ผลการศึกษาพื้นผิวไม่เพียงแต่เผยให้เห็นคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษของเลนส์ lehfilcon A เท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าโมดูลัสของแปรงพอลิเมอร์แบบกิ่งก้านมีค่าเทียบเท่ากับพื้นผิวของซิลิคอน-ไฮโดรเจน เทคนิคการวิเคราะห์ลักษณะพื้นผิวนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ ได้
คุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่ออกแบบมาเพื่อการสัมผัสโดยตรงกับเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิตมักถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ การจับคู่คุณสมบัติเชิงกลของวัสดุเหล่านี้อย่างสมบูรณ์แบบช่วยให้บรรลุคุณสมบัติทางคลินิกที่ต้องการโดยไม่ก่อให้เกิดการตอบสนองของเซลล์ที่ไม่พึงประสงค์1,2,3 สำหรับวัสดุเนื้อเดียวกันจำนวนมาก การระบุคุณสมบัติเชิงกลทำได้ค่อนข้างง่ายเนื่องจากมีขั้นตอนและวิธีการทดสอบมาตรฐาน (เช่น การกดอัดขนาดเล็ก4,5,6) อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น เจล ไฮโดรเจล ไบโอพอลิเมอร์ เซลล์สิ่งมีชีวิต ฯลฯ โดยทั่วไปแล้ววิธีการทดสอบเหล่านี้ไม่สามารถนำมาใช้ได้เนื่องจากข้อจำกัดด้านความละเอียดในการวัดและความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของวัสดุบางชนิด7 ตลอดหลายปีที่ผ่านมา วิธีการกดอัดแบบดั้งเดิมได้รับการปรับปรุงและดัดแปลงเพื่อระบุคุณสมบัติของวัสดุที่อ่อนนุ่มหลากหลายประเภท แต่วิธีการหลายวิธียังคงมีข้อบกพร่องร้ายแรงที่จำกัดการใช้งาน8,9,10,11,12,13 การขาดแคลนวิธีการทดสอบเฉพาะทางที่สามารถระบุคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษและชั้นผิวได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ เป็นข้อจำกัดอย่างมากในการใช้งานที่หลากหลาย
ในงานก่อนหน้านี้ เราได้นำเสนอคอนแทคเลนส์ lehfilcon A (CL) ซึ่งเป็นวัสดุเนื้อนุ่มหลากหลายชนิดที่มีคุณสมบัติพื้นผิวที่นุ่มเป็นพิเศษ ซึ่งได้มาจากการออกแบบที่อาจเลียนแบบชีวภาพ (bio-mimetic design) ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากพื้นผิวกระจกตาของดวงตา วัสดุชีวภาพนี้ได้รับการพัฒนาโดยการต่อกิ่งชั้นพอลิเมอร์โพลี(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) แบบกิ่งและเชื่อมขวางเข้ากับซิลิโคนไฮโดรเจล (SiHy) 15 ที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ กระบวนการต่อกิ่งนี้จะสร้างชั้นบนพื้นผิวซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างแปรงพอลิเมอร์แบบกิ่งที่นุ่มและยืดหยุ่นสูง งานก่อนหน้านี้ของเรายืนยันว่าโครงสร้างที่เลียนแบบชีวภาพของ lehfilcon A CL ให้คุณสมบัติพื้นผิวที่เหนือกว่า เช่น การป้องกันความชื้นและคราบสกปรกที่ดีขึ้น เพิ่มความลื่นไหล และลดการยึดเกาะของเซลล์และแบคทีเรีย15,16 นอกจากนี้ การใช้และการพัฒนาวัสดุชีวภาพนี้ยังชี้ให้เห็นถึงการขยายขอบเขตการใช้งานไปยังอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ อีกด้วย ดังนั้น การระบุคุณสมบัติพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษนี้ และการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์เชิงกลกับดวงตาจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง เพื่อสร้างฐานความรู้ที่ครอบคลุมเพื่อรองรับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ในอนาคต คอนแทคเลนส์ SiHy ที่วางจำหน่ายทั่วไปส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของพอลิเมอร์ชนิดชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ ซึ่งก่อตัวเป็นโครงสร้างวัสดุที่สม่ำเสมอ17 มีการศึกษาหลายชิ้นที่ดำเนินการเพื่อศึกษาคุณสมบัติเชิงกลของเลนส์โดยใช้วิธีการทดสอบแรงอัด แรงดึง และแรงกดขนาดเล็กแบบดั้งเดิม18,19,20,21 อย่างไรก็ตาม การออกแบบเลียนแบบชีวภาพแบบใหม่ของ lehfilcon A CL ทำให้เป็นวัสดุที่มีลักษณะเฉพาะที่มีลักษณะเฉพาะ ซึ่งคุณสมบัติเชิงกลของโครงสร้างแปรงพอลิเมอร์แบบกิ่งก้านแตกต่างจากโครงสร้างพื้นผิวฐาน SiHy อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงเป็นการยากมากที่จะวัดค่าคุณสมบัติเหล่านี้ได้อย่างแม่นยำโดยใช้วิธีการทั่วไปและวิธีการแบบกด วิธีการหนึ่งที่มีแนวโน้มดีคือการทดสอบด้วยวิธีนาโนอินเดนเทชัน ซึ่งใช้ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ประเมินสมบัติเชิงกลของวัสดุหนืดและยืดหยุ่นชนิดอ่อน เช่น เซลล์และเนื้อเยื่อชีวภาพ รวมถึงพอลิเมอร์ชนิดอ่อน22,23,24,25, 26,27,28,29,30 ในการนาโนอินเดนเทชันด้วย AFM พื้นฐานของการทดสอบนาโนอินเดนเทชันถูกผสานเข้ากับความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี AFM เพื่อเพิ่มความไวในการวัดและการทดสอบวัสดุที่มีลักษณะนุ่มพิเศษหลากหลายชนิด31,32,33,34,35,36 นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังมอบข้อได้เปรียบที่สำคัญอื่นๆ ผ่านการใช้รูปทรงเรขาคณิตที่หลากหลาย หัววัดและหัววัด รวมถึงความเป็นไปได้ในการทดสอบในของเหลวชนิดต่างๆ
การเยื้องนาโนแบบ AFM สามารถแบ่งได้ตามเงื่อนไขเป็นสามส่วนหลัก ได้แก่ (1) อุปกรณ์ (เซ็นเซอร์ เครื่องตรวจจับ หัววัด ฯลฯ); (2) พารามิเตอร์การวัด (เช่น แรง การเคลื่อนที่ ความเร็ว ขนาดการลาดเอียง ฯลฯ); (3) การประมวลผลข้อมูล (การแก้ไขค่าพื้นฐาน การประมาณค่าจุดสัมผัส การปรับข้อมูล การสร้างแบบจำลอง ฯลฯ) ปัญหาสำคัญของวิธีนี้คือ มีงานวิจัยหลายชิ้นที่ใช้การเยื้องนาโนแบบ AFM รายงานผลเชิงปริมาณที่แตกต่างกันมากสำหรับตัวอย่าง/เซลล์/วัสดุชนิดเดียวกัน37,38,39,40,41 ตัวอย่างเช่น Lekka และคณะ ได้ศึกษาและเปรียบเทียบอิทธิพลของรูปทรงของหัววัด AFM ต่อค่าโมดูลัสของยังที่วัดได้ของตัวอย่างไฮโดรเจลและเซลล์ที่มีลักษณะเป็นเนื้อเดียวกันเชิงกล พวกเขารายงานว่าค่าโมดูลัสขึ้นอยู่กับการเลือกคานยื่นและรูปร่างของปลายอย่างมาก โดยค่าสูงสุดสำหรับหัววัดรูปทรงพีระมิด และค่าต่ำสุดคือ 42 สำหรับหัววัดทรงกลม ในทำนองเดียวกัน Selhuber-Unkel และคณะ ได้แสดงให้เห็นว่าความเร็วของหัวกด ขนาดของหัวกด และความหนาของตัวอย่างโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ส่งผลต่อค่าโมดูลัสของยังที่วัดโดยการวัดระดับนาโนด้วย ACM43 ปัจจัยที่ทำให้ซับซ้อนอีกประการหนึ่งคือการขาดวัสดุทดสอบโมดูลัสต่ำมากที่เป็นมาตรฐานและขั้นตอนการทดสอบอิสระ ซึ่งทำให้การได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและมั่นใจได้เป็นเรื่องยากมาก อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการวัดสัมพัทธ์และการประเมินเปรียบเทียบระหว่างตัวอย่างประเภทเดียวกัน เช่น การใช้การวัดระดับนาโนด้วย AFM เพื่อแยกเซลล์ปกติออกจากเซลล์มะเร็ง 44, 45
เมื่อทำการทดสอบวัสดุอ่อนด้วยการกดนาโนแบบ AFM หลักการทั่วไปคือการใช้หัววัดที่มีค่าคงตัวสปริง (k) ต่ำ ซึ่งใกล้เคียงกับโมดูลัสของตัวอย่าง และปลายหัววัดมีลักษณะเป็นครึ่งวงกลม/กลม เพื่อให้หัววัดแรกไม่เจาะทะลุพื้นผิวตัวอย่างเมื่อสัมผัสกับวัสดุอ่อนเป็นครั้งแรก สิ่งสำคัญคือสัญญาณการเบี่ยงเบนที่เกิดจากหัววัดต้องมีความแรงเพียงพอที่จะตรวจจับได้โดยระบบตรวจจับเลเซอร์24,34,46,47 ในกรณีของเซลล์ เนื้อเยื่อ และเจลที่มีลักษณะไม่เหมือนกันและอ่อนนุ่มเป็นพิเศษ ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการเอาชนะแรงยึดเกาะระหว่างหัววัดและพื้นผิวตัวอย่าง เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดผลสามารถทำซ้ำได้และเชื่อถือได้48,49,50 จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ งานส่วนใหญ่เกี่ยวกับการกดนาโนแบบ AFM มุ่งเน้นไปที่การศึกษาพฤติกรรมเชิงกลของเซลล์ เนื้อเยื่อ เจล ไฮโดรเจล และชีวโมเลกุลทางชีวภาพ โดยใช้หัววัดทรงกลมขนาดค่อนข้างใหญ่ ซึ่งมักเรียกว่าหัววัดคอลลอยด์ (CPs) , 47, 51, 52, 53, 54, 55 ปลายแหลมเหล่านี้มีรัศมี 1 ถึง 50 ไมโครเมตร และมักทำจากแก้วโบโรซิลิเกต โพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) โพลีสไตรีน (PS) ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) และคาร์บอนคล้ายเพชร (DLC) แม้ว่าการกดนาโน CP-AFM มักเป็นตัวเลือกแรกสำหรับการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของตัวอย่างอ่อน แต่ก็มีปัญหาและข้อจำกัดของตัวเอง การใช้ปลายแหลมทรงกลมขนาดใหญ่ระดับไมครอนจะเพิ่มพื้นที่สัมผัสทั้งหมดของปลายแหลมกับตัวอย่างและทำให้สูญเสียความละเอียดเชิงพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญ สำหรับตัวอย่างอ่อนที่มีลักษณะไม่เรียบ ซึ่งคุณสมบัติเชิงกลขององค์ประกอบเฉพาะที่อาจแตกต่างจากค่าเฉลี่ยอย่างมากในพื้นที่กว้าง การกด CP สามารถปกปิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของคุณสมบัติในระดับเฉพาะได้52 โดยทั่วไปแล้วหัววัดแบบคอลลอยด์จะทำโดยการยึดทรงกลมคอลลอยด์ขนาดไมครอนเข้ากับคานยื่นแบบไม่มีปลายแหลมโดยใช้กาวอีพอกซี กระบวนการผลิตเองก็เต็มไปด้วยปัญหามากมายและอาจนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกันในกระบวนการสอบเทียบหัววัด นอกจากนี้ ขนาดและมวลของอนุภาคคอลลอยด์ยังส่งผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์การสอบเทียบหลักของคานยื่น เช่น ความถี่เรโซแนนซ์ ความแข็งของสปริง และความไวต่อการโก่งตัว56,57,58 ดังนั้น วิธีการที่ใช้กันทั่วไปสำหรับหัววัด AFM ทั่วไป เช่น การสอบเทียบอุณหภูมิ อาจไม่สามารถให้การสอบเทียบที่แม่นยำสำหรับ CP และอาจจำเป็นต้องใช้วิธีการอื่นในการแก้ไขเหล่านี้57, 59, 60, 61 การทดลองการเยื้อง CP ทั่วไปจะใช้คานยื่นที่มีค่าเบี่ยงเบนสูงเพื่อศึกษาคุณสมบัติของตัวอย่างอ่อน ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาอีกประการหนึ่งเมื่อสอบเทียบพฤติกรรมแบบไม่เชิงเส้นของคานยื่นที่มีค่าเบี่ยงเบนค่อนข้างสูง62,63,64 วิธีการเยื้องหัววัดคอลลอยด์สมัยใหม่มักจะคำนึงถึงรูปทรงเรขาคณิตของคานยื่นที่ใช้ในการสอบเทียบหัววัด แต่กลับละเลยอิทธิพลของอนุภาคคอลลอยด์ ซึ่งทำให้เกิดความไม่แน่นอนเพิ่มเติมในความแม่นยำของวิธีการ38,61 ในทำนองเดียวกัน โมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณโดยการติดตั้งแบบจำลองการสัมผัสจะขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของหัววัดแบบเยื้องโดยตรง และความไม่ตรงกันระหว่างคุณลักษณะของปลายและพื้นผิวตัวอย่างอาจนำไปสู่ความไม่แม่นยำ27, 65, 66, 67, 68 ผลงานล่าสุดของ Spencer และคณะ ได้เน้นย้ำถึงปัจจัยที่ควรพิจารณาเมื่อกำหนดลักษณะของแปรงโพลิเมอร์แบบนิ่มโดยใช้วิธีการเยื้องแบบนาโน CP-AFM พวกเขารายงานว่าการคงตัวของไหลหนืดในแปรงโพลิเมอร์เป็นฟังก์ชันของความเร็วส่งผลให้แรงกดที่หัวเพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงทำให้การวัดคุณสมบัติที่ขึ้นกับความเร็วแตกต่างกัน30, 69, 70, 71
ในการศึกษานี้ เราได้ศึกษาลักษณะโมดูลัสพื้นผิวของวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงชนิดนุ่มพิเศษ Lehfilcon A CL โดยใช้วิธีการนาโนอินเดนเทชันแบบดัดแปลงของ AFM ด้วยคุณสมบัติและโครงสร้างใหม่ของวัสดุนี้ ช่วงความไวของวิธีการนาโนอินเดนเทชันแบบเดิมนั้นไม่เพียงพออย่างชัดเจนที่จะอธิบายลักษณะโมดูลัสของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษนี้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการนาโนอินเดนเทชันแบบ AFM ที่มีระดับความไวสูงกว่าและระดับความไวต่ำกว่า หลังจากทบทวนข้อบกพร่องและปัญหาของเทคนิคการนาโนอินเดนเทชันแบบคอลลอยด์ AFM probe ที่มีอยู่แล้ว เราได้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดเราจึงเลือกใช้หัววัด AFM ขนาดเล็กที่ออกแบบเฉพาะเพื่อขจัดความไว สัญญาณรบกวนพื้นหลัง จุดสัมผัสที่แม่นยำ วัดโมดูลัสความเร็วของวัสดุที่มีลักษณะไม่เหมือนกัน เช่น การพึ่งพาการกักเก็บของเหลว และการวัดปริมาณที่แม่นยำ นอกจากนี้ เรายังสามารถวัดรูปร่างและขนาดของปลายอินเดนเทชันได้อย่างแม่นยำ ทำให้เราสามารถใช้แบบจำลองความพอดีแบบกรวย-ทรงกลมเพื่อกำหนดโมดูลัสความยืดหยุ่นได้โดยไม่ต้องประเมินพื้นที่สัมผัสของปลายกับวัสดุ สมมติฐานโดยนัยสองประการที่วัดปริมาณได้ในงานวิจัยนี้คือ คุณสมบัติของวัสดุที่มีความยืดหยุ่นเต็มที่ และโมดูลัสอิสระจากความลึกของการเยื้อง โดยใช้วิธีการทดลองนี้ เราได้ทดสอบวัสดุมาตรฐานชนิดอัลตร้าซอฟต์ที่มีโมดูลัสที่ทราบค่าแล้วเพื่อวัดปริมาณวิธีการ จากนั้นจึงใช้วิธีการทดลองนี้เพื่อระบุลักษณะพื้นผิวของวัสดุคอนแทคเลนส์สองชนิดที่แตกต่างกัน คาดว่าวิธีการนี้สำหรับการระบุลักษณะพื้นผิวการเยื้องระดับนาโนของ AFM ที่มีความไวเพิ่มขึ้นนี้จะสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับวัสดุอัลตร้าซอฟต์ชนิดต่าง ๆ ที่เลียนแบบทางชีวภาพได้หลากหลายชนิด ซึ่งมีศักยภาพในการนำไปใช้ในอุปกรณ์การแพทย์และการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์
คอนแทคเลนส์ Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) และซับสเตรตซิลิโคนไฮโดรเจลถูกเลือกสำหรับการทดลองแบบนาโนอินเดนเตชัน การทดลองนี้ใช้ตัวยึดเลนส์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ในการติดตั้งเลนส์สำหรับการทดสอบ เลนส์ถูกวางอย่างระมัดระวังบนขาตั้งรูปโดม ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีฟองอากาศเข้าไปข้างใน จากนั้นจึงยึดด้วยขอบ รูที่ด้านบนของตัวยึดเลนส์ช่วยให้เข้าถึงจุดศูนย์กลางออปติคัลของเลนส์สำหรับการทดลองแบบนาโนอินเดนเตชันในขณะที่ยึดของเหลวให้อยู่กับที่ วิธีนี้ช่วยให้เลนส์ชุ่มชื้นอย่างเต็มที่ ใช้สารละลายบรรจุภัณฑ์คอนแทคเลนส์ 500 ไมโครลิตรเป็นสารละลายทดสอบ เพื่อยืนยันผลเชิงปริมาณ ไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์แบบไม่ใช้แอคทีฟ (PAAM) ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ถูกเตรียมจากส่วนประกอบโพลีอะคริลาไมด์-โค-เมทิลีน-ไบอะคริลาไมด์ (จานเพาะเชื้อ Petrisoft ขนาด 100 มม., Matrigen, Irvine, CA, USA) ซึ่งมีค่าโมดูลัสยืดหยุ่นที่ทราบแล้วที่ 1 กิโลปาสคาล ใช้ฟอสเฟตบัฟเฟอร์ซาไลน์ (PBS จาก Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) 4-5 หยด (ประมาณ 125 µl) และสารละลายคอนแทคเลนส์ OPTI-FREE Puremoist 1 หยด (Alcon, Vaud, TX, USA) ที่อินเทอร์เฟซไฮโดรเจล-โพรบ AFM
ตัวอย่างสารตั้งต้น Lehfilcon A CL และ SiHy ถูกทำให้มองเห็นได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดปล่อยสนาม (FEG SEM) รุ่น FEI Quanta 250 ซึ่งติดตั้งเครื่องตรวจจับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดส่งผ่าน (STEM) ในการเตรียมตัวอย่าง เลนส์จะถูกล้างด้วยน้ำก่อนและตัดเป็นรูปลิ่มรูปวงกลม เพื่อให้ได้ความแตกต่างระหว่างองค์ประกอบที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำของตัวอย่าง จึงใช้สารละลาย RuO4 ที่เสถียร 0.10% เป็นสีย้อม โดยแช่ตัวอย่างเป็นเวลา 30 นาที การย้อมสีด้วย Lehfilcon A CL RuO4 มีความสำคัญไม่เพียงแต่เพื่อให้ได้ความแตกต่างที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาโครงสร้างของแปรงโพลิเมอร์แบบกิ่งให้คงรูปเดิม ซึ่งสามารถมองเห็นได้ในภาพ STEM จากนั้นแปรงจะถูกล้างและทำให้แห้งในชุดส่วนผสมของเอทานอล/น้ำ โดยเพิ่มความเข้มข้นของเอทานอล จากนั้นนำตัวอย่างไปหล่อด้วยอีพอกซี EMBed 812/Araldite ซึ่งบ่มไว้ข้ามคืนที่อุณหภูมิ 70°C บล็อกตัวอย่างที่ได้จากการพอลิเมอไรเซชันเรซินถูกตัดด้วยเครื่องอัลตราไมโครโทม และนำส่วนบางที่ได้ไปตรวจด้วยเครื่องตรวจจับ STEM ในโหมดสุญญากาศต่ำที่แรงดันเร่ง 30 กิโลโวลต์ ระบบ SEM เดียวกันนี้ใช้สำหรับการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของหัววัด AFM รุ่น PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) ภาพ SEM ของหัววัด AFM ได้มาจากโหมดสุญญากาศสูงทั่วไปที่แรงดันเร่ง 30 กิโลโวลต์ เก็บภาพจากมุมและกำลังขยายต่างๆ เพื่อบันทึกรายละเอียดทั้งหมดของรูปร่างและขนาดของหัววัด AFM ขนาดหัววัดทั้งหมดที่สนใจในภาพถูกวัดด้วยระบบดิจิทัล
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) ที่มีโหมด “PeakForce QNM in Fluid” ถูกใช้เพื่อสร้างภาพและวิเคราะห์ตัวอย่างเลห์ฟิลคอน A CL, ซับสเตรต SiHy และไฮโดรเจล PAAm ในระดับนาโนเมตร สำหรับการทดลองถ่ายภาพ ได้ใช้หัววัด PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) ที่มีรัศมีปลาย 1 นาโนเมตร เพื่อบันทึกภาพความละเอียดสูงของตัวอย่างด้วยอัตราการสแกน 0.50 เฮิรตซ์ ภาพทั้งหมดถ่ายในสารละลายน้ำ
การทดลองการกดนาโนแบบ AFM ดำเนินการโดยใช้หัววัด PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) หัววัด AFM มีปลายซิลิคอนอยู่บนคานยื่นไนไตรด์ หนา 345 นาโนเมตร ยาว 54 ไมโครเมตร และกว้าง 4.5 ไมโครเมตร โดยมีความถี่เรโซแนนซ์ 45 กิโลเฮิรตซ์ หัววัดนี้ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะและดำเนินการวัดเชิงปริมาณทางนาโนกลศาสตร์ในตัวอย่างชีวภาพอ่อน เซ็นเซอร์แต่ละชิ้นได้รับการสอบเทียบจากโรงงานพร้อมการตั้งค่าสปริงที่สอบเทียบไว้ล่วงหน้า ค่าคงที่ของสปริงของหัววัดที่ใช้ในการศึกษานี้อยู่ในช่วง 0.05–0.1 นิวตัน/เมตร เพื่อกำหนดรูปร่างและขนาดของปลายได้อย่างแม่นยำ หัววัดจึงถูกวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะอย่างละเอียดโดยใช้เทคนิค SEM รูปที่ 1a แสดงภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดความละเอียดสูง กำลังขยายต่ำของหัววัด PFQNM-LC-A-CAL ซึ่งให้มุมมองแบบองค์รวมของการออกแบบหัววัด รูปที่ 1a รูปที่ 1b แสดงภาพขยายด้านบนของปลายหัววัด ซึ่งให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างและขนาดของปลายหัววัด ปลายหัววัดที่ปลายสุดมีลักษณะเป็นรูปครึ่งวงกลม มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 140 นาโนเมตร (รูปที่ 1c) ด้านล่างปลายหัววัดจะเรียวลงเป็นทรงกรวย โดยมีความยาวที่วัดได้ประมาณ 500 นาโนเมตร ด้านนอกของปลายหัววัดมีลักษณะเป็นทรงกระบอกและมีความยาวปลายรวม 1.18 ไมโครเมตร ซึ่งเป็นส่วนหน้าที่หลักของปลายหัววัด นอกจากนี้ ยังใช้หัววัดโพลิสไตรีน (PS) ทรงกลมขนาดใหญ่ (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 45 ไมโครเมตร และมีค่าคงที่ของสปริง 2 นิวตัน/เมตร สำหรับการทดสอบเป็นหัววัดแบบคอลลอยด์ ร่วมกับหัววัด PFQNM-LC-A-CAL 140 นาโนเมตร เพื่อการเปรียบเทียบ
มีรายงานว่าของเหลวสามารถถูกกักไว้ระหว่างหัววัด AFM และโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์ในระหว่างการกดนาโน ซึ่งจะออกแรงกดขึ้นบนหัววัด AFM ก่อนที่จะสัมผัสกับพื้นผิวจริง69 ผลกระทบจากการอัดรีดที่มีความหนืดนี้อันเนื่องมาจากการกักเก็บของเหลวสามารถเปลี่ยนจุดสัมผัสที่ปรากฏ ซึ่งส่งผลต่อการวัดโมดูลัสของพื้นผิว เพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงของหัววัดและความเร็วในการกดต่อการกักเก็บของเหลว กราฟแรงกดถูกพล็อตสำหรับตัวอย่าง Lehfilcon A CL โดยใช้หัววัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตร ที่อัตราการเคลื่อนที่คงที่ 1 ไมโครเมตร/วินาที และ 2 ไมโครเมตร/วินาที เส้นผ่านศูนย์กลางหัววัด 45 ไมโครเมตร ตั้งค่าแรงคงที่ 6 นาโนเมตร ที่ความเร็ว 1 ไมโครเมตร/วินาที การทดลองโดยใช้หัววัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตร ดำเนินการโดยมีความเร็วในการกด 1 µm/s และแรงกด 300 pN โดยเลือกให้สร้างแรงกดภายในช่วงสรีรวิทยา (1–8 kPa) ของเปลือกตาด้านบน แรงกด 72 ตัวอย่างไฮโดรเจล PAA สำเร็จรูปแบบอ่อนที่มีความดัน 1 kPa ได้ถูกทดสอบด้วยแรงกด 50 pN ด้วยความเร็ว 1 µm/s โดยใช้หัววัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตร
เนื่องจากความยาวของส่วนปลายกรวยของหัววัด PFQNM-LC-A-CAL อยู่ที่ประมาณ 500 นาโนเมตร สำหรับความลึกของการกดใดๆ ที่น้อยกว่า 500 นาโนเมตร จึงสามารถสันนิษฐานได้อย่างปลอดภัยว่ารูปทรงของหัววัดในระหว่างการกดจะยังคงเป็นไปตามรูปทรงกรวย นอกจากนี้ ยังสันนิษฐานว่าพื้นผิวของวัสดุที่ทดสอบจะแสดงการตอบสนองแบบยืดหยุ่นที่กลับคืนได้ ซึ่งจะได้รับการยืนยันในหัวข้อต่อไป ดังนั้น ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของปลาย เราจึงเลือกแบบจำลองการปรับแบบกรวย-ทรงกลมที่พัฒนาโดย Briscoe, Sebastian และ Adams ซึ่งมีอยู่ในซอฟต์แวร์ของผู้จำหน่าย เพื่อประมวลผลการทดลองการกดแบบนาโน AFM ของเรา (NanoScope) ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลการแยก Bruker) 73 แบบจำลองนี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงและการเคลื่อนที่ F(δ) สำหรับกรวยที่มีจุดบกพร่องที่ปลายทรงกลม ในรูปที่ รูปที่ 2 แสดงรูปทรงสัมผัสระหว่างปฏิสัมพันธ์ระหว่างกรวยแข็งกับปลายทรงกลม โดยที่ R คือรัศมีของปลายทรงกลม, a คือรัศมีสัมผัส, b คือรัศมีสัมผัสที่ปลายของปลายทรงกลม, δ คือรัศมีสัมผัส ความลึกของรอยบุ๋ม, θ คือครึ่งมุมของกรวย ภาพ SEM ของหัววัดนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าปลายทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตร เชื่อมเข้าหากรวยในแนวสัมผัส ดังนั้น b จึงถูกกำหนดโดย R เท่านั้น กล่าวคือ b = R cos θ ซอฟต์แวร์ที่ผู้จำหน่ายจัดหาให้นี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างกรวยกับทรงกลม เพื่อคำนวณค่าโมดูลัสของยัง (E) จากข้อมูลการแยกแรง โดยสมมติให้ a > b ความสัมพันธ์:
โดยที่ F คือแรงกด E คือโมดูลัสของยัง และ ν คืออัตราส่วนปัวซอง รัศมีสัมผัส a สามารถประมาณได้โดยใช้:
โครงร่างของรูปทรงเรขาคณิตของการสัมผัสของกรวยแข็งที่มีปลายทรงกลมกดลงในวัสดุของคอนแทคเลนส์ Lefilcon ที่มีชั้นพื้นผิวเป็นแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่ง
หาก a ≤ b ความสัมพันธ์จะลดลงเหลือสมการสำหรับหัวเจาะทรงกลมทั่วไป
เราเชื่อว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างหัววัดแบบเยื้องกับโครงสร้างแบบกิ่งก้านของแปรงโพลิเมอร์ PMPC จะทำให้รัศมีสัมผัส a มีค่ามากกว่ารัศมีสัมผัสทรงกลม b ดังนั้น สำหรับการวัดเชิงปริมาณทั้งหมดของโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ดำเนินการในการศึกษานี้ เราจึงใช้ความสัมพันธ์ที่ได้สำหรับกรณี a > b
วัสดุเลียนแบบชีวภาพชนิดอัลตราซอฟท์ที่ศึกษาในงานวิจัยนี้ ได้รับการถ่ายภาพอย่างละเอียดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (STEM) ของหน้าตัดตัวอย่าง และกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ของพื้นผิว การวิเคราะห์ลักษณะพื้นผิวอย่างละเอียดนี้ดำเนินการเพื่อต่อยอดจากงานวิจัยที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ของเรา ซึ่งเราพบว่าโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้านแบบไดนามิกของพื้นผิว lehfilcon A CL ที่ดัดแปลงโดย PMPC แสดงคุณสมบัติเชิงกลที่คล้ายคลึงกับเนื้อเยื่อกระจกตาธรรมชาติ 14 ด้วยเหตุนี้ เราจึงเรียกพื้นผิวของคอนแทคเลนส์ว่าวัสดุเลียนแบบชีวภาพ 14 รูปที่ 3a, b แสดงหน้าตัดของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ PMPC แบบกิ่งก้านบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ lehfilcon A CL และพื้นผิวของ SiHy ที่ไม่ได้ผ่านการปรับปรุง ตามลำดับ พื้นผิวของทั้งสองตัวอย่างได้รับการวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้ภาพ AFM ความละเอียดสูง ซึ่งยืนยันผลการวิเคราะห์ STEM ได้ดียิ่งขึ้น (รูปที่ 3c, d) เมื่อนำมารวมกัน ภาพเหล่านี้จะแสดงความยาวโดยประมาณของโครงสร้างแปรงพอลิเมอร์แบบกิ่งก้านของ PMPC ที่ 300–400 นาโนเมตร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการตีความการวัดการเยื้องระดับนาโนของ AFM ข้อสังเกตสำคัญอีกประการหนึ่งที่ได้จากภาพนี้คือโครงสร้างพื้นผิวโดยรวมของวัสดุเลียนแบบชีวภาพ CL มีความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาจากวัสดุพื้นผิว SiHy ความแตกต่างทางสัณฐานวิทยาพื้นผิวนี้สามารถเห็นได้ชัดเจนในระหว่างปฏิกิริยาเชิงกลกับหัววัด AFM แบบเยื้อง และต่อมาในค่าโมดูลัสที่วัดได้
ภาพตัดขวาง STEM ของ (ก) lehfilcon A CL และ (ข) ซับสเตรต SiHy แถบมาตราส่วน 500 นาโนเมตร ภาพ AFM ของพื้นผิวซับสเตรต lehfilcon A CL (ค) และซับสเตรต SiHy ฐาน (ง) (3 ไมโครเมตร × 3 ไมโครเมตร)
พอลิเมอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพและโครงสร้างแปรงพอลิเมอร์มีความอ่อนนุ่มตามธรรมชาติ และได้รับการศึกษาและนำไปใช้อย่างกว้างขวางในการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ต่างๆ74,75,76,77 ดังนั้น การใช้วิธีการนาโนอินเดนเทชันของ AFM จึงมีความสำคัญ ซึ่งสามารถวัดคุณสมบัติเชิงกลได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ แต่ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติเฉพาะของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษเหล่านี้ เช่น โมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมาก ปริมาณของเหลวสูง และความยืดหยุ่นสูง มักทำให้การเลือกวัสดุ รูปร่าง และขนาดของหัววัดแบบอินเดนเทชันทำได้ยาก สิ่งสำคัญคือต้องไม่ทำให้หัววัดเจาะทะลุพื้นผิวที่อ่อนนุ่มของตัวอย่าง ซึ่งจะนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการระบุจุดสัมผัสกับพื้นผิวและพื้นที่สัมผัส
เพื่อจุดประสงค์นี้ จำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของวัสดุเลียนแบบชีวภาพชนิดนุ่มพิเศษ (lehfilcon A CL) ข้อมูลเกี่ยวกับขนาดและโครงสร้างของแปรงพอลิเมอร์แบบกิ่งที่ได้จากวิธีการถ่ายภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการวิเคราะห์ลักษณะทางกลของพื้นผิวโดยใช้เทคนิคการเจาะนาโนแบบ AFM แทนที่จะใช้หัววัดคอลลอยด์ทรงกลมขนาดไมครอน เราเลือกใช้หัววัดซิลิคอนไนไตรด์ PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 140 นาโนเมตร ซึ่งออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการทำแผนที่เชิงปริมาณของคุณสมบัติเชิงกลของตัวอย่างทางชีวภาพ 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 เหตุผลในการใช้หัววัดที่ค่อนข้างคมเมื่อเทียบกับหัววัดคอลลอยด์ทั่วไปสามารถอธิบายได้จากลักษณะโครงสร้างของวัสดุ เมื่อเปรียบเทียบขนาดปลายหัววัด (~140 นาโนเมตร) กับแปรงโพลิเมอร์แบบกิ่งบนพื้นผิวของ CL lehfilcon A ดังแสดงในรูปที่ 3a พบว่าปลายหัววัดมีขนาดใหญ่พอที่จะสัมผัสกับโครงสร้างแปรงเหล่านี้ได้โดยตรง ซึ่งช่วยลดโอกาสที่ปลายหัววัดจะทะลุผ่านได้ เพื่ออธิบายประเด็นนี้ ในรูปที่ 4 คือภาพ STEM ของ lehfilcon A CL และปลายที่เว้าของหัววัด AFM (วาดตามมาตราส่วน)
แผนผังแสดงภาพ STEM ของ lehfilcon A CL และหัววัดรอยบุ๋ม ACM (วาดตามมาตราส่วน)
นอกจากนี้ ขนาดปลาย 140 นาโนเมตรมีขนาดเล็กเพียงพอที่จะหลีกเลี่ยงความเสี่ยงจากผลกระทบจากการอัดรีดเหนียวๆ ดังเช่นที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้สำหรับแปรงโพลิเมอร์ที่ผลิตโดยวิธีการนาโนอินเดนเทชัน CP-AFM69,71 เราสันนิษฐานว่าเนื่องจากรูปร่างกรวยทรงกลมพิเศษและขนาดที่ค่อนข้างเล็กของปลาย AFM นี้ (รูปที่ 1) ลักษณะของเส้นโค้งแรงที่เกิดจากนาโนอินเดนเทชันของเลห์ฟิลคอน ACL จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการกดหรือความเร็วในการโหลด/เอาออก ดังนั้น จึงไม่ได้รับผลกระทบจากผลกระทบแบบรูพรุน เพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ ตัวอย่างเลห์ฟิลคอน ACL ถูกกดด้วยแรงสูงสุดคงที่โดยใช้หัววัด PFQNM-LC-A-CAL แต่ด้วยความเร็วสองระดับที่แตกต่างกัน และกราฟแรงดึงและแรงดึงที่ได้ถูกนำมาใช้เพื่อพล็อตแรง (nN) ในการแยก (µm) ดังแสดงในรูปที่ 5a เป็นที่ชัดเจนว่าเส้นโค้งแรงระหว่างการรับน้ำหนักและการขนถ่ายทับซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ และไม่มีหลักฐานชัดเจนว่าแรงเฉือนที่ความลึกการเยื้องศูนย์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วการเยื้องในภาพ ซึ่งชี้ให้เห็นว่าองค์ประกอบแปรงแต่ละชิ้นถูกจำแนกลักษณะโดยไม่มีผลกระทบด้านความยืดหยุ่นแบบรูพรุน ในทางตรงกันข้าม ผลกระทบจากการกักเก็บของเหลว (ผลกระทบจากการอัดรีดแบบหนืดและผลกระทบด้านความยืดหยุ่นแบบรูพรุน) ปรากฏชัดเจนสำหรับหัววัด AFM เส้นผ่านศูนย์กลาง 45 ไมโครเมตรที่ความเร็วการเยื้องเท่ากัน และถูกเน้นย้ำด้วยฮิสเทอรีซิสระหว่างเส้นโค้งการยืดและการหดกลับ ดังแสดงในรูปที่ 5b ผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนสมมติฐานและชี้ให้เห็นว่าหัววัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการระบุลักษณะพื้นผิวที่อ่อนนุ่มดังกล่าว
กราฟแรงกดของรอยบุ๋ม lehfilcon A CL โดยใช้ ACM; (a) การใช้หัววัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการโหลดสองอัตรา แสดงให้เห็นถึงการไม่มีผลรูพรุนยืดหยุ่นระหว่างการกดที่พื้นผิว; (b) การใช้หัววัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 45 ไมโครเมตรและ 140 นาโนเมตร s แสดงผลของการอัดรีดหนืดและรูพรุนยืดหยุ่นสำหรับหัววัดขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับหัววัดขนาดเล็ก
เพื่อจำแนกลักษณะพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ วิธีการนาโนอินเดนเตชันของ AFM ต้องใช้หัววัดที่ดีที่สุดเพื่อศึกษาคุณสมบัติของวัสดุที่กำลังศึกษา นอกจากรูปร่างและขนาดของปลายแล้ว ความไวของระบบตรวจจับ AFM ความไวต่อการโก่งตัวของปลายในสภาพแวดล้อมการทดสอบ และความแข็งของคานยื่น ยังมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการวัดนาโนอินเดนเตชัน สำหรับระบบ AFM ของเรา ขีดจำกัดการตรวจจับของเครื่องตรวจจับความไวต่อตำแหน่ง (PSD) อยู่ที่ประมาณ 0.5 มิลลิโวลต์ โดยอ้างอิงจากอัตราสปริงที่ปรับเทียบไว้ล่วงหน้าและความไวต่อการโก่งตัวของไหลที่คำนวณได้ของหัววัด PFQNM-LC-A-CAL ซึ่งสอดคล้องกับความไวต่อแรงกดตามทฤษฎี มีค่าน้อยกว่า 0.1 pN ดังนั้น วิธีการนี้จึงช่วยให้สามารถวัดแรงกดขั้นต่ำ ≤ 0.1 pN โดยไม่มีสัญญาณรบกวนรอบข้าง อย่างไรก็ตาม แทบจะเป็นไปไม่ได้ที่ระบบ AFM จะสามารถลดสัญญาณรบกวนรอบข้างให้อยู่ในระดับนี้ได้เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การสั่นสะเทือนเชิงกลและพลศาสตร์ของไหล ปัจจัยเหล่านี้จำกัดความไวโดยรวมของวิธีการนาโนอินเดนเทชันของ AFM และยังส่งผลให้สัญญาณรบกวนพื้นหลังอยู่ที่ประมาณ ≤ 10 pN สำหรับการจำแนกลักษณะพื้นผิว ตัวอย่างวัสดุพิมพ์ lehfilcon A CL และ SiHy ถูกเยื้องภายใต้สภาวะไฮเดรตอย่างสมบูรณ์โดยใช้หัววัด 140 นาโนเมตรสำหรับการจำแนกลักษณะด้วยแสงเลเซอร์แบบ SEM และเส้นโค้งแรงที่ได้จะซ้อนทับระหว่างแรง (pN) และแรงกด กราฟการแยก (µm) แสดงในรูปที่ 6a เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุพิมพ์ฐาน SiHy เส้นโค้งแรงของ lehfilcon A CL แสดงให้เห็นเฟสการเปลี่ยนผ่านอย่างชัดเจน โดยเริ่มต้นที่จุดที่สัมผัสกับแปรงโพลิเมอร์แบบแยกแฉก และสิ้นสุดด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของจุดสัมผัสที่ทำเครื่องหมายความลาดชันของปลายแปรงกับวัสดุพื้นฐาน ส่วนการเปลี่ยนผ่านของเส้นโค้งแรงนี้เน้นให้เห็นถึงพฤติกรรมความยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของแปรงโพลิเมอร์แบบแยกแฉกบนพื้นผิว ดังจะเห็นได้จากเส้นโค้งแรงอัดที่อยู่ติดกับเส้นโค้งแรงดึง และความแตกต่างในคุณสมบัติเชิงกลระหว่างโครงสร้างแปรงและวัสดุ SiHy ขนาดใหญ่ เมื่อเปรียบเทียบกับ lefilcon การแยกความยาวเฉลี่ยของแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งในภาพ STEM ของ PCS (รูปที่ 3a) และเส้นโค้งแรงตามแนวแกน x ในรูปที่ 3a รูปที่ 6a แสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถตรวจจับปลายและโพลีเมอร์แบบกิ่งที่ไปถึงด้านบนสุดของพื้นผิวได้ การสัมผัสระหว่างโครงสร้างแปรง นอกจากนี้ การเหลื่อมซ้อนกันของเส้นโค้งแรงยังบ่งชี้ว่าไม่มีผลในการกักเก็บของเหลว ในกรณีนี้ ไม่มีการยึดเกาะระหว่างเข็มและพื้นผิวของตัวอย่างเลย ส่วนบนสุดของเส้นโค้งแรงของตัวอย่างทั้งสองซ้อนทับกัน ซึ่งสะท้อนถึงความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุตั้งต้น
(a) เส้นโค้งแรงการเยื้องระดับนาโนของ AFM สำหรับซับสเตรต Lehfilcon A CL และซับสเตรต SiHy (b) เส้นโค้งแรงที่แสดงการประมาณจุดสัมผัสโดยใช้วิธีเกณฑ์สัญญาณรบกวนพื้นหลัง
เพื่อศึกษารายละเอียดปลีกย่อยของเส้นโค้งแรง กราฟแรงดึงของตัวอย่าง Lehfilcon A CL ถูกพล็อตใหม่ในรูปที่ 6b โดยมีแรงสูงสุด 50 pN ตามแนวแกน y กราฟนี้ให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนพื้นหลังเดิม สัญญาณรบกวนอยู่ในช่วง ±10 pN ซึ่งใช้ในการกำหนดจุดสัมผัสและคำนวณความลึกของการเยื้องอย่างแม่นยำ ดังที่รายงานในเอกสาร การระบุจุดสัมผัสเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ เช่น โมดูลัส85 อย่างแม่นยำ แนวทางที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลข้อมูลเส้นโค้งแรงอัตโนมัติแสดงให้เห็นถึงความพอดีที่ดีขึ้นระหว่างการปรับข้อมูลและการวัดเชิงปริมาณสำหรับวัสดุอ่อน86 ในงานวิจัยนี้ การเลือกจุดสัมผัสของเราค่อนข้างง่ายและเป็นกลาง แต่ก็มีข้อจำกัด แนวทางแบบอนุรักษ์นิยมของเราในการกำหนดจุดสัมผัสอาจทำให้ค่าโมดูลัสที่ประเมินสูงเกินไปเล็กน้อยสำหรับความลึกของการเยื้องที่น้อยกว่า (< 100 นาโนเมตร) การใช้การตรวจจับจุดสัมผัสโดยใช้อัลกอริทึมและการประมวลผลข้อมูลอัตโนมัติอาจเป็นผลงานต่อเนื่องของงานวิจัยนี้ในอนาคตเพื่อปรับปรุงวิธีการของเราให้ดียิ่งขึ้น ดังนั้น สำหรับสัญญาณรบกวนพื้นหลังที่แท้จริงในระดับ ±10 pN เราจึงกำหนดจุดสัมผัสเป็นจุดข้อมูลแรกบนแกน x ในรูปที่ 6b โดยมีค่า ≥10 pN จากนั้น ตามเกณฑ์สัญญาณรบกวนที่ 10 pN เส้นแนวตั้งที่ระดับ ~0.27 µm จะทำเครื่องหมายจุดที่สัมผัสกับพื้นผิว หลังจากนั้นเส้นโค้งการยืดจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งพื้นผิวมีความลึกของการเยื้อง ~270 นาโนเมตร ที่น่าสนใจคือ จากขนาดของลักษณะแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่ง (300–400 นาโนเมตร) ที่วัดโดยใช้วิธีการถ่ายภาพ ความลึกของการเยื้องของตัวอย่าง CL lehfilcon A ที่สังเกตได้โดยใช้เกณฑ์สัญญาณรบกวนพื้นหลังอยู่ที่ประมาณ 270 นาโนเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับขนาดที่วัดด้วย STEM มาก ผลลัพธ์เหล่านี้ยิ่งยืนยันถึงความเข้ากันได้และความสามารถในการใช้งานของรูปร่างและขนาดของปลายหัววัด AFM สำหรับการกดลงบนโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์กิ่งก้านที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นสูงนี้ ข้อมูลนี้ยังเป็นหลักฐานสำคัญที่สนับสนุนวิธีการของเราในการใช้สัญญาณรบกวนพื้นหลังเป็นเกณฑ์ในการระบุจุดสัมผัส ดังนั้น ผลเชิงปริมาณใดๆ ที่ได้จากการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการปรับเส้นโค้งแรงจึงน่าจะมีความแม่นยำค่อนข้างมาก
การวัดเชิงปริมาณโดยวิธีการนาโนอินเดนเทชันของ AFM ขึ้นอยู่กับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ในการเลือกข้อมูลและการวิเคราะห์ในภายหลัง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาปัจจัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเลือกหัววัด คุณสมบัติของวัสดุ และกลไกของปฏิกิริยาระหว่างกันก่อนเลือกแบบจำลองเฉพาะ ในกรณีนี้ รูปทรงของปลายหัววัดได้รับการระบุอย่างละเอียดโดยใช้ภาพจุลภาค SEM (รูปที่ 1) และจากผลการทดสอบ หัววัดนาโนอินเดนเทชันของ AFM เส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตร ที่มีรูปทรงกรวยแข็งและรูปทรงปลายหัววัดทรงกลมเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการระบุลักษณะของตัวอย่าง Lehfilcon A CL79 อีกปัจจัยสำคัญที่ต้องประเมินอย่างรอบคอบคือความยืดหยุ่นของวัสดุพอลิเมอร์ที่กำลังทดสอบ แม้ว่าข้อมูลเบื้องต้นของนาโนอินเดนเทชัน (รูปที่ 5a และ 6a) จะระบุลักษณะการเหลื่อมซ้อนกันของเส้นโค้งแรงดึงและแรงอัดอย่างชัดเจน นั่นคือการคืนตัวแบบยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ของวัสดุ แต่การยืนยันลักษณะความยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของหน้าสัมผัสก็เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อจุดประสงค์นี้ จึงได้ทำการกดรอยบุ๋มสองครั้งติดต่อกันที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL ด้วยอัตราการกดรอยบุ๋ม 1 ไมโครเมตรต่อวินาที ภายใต้สภาวะไฮเดรชันเต็มที่ ข้อมูลกราฟแรงที่ได้แสดงในรูปที่ 7 และตามที่คาดไว้ กราฟการขยายตัวและการบีบอัดของรอยบุ๋มทั้งสองนั้นเกือบจะเหมือนกัน ซึ่งเน้นย้ำถึงความยืดหยุ่นสูงของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์แบบกิ่งก้าน
เส้นโค้งแรงกดสองเส้นที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของ Lehfilcon A CL บ่งบอกถึงความยืดหยุ่นในอุดมคติของพื้นผิวเลนส์
จากข้อมูลที่ได้จากภาพ SEM และ STEM ของปลายหัววัดและพื้นผิว lehfilcon A CL ตามลำดับ แบบจำลองกรวยทรงกลมจึงเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สมเหตุสมผลของปฏิสัมพันธ์ระหว่างปลายหัววัด AFM และวัสดุพอลิเมอร์อ่อนที่กำลังทดสอบ นอกจากนี้ สำหรับแบบจำลองกรวยทรงกลมนี้ สมมติฐานพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติความยืดหยุ่นของวัสดุพิมพ์ยังคงเป็นจริงสำหรับวัสดุเลียนแบบชีวภาพชนิดใหม่นี้ และถูกนำมาใช้เพื่อประเมินค่าโมดูลัสความยืดหยุ่น
หลังจากการประเมินอย่างละเอียดเกี่ยวกับวิธีการนาโนอินเดนเทชันของ AFM และส่วนประกอบต่างๆ ซึ่งรวมถึงคุณสมบัติของหัววัดการกด (รูปร่าง ขนาด และความแข็งของสปริง) ความไว (การประมาณค่าสัญญาณรบกวนพื้นหลังและจุดสัมผัส) และแบบจำลองการปรับข้อมูล (การวัดโมดูลัสเชิงปริมาณ) จึงได้ใช้วิธีนี้ เพื่อระบุลักษณะของตัวอย่างอัลตร้าซอฟต์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพื่อยืนยันผลเชิงปริมาณ ไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) เชิงพาณิชย์ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่น 1 กิโลปาสคาล ได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะไฮเดรตโดยใช้หัววัดขนาด 140 นาโนเมตร รายละเอียดการทดสอบโมดูลและการคำนวณแสดงอยู่ในข้อมูลเสริม ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าโมดูลัสเฉลี่ยที่วัดได้คือ 0.92 กิโลปาสคาล และค่าเบี่ยงเบน %RSD และเปอร์เซ็นต์ (%) จากโมดูลัสที่ทราบมีค่าน้อยกว่า 10% ผลการทดสอบเหล่านี้ยืนยันความถูกต้องและความสามารถในการทำซ้ำของวิธีการนาโนอินเดนเทชันของ AFM ที่ใช้ในงานวิจัยนี้เพื่อวัดโมดูลัสของวัสดุอัลตร้าซอฟต์ พื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL และสารตั้งต้น SiHy ได้รับการระบุลักษณะเพิ่มเติมโดยใช้วิธีการนาโนอินเดนเทชัน AFM แบบเดียวกัน เพื่อศึกษาโมดูลัสสัมผัสปรากฏของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ โดยพิจารณาจากความลึกของการกด เส้นโค้งการแยกแรงกดถูกสร้างขึ้นสำหรับตัวอย่างสามชิ้นของแต่ละประเภท (n = 3; หนึ่งการกดต่อตัวอย่างหนึ่งชิ้น) ที่แรง 300 pN ความเร็ว 1 µm/s และสภาวะไฮเดรชันเต็มที่ เส้นโค้งการแบ่งปันแรงกดถูกประมาณโดยใช้แบบจำลองกรวย-ทรงกลม เพื่อให้ได้โมดูลัสที่ขึ้นอยู่กับความลึกของการกด เส้นโค้งแรงกว้าง 40 นาโนเมตรถูกตั้งค่าที่แต่ละส่วนเพิ่มขึ้น 20 นาโนเมตร โดยเริ่มจากจุดที่สัมผัส และวัดค่าโมดูลัสในแต่ละขั้นของเส้นโค้งแรง Spin Cy และคณะ มีการใช้วิธีการที่คล้ายกันนี้เพื่อระบุลักษณะความชันของโมดูลัสของแปรงโพลิเมอร์โพลี(ลอริลเมทาคริเลต) (P12MA) โดยใช้การกดนาโนแบบโพรบ AFM แบบคอลลอยด์ และสอดคล้องกับข้อมูลที่ใช้แบบจำลองการสัมผัสของเฮิรตซ์ วิธีการนี้แสดงกราฟของโมดูลัสการสัมผัสปรากฏ (kPa) เทียบกับความลึกของการกด (nm) ดังแสดงในรูปที่ 8 ซึ่งแสดงโมดูลัสการสัมผัสปรากฏ/ความชันของความลึก โมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณได้ของตัวอย่าง CL lehfilcon A อยู่ในช่วง 2–3 kPa ภายใน 100 นาโนเมตรบนสุดของตัวอย่าง ซึ่งหลังจากนั้นจะเริ่มเพิ่มขึ้นตามความลึก ในทางกลับกัน เมื่อทดสอบพื้นผิวฐาน SiHy โดยไม่มีฟิล์มคล้ายแปรงบนพื้นผิว ความลึกของการกดสูงสุดที่กระทำด้วยแรง 300 pN น้อยกว่า 50 นาโนเมตร และค่าโมดูลัสที่ได้จากข้อมูลอยู่ที่ประมาณ 400 kPa ซึ่งเทียบเท่ากับค่าโมดูลัสของยังสำหรับวัสดุจำนวนมาก
โมดูลัสของการสัมผัสที่ชัดเจน (kPa) เทียบกับความลึกของการเยื้อง (nm) สำหรับสารตั้งต้น lehfilcon A CL และ SiHy โดยใช้วิธีการเยื้องระดับนาโนของ AFM ที่มีรูปทรงเรขาคณิตแบบกรวย-ทรงกลมเพื่อวัดโมดูลัส
พื้นผิวด้านบนสุดของโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์กิ่งก้านเลียนแบบชีวภาพแบบใหม่นี้มีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมาก (2–3 kPa) ซึ่งตรงกับปลายที่แขวนอิสระของแปรงโพลีเมอร์กิ่งก้านดังที่แสดงในภาพ STEM แม้ว่าจะมีหลักฐานบางอย่างที่แสดงถึงความชันของโมดูลัสที่ขอบด้านนอกของ CL แต่พื้นผิวหลักที่มีโมดูลัสสูงมีอิทธิพลมากกว่า อย่างไรก็ตาม 100 นาโนเมตรด้านบนของพื้นผิวอยู่ภายใน 20% ของความยาวทั้งหมดของแปรงโพลีเมอร์กิ่งก้าน ดังนั้นจึงสมเหตุสมผลที่จะสันนิษฐานว่าค่าโมดูลัสที่วัดได้ในช่วงความลึกของการเยื้องนี้ค่อนข้างแม่นยำและไม่ได้ขึ้นอยู่กับผลกระทบของวัตถุด้านล่างมากนัก
เนื่องจากการออกแบบเลียนแบบชีวภาพอันเป็นเอกลักษณ์ของคอนแทคเลนส์ lehfilcon A ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์ PMPC แบบกิ่งที่ต่อเข้ากับพื้นผิวของวัสดุ SiHy ทำให้การระบุคุณสมบัติเชิงกลของโครงสร้างพื้นผิวของเลนส์ด้วยวิธีการวัดแบบดั้งเดิมนั้นทำได้ยากยิ่ง ในที่นี้ เราขอเสนอวิธีการวัดด้วยนาโน AFM ขั้นสูงสำหรับการระบุคุณสมบัติของวัสดุที่มีความอ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น lefilcon A ที่มีปริมาณน้ำสูงและความยืดหยุ่นสูงมาก วิธีการนี้ใช้หัววัด AFM ซึ่งขนาดและรูปทรงของปลายเลนส์ได้รับการเลือกสรรอย่างพิถีพิถันเพื่อให้ตรงกับขนาดโครงสร้างของพื้นผิวที่มีความอ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่ต้องการพิมพ์ การผสมผสานขนาดระหว่างหัววัดและโครงสร้างนี้ช่วยเพิ่มความไว ทำให้เราสามารถวัดค่าโมดูลัสต่ำและคุณสมบัติความยืดหยุ่นโดยธรรมชาติขององค์ประกอบแปรงโพลิเมอร์แบบกิ่งได้ โดยไม่คำนึงถึงผลกระทบจากรูพรุน ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าแปรงโพลิเมอร์ PMPC แบบกิ่งที่มีลักษณะเฉพาะของพื้นผิวเลนส์มีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมาก (สูงสุด 2 kPa) และมีความยืดหยุ่นสูงมาก (เกือบ 100%) เมื่อทดสอบในสภาพแวดล้อมที่มีน้ำ ผลลัพธ์ของการวัดระดับนาโนด้วย AFM ยังช่วยให้เราสามารถระบุโมดูลัสสัมผัส/ความต่างของความลึก (30 kPa/200 นาโนเมตร) ที่ปรากฏบนพื้นผิวเลนส์เลียนแบบชีวภาพ ความต่างนี้อาจเกิดจากความแตกต่างของโมดูลัสระหว่างแปรงโพลิเมอร์แบบกิ่งกับพื้นผิว SiHy หรือโครงสร้าง/ความหนาแน่นแบบกิ่งของแปรงโพลิเมอร์ หรือปัจจัยหลายอย่างร่วมกัน อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงลึกเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบของการกิ่งของแปรงต่อคุณสมบัติเชิงกล การวัดที่คล้ายคลึงกันนี้สามารถช่วยระบุคุณสมบัติเชิงกลของพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษอื่นๆ และอุปกรณ์ทางการแพทย์ได้
ชุดข้อมูลที่สร้างและ/หรือวิเคราะห์ในระหว่างการศึกษาปัจจุบันสามารถขอรับได้จากผู้เขียนแต่ละคนตามคำขอที่สมเหตุสมผล
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. และ Haugen, HJ ปฏิกิริยาทางชีวภาพต่อคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพื้นผิวของวัสดุชีวภาพ Chemical. society. ฉบับที่ 49, 5178–5224 (2020)
Chen, FM และ Liu, X. การปรับปรุงวัสดุชีวภาพที่มาจากมนุษย์สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ การเขียนโปรแกรม พอลิเมอร์ วิทยาศาสตร์ 53, 86 (2016)
Sadtler, K. และคณะ การออกแบบ การนำไปใช้ทางคลินิก และการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของชีววัสดุในเวชศาสตร์ฟื้นฟู National Matt Rev. 1, 16040 (2016)
Oliver WK และ Farr GM วิธีการที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับการกำหนดความแข็งและโมดูลัสยืดหยุ่นโดยใช้การทดลองการเยื้องพร้อมการวัดภาระและการเคลื่อนที่ J. Alma mater. ถังเก็บ 7, 1564–1583 (2011)
Wally, SM ต้นกำเนิดทางประวัติศาสตร์ของการทดสอบความแข็งของการเยื้อง สถาบันอัลมา วิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี 28, 1028–1044 (2012)
Broitman, E. การวัดความแข็งของรอยบุ๋มในระดับมหภาค จุลภาค และนาโน: การทบทวนเชิงวิพากษ์ เผ่า ไรท์ 65, 1–18 (2017)
Kaufman, JD และ Clapperich, SM ข้อผิดพลาดในการตรวจจับพื้นผิวนำไปสู่การประเมินค่าโมดูลัสเกินจริงในการเยื้องระดับนาโนของวัสดุอ่อน J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR และ Yahya M.Yu. การประเมินวิธีการนาโนอินเดนเทชันเพื่อหาลักษณะเชิงกลของนาโนคอมโพสิตแบบต่างชนิดโดยใช้วิธีการทดลองและการคำนวณ วิทยาศาสตร์. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR และ Owart, TS การวิเคราะห์ลักษณะเชิงกลของเจลหนืดยืดหยุ่นแบบนิ่มโดยการวิเคราะห์แบบ indentation และแบบ finite element ผกผันตามการหาค่าเหมาะสมที่สุด J. Mecha. Behavior. Biomedical Science. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J และ Chaneler D. การหาค่าเหมาะสมที่สุดของการหาค่าความหนืดและความยืดหยุ่นโดยใช้ระบบการวัดที่เข้ากันได้ Soft Matter 9, 5581–5593 (2013)
Briscoe, BJ, Fiori, L. และ Pellillo, E. การเยื้องระดับนาโนของพื้นผิวโพลีเมอร์ J. ฟิสิกส์ D. ประยุกต์ใช้สำหรับฟิสิกส์ 31, 2395 (1998)
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. และ Van Vliet KJ การศึกษาสมบัติเชิงกลของพอลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและเนื้อเยื่อชีวภาพโดยใช้การกระแทกแบบ Shock Indentation วารสาร Biomaterials 71, 388–397 (2018)
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM การประเมินโมดูลัสยืดหยุ่นและงานการยึดเกาะของวัสดุอ่อนโดยใช้ Borodich-Galanov (BG) ขยายวิธีและการเยื้องลึก fur. alma mater. 129, 198–213 (2019)
Shi, X. และคณะ สัณฐานวิทยาระดับนาโนและคุณสมบัติเชิงกลของพื้นผิวพอลิเมอร์เลียนแบบชีวภาพของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจล Langmuir 37, 13961–13967 (2021)