Nature.com saytiga tashrif buyurganingiz uchun tashakkur. Siz cheklangan CSS qo'llab-quvvatlashiga ega brauzer versiyasidan foydalanmoqdasiz. Eng yaxshi tajriba uchun sizga yangilangan brauzerdan foydalanishingizni tavsiya qilamiz (yoki Internet Explorer-da moslik rejimini o'chirib qo'ying). Bundan tashqari, doimiy qo'llab-quvvatlashni ta'minlash uchun biz saytni uslublarsiz va JavaScriptsiz ko'rsatamiz.
Bir vaqtning o'zida uchta slayddan iborat karuselini ko'rsatadi. Bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun "Oldingi" va "Keyingi" tugmalaridan foydalaning yoki bir vaqtning o'zida uchta slayd bo'ylab harakatlanish uchun oxiridagi slayder tugmalaridan foydalaning.
Tibbiy asboblar va biotibbiyot qo'llanmalari uchun yangi ultra yumshoq materiallarning rivojlanishi bilan ularning fizik va mexanik xususiyatlarini har tomonlama tavsiflash ham muhim, ham qiyin vazifadir. Tarmoqlangan polimer cho'tka tuzilmalari qatlami bilan qoplangan yangi lehfilcon A biomimetik silikon gidrogel kontakt linzasining juda past sirt modulini tavsiflash uchun modifikatsiyalangan atom kuch mikroskopiyasi (AFM) nanoindentatsiya texnikasi qo'llanildi. Bu usul tarmoqlangan polimerlarga yaqinlashganda yopishqoq ekstruziya ta'sirisiz aloqa nuqtalarini aniq aniqlash imkonini beradi. Bundan tashqari, bu g'ovak elastiklik ta'sirisiz alohida cho'tka elementlarining mexanik xususiyatlarini aniqlash imkonini beradi. Bunga yumshoq materiallar va biologik namunalarning xususiyatlarini o'lchash uchun ayniqsa mos bo'lgan dizaynga (uch o'lchami, geometriyasi va prujina tezligi) ega AFM zondini tanlash orqali erishiladi. Bu usul sirt maydonida juda past elastiklik moduliga (2 kPa gacha) va ichki (deyarli 100%) suvli muhitda juda yuqori elastiklikka ega bo'lgan juda yumshoq material lehfilcon A ni aniq o'lchash uchun sezgirlik va aniqlikni oshiradi. Sirtni o'rganish natijalari nafaqat lehfilcon A linzasining ultra yumshoq sirt xususiyatlarini ochib berdi, balki tarmoqlangan polimer cho'tkalarining moduli kremniy-vodorod substratining moduli bilan taqqoslanishini ham ko'rsatdi. Ushbu sirtni tavsiflash texnikasi boshqa ultra yumshoq materiallar va tibbiy asboblarga ham qo'llanilishi mumkin.
Tirik to'qima bilan bevosita aloqa qilish uchun mo'ljallangan materiallarning mexanik xususiyatlari ko'pincha biologik muhit tomonidan belgilanadi. Ushbu material xususiyatlarining mukammal mos kelishi materialning kerakli klinik xususiyatlariga salbiy hujayra reaktsiyalarini keltirib chiqarmasdan erishishga yordam beradi1,2,3. Ommaviy bir xil materiallar uchun standart protseduralar va sinov usullarining mavjudligi (masalan, mikroindentatsiya4,5,6) tufayli mexanik xususiyatlarni tavsiflash nisbatan oson. Biroq, gellar, gidrogellar, biopolimerlar, tirik hujayralar va boshqalar kabi o'ta yumshoq materiallar uchun bu sinov usullari odatda o'lchov aniqligi cheklovlari va ba'zi materiallarning bir xil emasligi tufayli qo'llanilmaydi7. Yillar davomida an'anaviy indentatsiya usullari keng turdagi yumshoq materiallarni tavsiflash uchun o'zgartirildi va moslashtirildi, ammo ko'plab usullar hali ham ulardan foydalanishni cheklaydigan jiddiy kamchiliklarga ega8,9,10,11,12,13. Super yumshoq materiallar va sirt qatlamlarining mexanik xususiyatlarini aniq va ishonchli tavsiflay oladigan ixtisoslashtirilgan sinov usullarining yo'qligi ularning turli xil qo'llanmalarda qo'llanilishini jiddiy ravishda cheklaydi.
Avvalgi ishimizda biz ko'z shox pardasi yuzasidan ilhomlangan potentsial biomimetik dizaynlardan olingan barcha ultra yumshoq sirt xususiyatlariga ega yumshoq heterojen material bo'lgan lehfilcon A (CL) kontakt linzasini taqdim etdik. Ushbu biomaterial tibbiy asboblar uchun mo'ljallangan silikon gidrogelga (SiHy) 15 poli(2-metakrilloiloksietilfosforilxolin (MPC)) (PMPC) ning tarmoqlangan, o'zaro bog'langan polimer qatlamini payvandlash orqali ishlab chiqilgan. Ushbu payvandlash jarayoni sirtda juda yumshoq va yuqori elastik tarmoqlangan polimer cho'tka tuzilishidan iborat qatlam hosil qiladi. Avvalgi ishimiz lehfilcon A CL ning biomimetik tuzilishi namlanish va ifloslanishning oldini olishni yaxshilash, moylashning ortishi va hujayra va bakteriyalarning yopishishini kamaytirish kabi yuqori sirt xususiyatlarini ta'minlashini tasdiqladi15,16. Bundan tashqari, ushbu biomimetik materialdan foydalanish va uni ishlab chiqish boshqa biotibbiyot asboblariga ham kengayishni taklif qiladi15,16. Shuning uchun, kelajakdagi ishlanmalar va qo'llanmalarni qo'llab-quvvatlash uchun keng qamrovli bilim bazasini yaratish maqsadida ushbu ultra yumshoq materialning sirt xususiyatlarini tavsiflash va uning ko'z bilan mexanik o'zaro ta'sirini tushunish juda muhimdir. Tijoratda mavjud bo'lgan SiHy kontakt linzalarining aksariyati bir xil material tuzilishini hosil qiluvchi gidrofil va gidrofob polimerlarning bir hil aralashmasidan iborat17. An'anaviy siqish, cho'zish va mikroindentatsiya sinov usullari yordamida ularning mexanik xususiyatlarini o'rganish uchun bir nechta tadqiqotlar o'tkazildi18,19,20,21. Biroq, lehfilcon A CL ning yangi biomimetik dizayni uni noyob heterojen materialga aylantiradi, unda tarmoqlangan polimer cho'tka tuzilmalarining mexanik xususiyatlari SiHy asos substratining mexanik xususiyatlaridan sezilarli darajada farq qiladi. Shuning uchun, bu xususiyatlarni an'anaviy va indentatsiya usullari yordamida aniq miqdoriy aniqlash juda qiyin. Istiqbolli usul biologik hujayralar va to'qimalar kabi yumshoq viskoelastik materiallarning, shuningdek, yumshoq polimerlarning mexanik xususiyatlarini aniqlash uchun qo'llanilgan atom kuch mikroskopiyasida (AFM) qo'llaniladigan nanoindentatsiya sinov usulidan foydalanadi22,23,24,25. ,26,27,28,29,30. AFM nanoindentatsiyasida nanoindentatsiya sinovining asoslari AFM texnologiyasidagi eng so'nggi yutuqlar bilan birlashtirilib, o'lchov sezgirligini oshirish va turli xil tabiiy superyumshoq materiallarni sinashni ta'minlaydi31,32,33,34,35,36. Bundan tashqari, texnologiya turli geometriyalardan, indenter va zonddan foydalanish va turli suyuq muhitlarda sinov o'tkazish imkoniyati orqali boshqa muhim afzalliklarni ham taqdim etadi.
AFM nanoindentatsiyasini shartli ravishda uchta asosiy komponentga bo'lish mumkin: (1) uskunalar (sensorlar, detektorlar, zondlar va boshqalar); (2) o'lchov parametrlari (masalan, kuch, siljish, tezlik, rampa o'lchami va boshqalar); (3) Ma'lumotlarni qayta ishlash (boshlang'ich tuzatish, teginish nuqtasini baholash, ma'lumotlarni moslashtirish, modellashtirish va boshqalar). Ushbu usulning muhim muammosi shundaki, adabiyotda AFM nanoindentatsiyasidan foydalangan holda o'tkazilgan bir nechta tadqiqotlar bir xil namuna/hujayra/material turi uchun juda farqli miqdoriy natijalarni ko'rsatadi37,38,39,40,41. Masalan, Lekka va boshqalar. Mexanik jihatdan bir xil gidrogel va heterojen hujayralar namunalarining o'lchangan Yung moduliga AFM zond geometriyasining ta'siri o'rganildi va taqqoslandi. Ular modul qiymatlari konsol tanlovi va uchi shakliga juda bog'liq ekanligini, piramida shaklidagi zond uchun eng yuqori qiymat va sharsimon zond uchun eng past qiymat 42 ekanligini xabar qilishadi. Xuddi shunday, Selhuber-Unkel va boshqalar. Poliakrilamid (PAAM) namunalarining indenter tezligi, indenter o'lchami va qalinligi ACM43 nanoindentatsiyasi bilan o'lchanadigan Yang moduliga qanday ta'sir qilishi ko'rsatildi. Yana bir murakkablashtiruvchi omil - bu standart juda past modulli sinov materiallari va bepul sinov protseduralarining yo'qligi. Bu aniq natijalarni ishonch bilan olishni juda qiyinlashtiradi. Biroq, bu usul o'xshash namunalar turlari o'rtasida nisbiy o'lchovlar va qiyosiy baholashlar uchun juda foydali, masalan, normal hujayralarni saraton hujayralaridan ajratish uchun AFM nanoindentatsiyasidan foydalanish 44, 45.
Yumshoq materiallarni AFM nanoindentatsiyasi bilan sinovdan o'tkazishda, umumiy qoida namunaviy modulga yaqin bo'lgan past prujina doimiysi (k) va yarim sharsimon/yumaloq uchli zonddan foydalanishdir, shunda birinchi zond yumshoq materiallar bilan birinchi aloqada namunaviy sirtlarni teshib o'tmaydi. Shuningdek, zond tomonidan hosil qilingan burilish signali lazer detektor tizimi tomonidan aniqlanadigan darajada kuchli bo'lishi muhimdir24,34,46,47. Ultra yumshoq heterojen hujayralar, to'qimalar va gellar holatida, yana bir qiyinchilik - takrorlanadigan va ishonchli o'lchovlarni ta'minlash uchun zond va namunaviy sirt orasidagi yopishqoqlikni yengib o'tish48,49,50. Yaqin vaqtgacha AFM nanoindentatsiyasi bo'yicha ishlarning aksariyati nisbatan katta sharsimon zondlar, odatda kolloid zondlar (CP) deb ataladiganlar yordamida biologik hujayralar, to'qimalar, gellar, gidrogellar va biomolekulalarning mexanik xatti-harakatlarini o'rganishga qaratilgan edi. , 47, 51, 52, 53, 54, 55. Bu uchlar radiusi 1 dan 50 µm gacha va odatda borosilikat shishasi, polimetil metakrilat (PMMA), polistirol (PS), kremniy dioksidi (SiO2) va olmosga o'xshash ugleroddan (DLC) tayyorlanadi. CP-AFM nanoindentatsiyasi ko'pincha yumshoq namunalarni tavsiflash uchun birinchi tanlov bo'lsa-da, uning o'ziga xos muammolari va cheklovlari mavjud. Katta, mikron o'lchamdagi sharsimon uchlardan foydalanish uchning namuna bilan umumiy aloqa maydonini oshiradi va fazoviy aniqlikning sezilarli darajada yo'qolishiga olib keladi. Mahalliy elementlarning mexanik xususiyatlari kengroq maydon bo'yicha o'rtacha ko'rsatkichdan sezilarli darajada farq qilishi mumkin bo'lgan yumshoq, bir xil bo'lmagan namunalar uchun CP indentatsiyasi mahalliy miqyosdagi xususiyatlardagi har qanday bir xillikni yashirishi mumkin52. Kolloid zondlar odatda mikron o'lchamdagi kolloid sharlarni epoksi yopishtiruvchi vositalar yordamida uchsiz konsollarga biriktirish orqali tayyorlanadi. Ishlab chiqarish jarayonining o'zi ko'plab muammolarga duch keladi va zondni kalibrlash jarayonida nomuvofiqliklarga olib kelishi mumkin. Bundan tashqari, kolloid zarrachalarning hajmi va massasi konsolning asosiy kalibrlash parametrlariga, masalan, rezonans chastotasi, prujinaning qattiqligi va burilish sezgirligiga bevosita ta'sir qiladi56,57,58. Shunday qilib, an'anaviy AFM zondlari uchun keng qo'llaniladigan usullar, masalan, haroratni kalibrlash, CP uchun aniq kalibrlashni ta'minlamasligi mumkin va bu tuzatishlarni amalga oshirish uchun boshqa usullar talab qilinishi mumkin57, 59, 60, 61. Odatda CP indentatsiya tajribalari yumshoq namunalarning xususiyatlarini o'rganish uchun katta og'ishlardan foydalanadi, bu esa nisbatan katta og'ishlarda konsolning chiziqli bo'lmagan xatti-harakatlarini kalibrlashda yana bir muammo tug'diradi62,63,64. Zamonaviy kolloid zond indentatsiya usullari odatda zondni kalibrlash uchun ishlatiladigan konsolning geometriyasini hisobga oladi, lekin kolloid zarrachalarning ta'sirini e'tiborsiz qoldiradi, bu usulning aniqligida qo'shimcha noaniqlik yaratadi38,61. Xuddi shunday, kontakt modelini moslashtirish orqali hisoblangan elastik modullar to'g'ridan-to'g'ri chuqurchaga o'rnatilgan zondning geometriyasiga bog'liq va uchi va namunaviy sirt xususiyatlari o'rtasidagi nomuvofiqlik noaniqliklarga olib kelishi mumkin27, 65, 66, 67, 68. Spenser va boshqalarning so'nggi ishlari. CP-AFM nanoindentatsiya usuli yordamida yumshoq polimer cho'tkalarini tavsiflashda e'tiborga olish kerak bo'lgan omillar ta'kidlangan. Ular polimer cho'tkalarida tezlikka bog'liq ravishda yopishqoq suyuqlikning saqlanishi bosh yuklanishining oshishiga va shuning uchun tezlikka bog'liq xususiyatlarning turli o'lchovlariga olib kelishini xabar qilishdi30,69,70,71.
Ushbu tadqiqotda biz modifikatsiyalangan AFM nanoindentatsiya usuli yordamida ultra yumshoq yuqori elastik lehfilcon A CL materialining sirt modulini tavsifladik. Ushbu materialning xususiyatlari va yangi tuzilishini hisobga olgan holda, an'anaviy chuqurchaga solish usulining sezgirlik diapazoni ushbu o'ta yumshoq materialning modulini tavsiflash uchun yetarli emasligi aniq, shuning uchun yuqori sezgirlik va past sezgirlik darajasiga ega AFM nanoindentatsiya usulidan foydalanish kerak. Mavjud kolloid AFM zondining nanoindentatsiya texnikasining kamchiliklari va muammolarini ko'rib chiqqandan so'ng, biz nima uchun sezgirlik, fon shovqini, aniq aloqa nuqtasi, suyuqlikni ushlab turishga bog'liqlik kabi yumshoq heterojen materiallarning tezlik modulini o'lchash va aniq miqdoriy aniqlashni yo'q qilish uchun kichikroq, maxsus ishlab chiqilgan AFM zondini tanlaganimizni ko'rsatamiz. Bundan tashqari, biz chuqurchaga solish uchining shakli va o'lchamlarini aniq o'lchashga muvaffaq bo'ldik, bu bizga uchining material bilan aloqa maydonini baholamasdan elastiklik modulini aniqlash uchun konus-sfera moslashuv modelidan foydalanish imkonini berdi. Ushbu ishda miqdoriy jihatdan aniqlangan ikkita yashirin taxmin to'liq elastik material xususiyatlari va chuqurchaga solish chuqurligiga bog'liq bo'lmagan moduldir. Ushbu usuldan foydalanib, biz avval usulni miqdoriy aniqlash uchun ma'lum modulga ega ultra yumshoq standartlarni sinovdan o'tkazdik, so'ngra ushbu usuldan ikki xil kontakt linzalari materiallarining sirtlarini tavsiflash uchun foydalandik. Yuqori sezgirlikka ega AFM nanoindentatsiya sirtlarini tavsiflashning ushbu usuli tibbiy asboblar va biotibbiy qo'llanmalarda qo'llanilishi mumkin bo'lgan biomimetik heterojen ultra yumshoq materiallarning keng doirasiga qo'llanilishi kutilmoqda.
Nanoindentatsiya tajribalari uchun Lehfilcon A kontakt linzalari (Alcon, Fort-Uert, Texas, AQSh) va ularning silikon gidrogel substratlari tanlandi. Tajribada maxsus ishlab chiqilgan linza o'rnatgichi ishlatilgan. Sinov uchun linzani o'rnatish uchun u ehtiyotkorlik bilan gumbazsimon stendga qo'yildi, ichkariga havo pufakchalari kirmasligiga ishonch hosil qilindi va keyin qirralari bilan mahkamlandi. Linza ushlagichining yuqori qismidagi armaturadagi teshik suyuqlikni joyida ushlab turgan holda nanoindentatsiya tajribalari uchun linzaning optik markaziga kirish imkonini beradi. Bu linzalarni to'liq namlangan holda saqlaydi. Sinov eritmasi sifatida 500 mkl kontakt linzalarini qadoqlash eritmasi ishlatilgan. Miqdoriy natijalarni tekshirish uchun tijoratda mavjud bo'lgan faollashtirilmagan poliakrilamid (PAAM) gidrogellari 1 kPa elastiklik moduli bo'lgan poliakrilamid-ko-metilen-bisakrilamid tarkibidan (100 mm Petrisoft Petri dishlari, Matrigen, Irvine, CA, AQSh) tayyorlandi. AFM gidrogel-zond interfeysiga 4-5 tomchi (taxminan 125 µl) fosfat tamponli fiziologik eritma (Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, AQShdan olingan PBS) va 1 tomchi OPTI-FREE Puremoist kontakt linzalari eritmasidan (Alcon, Vaud, TX, AQSh) foydalaning.
Lehfilcon A CL va SiHy substratlarining namunalari skanerlovchi uzatish elektron mikroskopi (STEM) detektori bilan jihozlangan FEI Quanta 250 dala emissiyasini skanerlovchi elektron mikroskopi (FEG SEM) tizimi yordamida vizualizatsiya qilindi. Namunalarni tayyorlash uchun linzalar avval suv bilan yuvildi va pirog shaklidagi bo'laklarga kesildi. Namunalarning gidrofil va gidrofob komponentlari o'rtasida differentsial kontrastga erishish uchun bo'yoq sifatida 0,10% stabilizatsiyalangan RuO4 eritmasi ishlatildi, unda namunalar 30 daqiqa davomida botirildi. Lehfilcon A CL RuO4 bo'yash nafaqat differentsial kontrastni yaxshilash uchun, balki tarmoqlangan polimer cho'tkalarining tuzilishini asl shaklida saqlab qolishga yordam beradi, ular keyinchalik STEM tasvirlarida ko'rinadi. Keyin ular etanol konsentratsiyasi ortib boradigan bir qator etanol/suv aralashmalarida yuvildi va suvsizlantirildi. Keyin namunalar 70°C da bir kechada qotib qolgan EMBed 812/Araldite epoksi bilan quyildi. Qatron polimerizatsiyasi orqali olingan namunaviy bloklar ultramikrotom bilan kesildi va natijada olingan yupqa kesmalar STEM detektori yordamida 30 kV tezlashtiruvchi kuchlanishda past vakuum rejimida vizualizatsiya qilindi. Xuddi shu SEM tizimi PFQNM-LC-A-CAL AFM zondining (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, AQSh) batafsil tavsifi uchun ishlatilgan. AFM zondining SEM tasvirlari odatiy yuqori vakuum rejimida 30 kV tezlashtiruvchi kuchlanish bilan olingan. AFM zondining uchi shakli va o'lchamining barcha tafsilotlarini yozib olish uchun turli burchaklar va kattalashtirishlarda tasvirlarni oling. Tasvirlardagi barcha qiziqish uyg'otadigan uch o'lchamlari raqamli ravishda o'lchandi.
Lehfilcon A CL, SiHy substrati va PAAm gidrogel namunalarini vizualizatsiya qilish va nanoindentatsiya qilish uchun Dimension FastScan Bio Icon atom kuch mikroskopi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, AQSh) “PeakForce QNM in Fluid” rejimida ishlatilgan. Tasvirlash tajribalari uchun namunaning yuqori aniqlikdagi tasvirlarini 0,50 Gts skanerlash tezligida olish uchun nominal uchi radiusi 1 nm bo'lgan PEAKFORCE-HIRS-FA zondi (Bruker) ishlatilgan. Barcha tasvirlar suvli eritmada olingan.
AFM nanoindentatsiya tajribalari PFQNM-LC-A-CAL zondi (Bruker) yordamida o'tkazildi. AFM zondining qalinligi 345 nm, uzunligi 54 µm va kengligi 4,5 µm, rezonans chastotasi 45 kHz bo'lgan nitridli konsol ustida kremniy uchi mavjud. U yumshoq biologik namunalarda miqdoriy nanomekanik o'lchovlarni tavsiflash va bajarish uchun maxsus ishlab chiqilgan. Sensorlar zavodda oldindan kalibrlangan prujina sozlamalari bilan alohida kalibrlanadi. Ushbu tadqiqotda ishlatilgan zondlarning prujina konstantalari 0,05–0,1 N/m oralig'ida edi. Uchining shakli va o'lchamini aniq aniqlash uchun zond SEM yordamida batafsil tavsiflandi. 1a-rasmda zond dizaynining yaxlit ko'rinishini taqdim etuvchi PFQNM-LC-A-CAL zondining yuqori aniqlikdagi, past kattalashtirishli skanerlash elektron mikrografi ko'rsatilgan. 1b-rasmda zond uchining yuqori qismining kattalashtirilgan ko'rinishi ko'rsatilgan bo'lib, u uchining shakli va o'lchami haqida ma'lumot beradi. Eng chekka qismida igna diametri taxminan 140 nm bo'lgan yarim shar shaklida bo'ladi (1c-rasm). Undan pastda uchi konussimon shaklga o'tadi va o'lchangan uzunligi taxminan 500 nm ga etadi. Konussimon mintaqadan tashqarida uchi silindrsimon shaklda bo'lib, umumiy uchi uzunligi 1,18 µm bilan tugaydi. Bu zond uchining asosiy funktsional qismidir. Bundan tashqari, kolloid zond sifatida sinov uchun uchi diametri 45 µm va prujina doimiysi 2 N/m bo'lgan katta sharsimon polistirol (PS) zond (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, AQSh) ham ishlatilgan. Taqqoslash uchun PFQNM-LC-A-CAL 140 nm zond ishlatilgan.
Nanoindentatsiya paytida AFM zondi va polimer cho'tka tuzilishi o'rtasida suyuqlik ushlanib qolishi mumkinligi haqida xabar berilgan, bu esa AFM zondiga sirtga tegmasdan oldin yuqoriga qarab kuch ta'sir qiladi69. Suyuqlikni ushlab turish natijasida yuzaga keladigan bu yopishqoq ekstruziya effekti ko'rinadigan aloqa nuqtasini o'zgartirishi va shu bilan sirt moduli o'lchovlariga ta'sir qilishi mumkin. Zond geometriyasi va chuqurlashish tezligining suyuqlikni ushlab turishga ta'sirini o'rganish uchun 1 µm/s va 2 µm/s doimiy siljish tezligida 140 nm diametrli zond yordamida lehfilcon A CL namunalari uchun chuqurlashish kuchi egri chiziqlari chizilgan. Zond diametri 45 µm, 1 µm/s da 6 nN sobit kuch sozlamalariga erishilgan. Diametri 140 nm bo'lgan zond bilan tajribalar 1 µm/s chuqurlashish tezligida va 300 pN o'rnatilgan kuchda o'tkazildi, bu yuqori ko'z qovog'ining fiziologik diapazonida (1–8 kPa) kontakt bosimini yaratish uchun tanlangan. bosim 72. 1 kPa bosimli PAA gidrogelining yumshoq tayyor namunalari diametri 140 nm bo'lgan zond yordamida 1 mkm/s tezlikda 50 pN chuqurlik kuchiga sinovdan o'tkazildi.
PFQNM-LC-A-CAL zondining uchining konussimon qismining uzunligi taxminan 500 nm bo'lganligi sababli, har qanday chuqurcha chuqurligi < 500 nm uchun chuqurchaga solish paytida zondning geometriyasi uning konus shakliga sodiq qoladi deb ishonch bilan taxmin qilish mumkin. Bundan tashqari, sinovdan o'tkazilayotgan materialning yuzasi qaytar elastik javobni namoyon qiladi deb taxmin qilinadi, bu keyingi bo'limlarda ham tasdiqlanadi. Shuning uchun, uchining shakli va o'lchamiga qarab, biz AFM nano-chuqurchaga solish tajribalarimizni (NanoScope) qayta ishlash uchun Briscoe, Sebastian va Adams tomonidan ishlab chiqilgan, sotuvchining dasturiy ta'minotida mavjud bo'lgan konus-sfera moslashtirish modelini tanladik. Ajratish ma'lumotlarini tahlil qilish dasturi, Bruker) 73. Model sferik uchi nuqsonli konus uchun F(δ) kuch-siqish munosabatini tasvirlaydi. 1-rasmda. 2-rasmda qattiq konusning sharsimon uchi bilan o'zaro ta'siri paytidagi kontakt geometriyasi ko'rsatilgan, bu yerda R sharsimon uchining radiusi, a kontakt radiusi, b sharsimon uchining uchidagi kontakt radiusi, δ kontakt radiusi. Chuqurlik chuqurligi, θ konusning yarim burchagi. Ushbu zondning SEM tasviri 140 nm diametrli sharsimon uchi konusga tangensial ravishda birlashishini aniq ko'rsatadi, shuning uchun bu yerda b faqat R orqali aniqlanadi, ya'ni b = R cos θ. Yetkazib beruvchi tomonidan taqdim etilgan dasturiy ta'minot kuch ajratish ma'lumotlaridan a > b deb faraz qilib, Yung moduli (E) qiymatlarini hisoblash uchun konus-sfera munosabatini taqdim etadi. Aloqa:
bu yerda F - ichkariga kirish kuchi, E - Yung moduli, ν - Puasson nisbati. Kontakt radiusi a ni quyidagicha hisoblash mumkin:
Tarmoqlangan polimer cho'tkalarning sirt qatlami bo'lgan Lefilcon kontakt linzalari materialiga bosilgan sharsimon uchli qattiq konusning kontakt geometriyasi sxemasi.
Agar a ≤ b bo'lsa, munosabat an'anaviy sferik indenter uchun tenglamaga kamayadi;
Bizning fikrimizcha, chuqurchaga o'rnatilgan zondning PMPC polimer cho'tkasining tarmoqlangan tuzilishi bilan o'zaro ta'siri a kontakt radiusining sferik kontakt radiusi b dan katta bo'lishiga olib keladi. Shuning uchun, ushbu tadqiqotda amalga oshirilgan elastiklik modulining barcha miqdoriy o'lchovlari uchun biz a > b holati uchun olingan bog'liqlikdan foydalandik.
Ushbu tadqiqotda o'rganilgan ultra yumshoq biomimetik materiallar namunaviy kesimning skanerlash transmissiya elektron mikroskopiyasi (STEM) va sirtning atom kuch mikroskopiyasi (AFM) yordamida har tomonlama tasvirlangan. Ushbu batafsil sirt tavsifi ilgari nashr etilgan ishimizning davomi sifatida amalga oshirildi, unda biz PMPC tomonidan modifikatsiyalangan lehfilcon A CL yuzasining dinamik ravishda tarmoqlangan polimer cho'tka tuzilishi mahalliy shox parda to'qimasiga o'xshash mexanik xususiyatlarga ega ekanligini aniqladik 14. Shu sababli, biz kontakt linzalari sirtlarini biomimetik materiallar deb ataymiz 14. 3a, b-rasmlarda mos ravishda lehfilcon A CL substrati va ishlov berilmagan SiHy substrati yuzasida tarmoqlangan PMPC polimer cho'tka tuzilmalarining kesimlari ko'rsatilgan. Ikkala namunaning sirtlari ham yuqori aniqlikdagi AFM tasvirlari yordamida qo'shimcha tahlil qilindi, bu esa STEM tahlili natijalarini yanada tasdiqladi (3c, d-rasm). Birgalikda olingan bu tasvirlar 300–400 nm da PMPC tarmoqlangan polimer cho'tkasi strukturasining taxminiy uzunligini beradi, bu esa AFM nanoindentatsiya o'lchovlarini talqin qilish uchun juda muhimdir. Tasvirlardan olingan yana bir muhim kuzatish shundaki, CL biomimetik materialining umumiy sirt tuzilishi SiHy substrat materialining umumiy sirt tuzilishidan morfologik jihatdan farq qiladi. Ularning sirt morfologiyasidagi bu farq ularning indentatsiya qiluvchi AFM zondi bilan mexanik o'zaro ta'siri paytida va keyinchalik o'lchangan modul qiymatlarida aniq ko'rinishi mumkin.
(a) lehfilcon A CL va (b) SiHy substratining kesimli STEM tasvirlari. Masshtabli novda, 500 nm. lehfilcon A CL substrati (c) va asos SiHy substrati (d) yuzasining AFM tasvirlari (3 µm × 3 µm).
Bioinspiratsiyalangan polimerlar va polimer cho'tkasi tuzilmalari tabiiy ravishda yumshoq bo'lib, turli biotibbiyot qo'llanmalarida keng o'rganilgan va qo'llanilgan74,75,76,77. Shuning uchun ularning mexanik xususiyatlarini aniq va ishonchli o'lchash imkonini beruvchi AFM nanoindentatsiya usulidan foydalanish muhimdir. Shu bilan birga, ushbu ultra yumshoq materiallarning o'ta past elastiklik moduli, yuqori suyuqlik miqdori va yuqori elastiklik kabi noyob xususiyatlari ko'pincha indentatsiya zondining to'g'ri materialini, shaklini va o'lchamini tanlashni qiyinlashtiradi. Bu indentator namunaning yumshoq yuzasini teshib o'tmasligi uchun muhimdir, bu esa sirt bilan aloqa nuqtasini va aloqa maydonini aniqlashda xatolarga olib keladi.
Buning uchun ultra yumshoq biomimetik materiallarning (lehfilcon A CL) morfologiyasini har tomonlama tushunish juda muhimdir. Tasvirlash usuli yordamida olingan tarmoqlangan polimer cho'tkalarining o'lchami va tuzilishi haqidagi ma'lumotlar AFM nanoindentatsiya texnikasidan foydalangan holda sirtni mexanik tavsiflash uchun asos yaratadi. Mikron o'lchamidagi sharsimon kolloid zondlar o'rniga biz biologik namunalarning mexanik xususiyatlarini miqdoriy xaritalash uchun maxsus ishlab chiqilgan, uchi diametri 140 nm bo'lgan PFQNM-LC-A-CAL kremniy nitrid zondini (Bruker) tanladik 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84 An'anaviy kolloid zondlarga nisbatan nisbatan o'tkir zondlardan foydalanishning asosini materialning strukturaviy xususiyatlari bilan izohlash mumkin. 3a-rasmda ko'rsatilgan CL lehfilcon A yuzasidagi tarmoqlangan polimer cho'tkalar bilan zond uchi o'lchamini (~140 nm) taqqoslab, uchi bu cho'tka tuzilmalari bilan to'g'ridan-to'g'ri aloqa qilish uchun etarlicha katta degan xulosaga kelish mumkin, bu esa uchining ulardan o'tib ketish ehtimolini kamaytiradi. Bu fikrni ko'rsatish uchun 4-rasmda lehfilcon A CL va AFM zondining chuqur uchining STEM tasviri keltirilgan (masshtabga chizilgan).
Lehfilcon A CL va ACM chuqurchaga ega zondining STEM tasvirini ko'rsatuvchi sxema (masshtab bo'yicha chizilgan).
Bundan tashqari, 140 nm uchi o'lchami CP-AFM nanoindentatsiya usuli bilan ishlab chiqarilgan polimer cho'tkalari uchun ilgari xabar qilingan yopishqoq ekstruziya effektlarining har qanday xavfini oldini olish uchun etarlicha kichik69,71. Biz ushbu AFM uchining maxsus konus-sferik shakli va nisbatan kichik o'lchami tufayli (1-rasm), lehfilcon A CL nanoindentatsiyasi tomonidan hosil qilingan kuch egri chizig'ining tabiati indentatsiya tezligiga yoki yuklash/tushirish tezligiga bog'liq bo'lmaydi deb taxmin qilamiz. Shuning uchun, unga poroelastik effektlar ta'sir qilmaydi. Ushbu gipotezani sinab ko'rish uchun lehfilcon A CL namunalari PFQNM-LC-A-CAL zondi yordamida belgilangan maksimal kuchda, lekin ikki xil tezlikda indentatsiya qilindi va natijada olingan cho'zilish va tortish kuchi egri chiziqlari 5a-rasmda ko'rsatilgan ajratishdagi kuchni (nN) (µm) grafiklash uchun ishlatilgan. Yuklash va tushirish paytida kuch egri chiziqlari to'liq bir-biriga mos kelishi aniq va rasmda nol chuqurlikdagi kuch siljishi chuqurlik tezligi bilan ortishi haqida aniq dalillar yo'q, bu esa alohida cho'tka elementlari g'ovak elastiklik effektisiz tavsiflanganligini ko'rsatadi. Aksincha, suyuqlikni ushlab turish effektlari (yopishqoq ekstruziya va g'ovak elastiklik effektlari) 45 µm diametrli AFM zondi uchun bir xil chuqurlik tezligida aniq ko'rinadi va 5b-rasmda ko'rsatilgandek, cho'zilish va tortish egri chiziqlari orasidagi gisterezis bilan ajralib turadi. Ushbu natijalar gipotezani qo'llab-quvvatlaydi va 140 nm diametrli zondlar bunday yumshoq sirtlarni tavsiflash uchun yaxshi tanlov ekanligini ko'rsatadi.
lehfilcon A ACM yordamida CL ichkariga kirish kuchi egri chiziqlari; (a) ikki yuklanish tezligida diametri 140 nm bo'lgan zonddan foydalanish, sirt ichkariga kirish paytida poroelastik effekt yo'qligini namoyish etadi; (b) diametri 45 µm va 140 nm s bo'lgan zondlardan foydalanish. Kichikroq zondlarga nisbatan katta zondlar uchun yopishqoq ekstruziya va poroelastiklikning ta'sirini ko'rsatadi.
Ultra yumshoq sirtlarni tavsiflash uchun AFM nanoindentatsiya usullari o'rganilayotgan materialning xususiyatlarini o'rganish uchun eng yaxshi zondga ega bo'lishi kerak. Uchining shakli va o'lchamidan tashqari, AFM detektor tizimining sezgirligi, sinov muhitida uchining deformatsiyasiga sezgirligi va konsol qattiqligi nanoindentatsiya o'lchovlarining aniqligi va ishonchliligini aniqlashda muhim rol o'ynaydi. Bizning AFM tizimimiz uchun Pozitsiyaga Sezgir Detektor (PSD) aniqlash chegarasi taxminan 0,5 mV ni tashkil qiladi va oldindan kalibrlangan prujina tezligiga va PFQNM-LC-A-CAL zondining hisoblangan suyuqlik deformatsiyasi sezgirligiga asoslangan bo'lib, bu nazariy yuk sezgirligiga mos keladi. 0,1 pN dan kam. Shuning uchun, bu usul periferik shovqin komponentisiz minimal indentatsiya kuchini ≤ 0,1 pN ga o'lchash imkonini beradi. Biroq, mexanik tebranish va suyuqlik dinamikasi kabi omillar tufayli AFM tizimining periferik shovqinni bu darajaga tushirishi deyarli imkonsizdir. Bu omillar AFM nanoindentatsiya usulining umumiy sezgirligini cheklaydi va shuningdek, taxminan ≤ 10 pN fon shovqin signaliga olib keladi. Sirt tavsifi uchun lehfilcon A CL va SiHy substrat namunalari SEM tavsifi uchun 140 nm zond yordamida to'liq gidratlangan sharoitlarda chuqurlashtirildi va natijada hosil bo'lgan kuch egri chiziqlari kuch (pN) va bosim o'rtasida joylashtirildi. Ajratish diagrammasi (µm) 6a-rasmda ko'rsatilgan. SiHy asos substrati bilan taqqoslaganda, lehfilcon A CL kuch egri chizig'i vilkali polimer cho'tkasi bilan aloqa nuqtasidan boshlanib, uchining asosiy material bilan qiyalik belgisi bilan aloqa qilishda keskin o'zgarish bilan tugaydigan o'tish fazasini aniq ko'rsatadi. Kuch egri chizig'ining bu o'tish qismi sirtdagi tarmoqlangan polimer cho'tkasining chinakam elastik xatti-harakatlarini ta'kidlaydi, bu kuchlanish egri chizig'idan yaqindan kuzatib boradigan siqish egri chizig'i va cho'tka tuzilishi va katta hajmli SiHy materiali o'rtasidagi mexanik xususiyatlardagi kontrast bilan tasdiqlanadi. Lefilconni taqqoslaganda. PCS ning STEM tasviridagi tarmoqlangan polimer cho'tkasining o'rtacha uzunligini (3a-rasm) va uning 3a.6a-rasmdagi abssissa bo'ylab kuch egri chizig'ini ajratish shuni ko'rsatadiki, usul uchini va tarmoqlangan polimerning sirtning eng yuqori qismiga yetib borishini aniqlashga qodir. Cho'tka tuzilmalari orasidagi aloqa. Bundan tashqari, kuch egri chiziqlarining yaqin qoplanishi suyuqlikni ushlab turish effekti yo'qligini ko'rsatadi. Bu holda, igna va namuna yuzasi o'rtasida mutlaqo hech qanday yopishish bo'lmaydi. Ikkala namunaning kuch egri chiziqlarining eng yuqori qismlari qoplanadi, bu esa substrat materiallarining mexanik xususiyatlarining o'xshashligini aks ettiradi.
(a) Lehfilcon A CL substratlari va SiHy substratlari uchun AFM nanoindentatsiya kuch egri chiziqlari, (b) fon shovqini chegarasi usuli yordamida aloqa nuqtasini baholashni ko'rsatuvchi kuch egri chiziqlari.
Kuch egri chizig'ining nozik tafsilotlarini o'rganish uchun lehfilcon A CL namunasining kuchlanish egri chizig'i 6b-rasmda y o'qi bo'ylab maksimal 50 pN kuch bilan qayta chizilgan. Ushbu grafik asl fon shovqini haqida muhim ma'lumotlarni beradi. Shovqin ±10 pN oralig'ida bo'lib, u aloqa nuqtasini aniq aniqlash va chuqurlik chuqurligini hisoblash uchun ishlatiladi. Adabiyotlarda xabar qilinganidek, aloqa nuqtalarini aniqlash modul kabi material xususiyatlarini aniq baholash uchun juda muhimdir85. Kuch egri chizig'i ma'lumotlarini avtomatik qayta ishlashni o'z ichiga olgan yondashuv yumshoq materiallar86 uchun ma'lumotlarni moslashtirish va miqdoriy o'lchovlar o'rtasidagi yaxshilangan moslikni ko'rsatdi. Ushbu ishda bizning aloqa nuqtalarini tanlashimiz nisbatan sodda va ob'ektiv, ammo uning cheklovlari bor. Aloqa nuqtasini aniqlashga bo'lgan konservativ yondashuvimiz kichikroq chuqurlik chuqurliklari (<100 nm) uchun modul qiymatlarini biroz oshirib yuborishga olib kelishi mumkin. Algoritmga asoslangan sensorli nuqtalarni aniqlash va avtomatlashtirilgan ma'lumotlarni qayta ishlashdan foydalanish kelajakda bizning usulimizni yanada takomillashtirish uchun ushbu ishning davomi bo'lishi mumkin. Shunday qilib, ±10 pN tartibidagi ichki fon shovqini uchun biz 6b-rasmdagi x o'qi bo'ylab ≥10 pN qiymatiga ega birinchi ma'lumot nuqtasi sifatida aloqa nuqtasini aniqlaymiz. Keyin, 10 pN shovqin chegarasiga muvofiq, ~0,27 µm darajasidagi vertikal chiziq sirt bilan aloqa nuqtasini belgilaydi, shundan so'ng cho'zilish egri chizig'i substrat ~270 nm chuqurlikka yetguncha davom etadi. Qizig'i shundaki, tasvirlash usuli yordamida o'lchangan tarmoqlangan polimer cho'tka xususiyatlarining o'lchamiga (300–400 nm) asoslanib, CL lehfilcon ning chuqurlik chuqurligi taxminan 270 nm ni tashkil qiladi, bu STEM bilan o'lchash o'lchamiga juda yaqin. Ushbu natijalar AFM zond uchining shakli va o'lchamining bu juda yumshoq va yuqori elastik tarmoqlangan polimer cho'tka tuzilishini chuqurlashtirish uchun mosligi va qo'llanilishini yana bir bor tasdiqlaydi. Ushbu ma'lumotlar, shuningdek, aloqa nuqtalarini aniqlash uchun fon shovqinidan chegara sifatida foydalanish usulimizni qo'llab-quvvatlash uchun kuchli dalillarni taqdim etadi. Shunday qilib, matematik modellashtirish va kuch egri chizig'ini moslashtirishdan olingan har qanday miqdoriy natijalar nisbatan aniq bo'lishi kerak.
AFM nanoindentatsiya usullari bilan miqdoriy o'lchovlar ma'lumotlarni tanlash va keyingi tahlil qilish uchun ishlatiladigan matematik modellarga to'liq bog'liq. Shuning uchun, ma'lum bir modelni tanlashdan oldin, indenterni tanlash, material xususiyatlari va ularning o'zaro ta'sir mexanizmi bilan bog'liq barcha omillarni hisobga olish muhimdir. Bu holda, uch geometriyasi SEM mikrograflari yordamida sinchkovlik bilan tavsiflandi (1-rasm) va natijalarga asoslanib, qattiq konus va sharsimon uch geometriyasiga ega 140 nm diametrli AFM nanoindentatsiya zondi lehfilcon A CL79 namunalarini tavsiflash uchun yaxshi tanlovdir. Diqqat bilan baholanishi kerak bo'lgan yana bir muhim omil - bu sinovdan o'tkazilayotgan polimer materialining elastikligi. Nanoindentatsiyaning dastlabki ma'lumotlari (5a va 6a-rasmlar) kuchlanish va siqish egri chiziqlarining bir-birining ustiga chiqishi xususiyatlarini, ya'ni materialning to'liq elastik tiklanishini aniq ko'rsatib bergan bo'lsa-da, kontaktlarning sof elastik tabiatini tasdiqlash juda muhimdir. Shu maqsadda, to'liq gidratatsiya sharoitida 1 µm/s chuqurchaga ega tezlikda lehfilcon A CL namunasi yuzasida bir xil joyda ketma-ket ikkita chuqurchaga ega bo'lish amalga oshirildi. Olingan kuch egri chizig'i ma'lumotlari 7-rasmda ko'rsatilgan va kutilganidek, ikkita bosmaning kengayish va siqish egri chiziqlari deyarli bir xil bo'lib, bu tarmoqlangan polimer cho'tkasi tuzilishining yuqori elastikligini ta'kidlaydi.
Lehfilkon yuzasida bir xil joyda joylashgan ikkita ichkariga kirish kuchi egri chizig'i. CL linza yuzasining ideal elastikligini ko'rsatadi.
Mos ravishda zond uchi va lehfilcon A CL yuzasining SEM va STEM tasvirlaridan olingan ma'lumotlarga asoslanib, konus-sfera modeli AFM zond uchi va sinovdan o'tkazilayotgan yumshoq polimer materiali o'rtasidagi o'zaro ta'sirning oqilona matematik ifodasidir. Bundan tashqari, ushbu konus-sfera modeli uchun bosilgan materialning elastik xususiyatlari haqidagi asosiy taxminlar ushbu yangi biomimetik material uchun to'g'ri keladi va elastiklik modulini aniqlash uchun ishlatiladi.
AFM nanoindentatsiya usuli va uning tarkibiy qismlarini, jumladan, indentatsiya zond xususiyatlarini (shakli, o'lchami va prujina qattiqligi), sezgirlikni (fon shovqini va aloqa nuqtasini baholash) va ma'lumotlarni moslashtirish modellarini (miqdoriy modul o'lchovlari) keng qamrovli baholashdan so'ng, usul qo'llanildi. miqdoriy natijalarni tekshirish uchun tijoratda mavjud bo'lgan ultra yumshoq namunalarni tavsiflash. 1 kPa elastik modulga ega tijorat poliakrilamid (PAAM) gidrogeli gidratlangan sharoitlarda 140 nm zond yordamida sinovdan o'tkazildi. Modulni sinovdan o'tkazish va hisob-kitoblar tafsilotlari qo'shimcha ma'lumotlarda keltirilgan. Natijalar shuni ko'rsatdiki, o'lchangan o'rtacha modul 0,92 kPa ni tashkil etdi va ma'lum moduldan %RSD va foiz (%) og'ish 10% dan kam edi. Bu natijalar ushbu ishda ultra yumshoq materiallar modullarini o'lchash uchun qo'llanilgan AFM nanoindentatsiya usulining aniqligi va takrorlanuvchanligini tasdiqlaydi. Lehfilcon A CL namunalari va SiHy asos substratining sirtlari ultra yumshoq sirtning ko'rinadigan kontakt modulini chuqurlik chuqurligining funktsiyasi sifatida o'rganish uchun bir xil AFM nanoindentatsiya usuli yordamida qo'shimcha tavsiflandi. Har bir turdagi uchta namuna uchun (n = 3; har bir namuna uchun bitta chuqurlik) 300 pN kuchda, 1 µm/s tezlikda va to'liq gidratatsiyada chuqurlik kuchini ajratish egri chiziqlari yaratildi. Cho'kish kuchini taqsimlash egri chizig'i konus-sfera modeli yordamida yaqinlashtirildi. Cho'kish chuqurligiga bog'liq modulni olish uchun, kontakt nuqtasidan boshlab har 20 nm o'sishda kuch egri chizig'ining 40 nm kenglikdagi qismi o'rnatildi va kuch egri chizig'ining har bir bosqichida modul qiymatlari o'lchandi. Spin Cy va boshqalar. Kolloid AFM zond nanoindentatsiyasi yordamida poli(lauril metakrilat) (P12MA) polimer cho'tkalarining modul gradiyentini tavsiflash uchun shunga o'xshash yondashuv qo'llanildi va ular Hertz kontakt modelidan foydalangan holda ma'lumotlarga mos keladi. Ushbu yondashuv 8-rasmda ko'rsatilgandek, ko'rinadigan kontakt moduli (kPa) va chuqurlik chuqurligi (nm) grafigini taqdim etadi, bu ko'rinadigan kontakt moduli/chuqurlik gradiyentini ko'rsatadi. CL lehfilcon A namunasining hisoblangan elastiklik moduli namunaning yuqori 100 nm ichida 2-3 kPa oralig'ida bo'ladi, undan tashqarida u chuqurlik bilan o'sishni boshlaydi. Boshqa tomondan, SiHy asos substratini yuzasida cho'tkaga o'xshash plyonkasiz sinovdan o'tkazishda, 300 pN kuch bilan erishilgan maksimal chuqurlik chuqurligi 50 nm dan kam va ma'lumotlardan olingan modul qiymati taxminan 400 kPa ni tashkil qiladi, bu esa quyma materiallar uchun Yung moduli qiymatlariga o'xshash.
Modulni o'lchash uchun konus-sfera geometriyasi bilan AFM nanoindentatsiya usulidan foydalangan holda lehfilcon A CL va SiHy substratlari uchun ko'rinadigan kontakt moduli (kPa) va chuqurchaga chuqurlik (nm).
Yangi biomimetik tarmoqlangan polimer cho'tka strukturasining eng yuqori yuzasi juda past elastiklik moduliga (2-3 kPa) ega. Bu STEM tasvirida ko'rsatilgandek, vilkali polimer cho'tkasining erkin osilgan uchiga mos keladi. CL ning tashqi chetida modul gradiyenti borligiga oid ba'zi dalillar mavjud bo'lsa-da, asosiy yuqori modulli substrat ko'proq ta'sirchan. Biroq, sirtning yuqori 100 nm qismi tarmoqlangan polimer cho'tkasining umumiy uzunligining 20% ​​ichida joylashgan, shuning uchun bu chuqurlik chuqurligi diapazonidagi modulning o'lchangan qiymatlari nisbatan aniq va pastki obyektning ta'siriga kuchli bog'liq emas deb taxmin qilish oqilona.
SiHy substratlari yuzasiga payvandlangan tarmoqlangan PMPC polimer cho'tka tuzilmalaridan tashkil topgan lehfilcon A kontakt linzalarining noyob biomimetik dizayni tufayli ularning sirt tuzilmalarining mexanik xususiyatlarini an'anaviy o'lchash usullari yordamida ishonchli tarzda tavsiflash juda qiyin. Bu yerda biz yuqori suv miqdori va juda yuqori elastiklikka ega lefilcon A kabi ultra yumshoq materiallarni aniq tavsiflash uchun ilg'or AFM nanoindentatsiya usulini taqdim etamiz. Ushbu usul AFM zondidan foydalanishga asoslangan bo'lib, uning uchi o'lchami va geometriyasi bosiladigan ultra yumshoq sirt xususiyatlarining strukturaviy o'lchamlariga mos kelish uchun ehtiyotkorlik bilan tanlangan. Zond va struktura o'rtasidagi o'lchamlarning bu kombinatsiyasi yuqori sezgirlikni ta'minlaydi, bu bizga g'ovak elastik ta'sirlardan qat'i nazar, tarmoqlangan polimer cho'tka elementlarining past modulini va ichki elastik xususiyatlarini o'lchash imkonini beradi. Natijalar shuni ko'rsatdiki, linza yuzasiga xos bo'lgan noyob tarmoqlangan PMPC polimer cho'tkalari suvli muhitda sinovdan o'tkazilganda juda past elastiklik moduliga (2 kPa gacha) va juda yuqori elastiklikka (deyarli 100%) ega. AFM nanoindentatsiyasi natijalari bizga biomimetik linza yuzasining ko'rinadigan kontakt moduli/chuqurlik gradiyentini (30 kPa/200 nm) tavsiflash imkonini berdi. Bu gradiyent tarmoqlangan polimer cho'tkalari va SiHy substrati o'rtasidagi modul farqi yoki polimer cho'tkalarining tarmoqlangan tuzilishi/zichligi yoki ularning kombinatsiyasi bilan bog'liq bo'lishi mumkin. Biroq, struktura va xususiyatlar o'rtasidagi bog'liqlikni, ayniqsa cho'tkaning tarmoqlanishining mexanik xususiyatlarga ta'sirini to'liq tushunish uchun qo'shimcha chuqur tadqiqotlar talab etiladi. Shunga o'xshash o'lchovlar boshqa ultra yumshoq materiallar va tibbiy asboblar yuzasining mexanik xususiyatlarini tavsiflashga yordam beradi.
Joriy tadqiqot davomida yaratilgan va/yoki tahlil qilingan ma'lumotlar to'plamlari tegishli mualliflardan oqilona so'rov bo'yicha taqdim etilishi mumkin.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. va Haugen, HJ Biomateriallar sirtlarining fizik va kimyoviy xususiyatlariga biologik reaksiyalar. Kimyoviy jamiyat. Nashr. 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM va Liu, X. To'qima muhandisligi uchun inson tomonidan olingan biomateriallarni takomillashtirish. dasturlash. polimer. fan. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. va boshqalar. Regenerativ tibbiyotda biomateriallarni loyihalash, klinik qo'llash va immun javobi. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK va Farr GM Yuk va siljish o'lchovlari bilan chuqurchaga solish tajribalaridan foydalangan holda qattiqlik va elastiklik modulini aniqlashning takomillashtirilgan usuli. J. Alma mater. saqlash tanki. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Cho'kish qattiqligini sinashning tarixiy kelib chiqishi. Oliy o'quv yurti. Fan. Texnologiyalar. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Makro, mikro va nanoskalada chuqurchalar qattiqligini o'lchash: tanqidiy sharh. Rayt. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD va Clapperich, SM Yuzani aniqlashdagi xatolar yumshoq materiallarning nanoindentatsiyasida modulning haddan tashqari baholanishiga olib keladi. J. Mecha. Behavior. Biotibbiyot fanlari. alma mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollahi MR, Bushroa AR va Yahya M.Yu. Eksperimental va hisoblash usullari yordamida geterogen nanokompozitlarning mexanik xususiyatlarini aniqlash uchun nanoindentatsiya usulini baholash. fan. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR va Owart, TS Yumshoq viskoelastik gellarning mexanik tavsifi indentatsiya va optimallashtirishga asoslangan teskari chekli elementlar tahlili orqali. J. Mecha. Xulq-atvor. Biotibbiyot fanlari. alma mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J va Chaneler D. Mos keladigan o'lchash tizimlari yordamida viskoelastiklikni aniqlashni optimallashtirish. Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. va Pellillo, E. Polimer sirtlarning nanoindentatsiyasi. J. Fizika. D. Fizika uchun qo'llanilishi. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. va Van Vliet KJ Yuqori elastik polimerlar va biologik to'qimalarning viskoelastik mexanik xususiyatlarini zarba chuqurchasi yordamida tavsiflash. Biomateriallar jurnali. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Kengaytirilgan Borodich-Galanov (BG) usuli va chuqur chuqurchalar yordamida yumshoq materiallarning elastiklik moduli va yopishish ishini baholash. mo'yna. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. va boshqalar. Silikon gidrogel kontakt linzalarining biomimetik polimer sirtlarining nanoskal morfologiyasi va mexanik xususiyatlari. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).