Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com. Trình duyệt bạn đang sử dụng có hỗ trợ CSS hạn chế. Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt được cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer). Ngoài ra, để đảm bảo hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web mà không có kiểu dáng và JavaScript.
Hiển thị đồng thời ba slide dạng băng chuyền. Sử dụng các nút Trước và Tiếp theo để chuyển qua ba slide một lúc, hoặc sử dụng các nút trượt ở cuối để chuyển qua ba slide một lúc.
Với sự phát triển của các vật liệu siêu mềm mới cho thiết bị y tế và ứng dụng y sinh, việc đặc trưng hóa toàn diện các tính chất vật lý và cơ học của chúng vừa quan trọng vừa đầy thách thức. Kỹ thuật đo độ cứng nano bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) đã được cải tiến để đặc trưng hóa mô đun bề mặt cực thấp của kính áp tròng hydrogel silicon sinh học lehfilcon A mới được phủ một lớp cấu trúc chổi polymer phân nhánh. Phương pháp này cho phép xác định chính xác các điểm tiếp xúc mà không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng ép nhớt khi tiếp cận các polymer phân nhánh. Ngoài ra, nó còn giúp xác định các đặc tính cơ học của từng phần tử chổi riêng lẻ mà không bị ảnh hưởng bởi tính đàn hồi xốp. Điều này đạt được bằng cách lựa chọn đầu dò AFM với thiết kế (kích thước đầu dò, hình dạng và độ cứng lò xo) đặc biệt phù hợp để đo các tính chất của vật liệu mềm và mẫu sinh học. Phương pháp này cải thiện độ nhạy và độ chính xác để đo chính xác vật liệu rất mềm lehfilcon A, có mô đun đàn hồi cực thấp trên diện tích bề mặt (lên đến 2 kPa) và độ đàn hồi cực cao trong môi trường nước bên trong (gần 100%). Kết quả nghiên cứu bề mặt không chỉ cho thấy đặc tính bề mặt siêu mềm của thấu kính Lehfilcon A, mà còn chỉ ra rằng mô đun đàn hồi của các lớp polymer phân nhánh tương đương với mô đun đàn hồi của chất nền silicon-hydro. Kỹ thuật đặc trưng hóa bề mặt này có thể được áp dụng cho các vật liệu siêu mềm khác và các thiết bị y tế.
Các đặc tính cơ học của vật liệu được thiết kế để tiếp xúc trực tiếp với mô sống thường được xác định bởi môi trường sinh học. Sự phù hợp hoàn hảo giữa các đặc tính vật liệu này giúp đạt được các đặc điểm lâm sàng mong muốn của vật liệu mà không gây ra các phản ứng tế bào bất lợi1,2,3. Đối với các vật liệu đồng nhất khối lượng lớn, việc xác định đặc tính cơ học tương đối dễ dàng do có sẵn các quy trình và phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn (ví dụ: vi vết lõm4,5,6). Tuy nhiên, đối với các vật liệu siêu mềm như gel, hydrogel, polyme sinh học, tế bào sống, v.v., các phương pháp thử nghiệm này thường không thể áp dụng do hạn chế về độ phân giải đo lường và tính không đồng nhất của một số vật liệu7. Trong những năm qua, các phương pháp ấn lõm truyền thống đã được sửa đổi và điều chỉnh để xác định đặc tính của nhiều loại vật liệu mềm, nhưng nhiều phương pháp vẫn còn những thiếu sót nghiêm trọng làm hạn chế việc sử dụng chúng8,9,10,11,12,13. Việc thiếu các phương pháp thử nghiệm chuyên biệt có thể xác định chính xác và đáng tin cậy các đặc tính cơ học của vật liệu siêu mềm và các lớp bề mặt đã hạn chế nghiêm trọng việc sử dụng chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Trong công trình nghiên cứu trước đây, chúng tôi đã giới thiệu kính áp tròng Lehfilcon A (CL), một vật liệu mềm không đồng nhất với tất cả các đặc tính bề mặt siêu mềm bắt nguồn từ các thiết kế mô phỏng sinh học tiềm năng lấy cảm hứng từ bề mặt giác mạc của mắt. Vật liệu sinh học này được phát triển bằng cách ghép một lớp polymer phân nhánh, liên kết chéo của poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) lên hydrogel silicon (SiHy) 15 được thiết kế cho các thiết bị y tế. Quá trình ghép này tạo ra một lớp trên bề mặt bao gồm cấu trúc chổi polymer phân nhánh rất mềm và có độ đàn hồi cao. Công trình nghiên cứu trước đây của chúng tôi đã xác nhận rằng cấu trúc mô phỏng sinh học của kính áp tròng Lehfilcon A cung cấp các đặc tính bề mặt vượt trội như cải thiện khả năng thấm ướt và ngăn ngừa bám bẩn, tăng độ bôi trơn và giảm sự bám dính của tế bào và vi khuẩn15,16. Ngoài ra, việc sử dụng và phát triển vật liệu mô phỏng sinh học này cũng cho thấy khả năng mở rộng hơn nữa sang các thiết bị y sinh khác. Do đó, việc xác định đặc tính bề mặt của vật liệu siêu mềm này và hiểu được sự tương tác cơ học của nó với mắt là rất quan trọng để tạo ra một cơ sở kiến ​​thức toàn diện hỗ trợ cho các phát triển và ứng dụng trong tương lai. Hầu hết các kính áp tròng SiHy có bán trên thị trường đều được cấu tạo từ hỗn hợp đồng nhất của các polyme ưa nước và kỵ nước tạo thành cấu trúc vật liệu đồng nhất¹⁷. Một số nghiên cứu đã được tiến hành để điều tra các đặc tính cơ học của chúng bằng các phương pháp thử nghiệm nén, kéo và vi ấn truyền thống^18,19,20,21. Tuy nhiên, thiết kế mô phỏng sinh học mới của kính áp tròng lehfilcon A khiến nó trở thành một vật liệu không đồng nhất độc đáo, trong đó các đặc tính cơ học của cấu trúc chổi polyme phân nhánh khác biệt đáng kể so với chất nền SiHy. Do đó, rất khó để định lượng chính xác các đặc tính này bằng các phương pháp thông thường và phương pháp ấn. Một phương pháp đầy hứa hẹn là sử dụng phương pháp thử nghiệm nanoindentation được thực hiện trong kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), một phương pháp đã được sử dụng để xác định các đặc tính cơ học của các vật liệu đàn hồi mềm như tế bào và mô sinh học, cũng như các polyme mềm^22,23,24,25. 26,27,28,29,30. Trong phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM, các nguyên lý cơ bản của thử nghiệm độ cứng nano được kết hợp với những tiến bộ mới nhất trong công nghệ AFM để cung cấp độ nhạy đo cao hơn và khả năng thử nghiệm trên nhiều loại vật liệu siêu mềm vốn có31,32,33,34,35,36. Ngoài ra, công nghệ này còn mang lại những lợi thế quan trọng khác thông qua việc sử dụng các hình dạng khác nhau của đầu ấn và đầu dò, cũng như khả năng thử nghiệm trong nhiều môi trường chất lỏng khác nhau.
Phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM có thể được chia thành ba thành phần chính: (1) thiết bị (cảm biến, máy dò, đầu dò, v.v.); (2) các thông số đo (như lực, độ dịch chuyển, tốc độ, kích thước dốc, v.v.); (3) Xử lý dữ liệu (hiệu chỉnh đường cơ sở, ước tính điểm tiếp xúc, khớp dữ liệu, mô hình hóa, v.v.). Một vấn đề đáng kể với phương pháp này là một số nghiên cứu trong tài liệu sử dụng phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM báo cáo các kết quả định lượng rất khác nhau đối với cùng một loại mẫu/tế bào/vật liệu37,38,39,40,41. Ví dụ, Lekka et al. đã nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của hình dạng đầu dò AFM đến mô đun Young đo được của các mẫu hydrogel đồng nhất về mặt cơ học và các tế bào không đồng nhất. Họ báo cáo rằng các giá trị mô đun phụ thuộc rất nhiều vào việc lựa chọn cần gạt và hình dạng đầu dò, với giá trị cao nhất đối với đầu dò hình chóp và giá trị thấp nhất là 42 đối với đầu dò hình cầu. Tương tự, Selhuber-Unkel et al. Người ta đã chứng minh được tốc độ ấn, kích thước đầu ấn và độ dày của các mẫu polyacrylamide (PAAM) ảnh hưởng như thế nào đến mô đun Young được đo bằng phương pháp ấn nano ACM43. Một yếu tố phức tạp khác là sự thiếu hụt các vật liệu thử nghiệm có mô đun cực thấp tiêu chuẩn và các quy trình thử nghiệm tự do. Điều này khiến việc thu được kết quả chính xác một cách đáng tin cậy trở nên rất khó khăn. Tuy nhiên, phương pháp này rất hữu ích cho các phép đo tương đối và đánh giá so sánh giữa các loại mẫu tương tự, ví dụ như sử dụng phương pháp ấn nano AFM để phân biệt tế bào bình thường với tế bào ung thư 44, 45.
Khi thử nghiệm các vật liệu mềm bằng phương pháp đo độ cứng nano AFM, một nguyên tắc chung là sử dụng đầu dò có hằng số lò xo (k) thấp, gần với mô đun đàn hồi của mẫu và đầu hình bán cầu/tròn để đầu dò không xuyên thủng bề mặt mẫu khi tiếp xúc lần đầu với vật liệu mềm. Điều quan trọng nữa là tín hiệu lệch do đầu dò tạo ra phải đủ mạnh để hệ thống dò laser có thể phát hiện được24,34,46,47. Trong trường hợp các tế bào, mô và gel siêu mềm không đồng nhất, một thách thức khác là khắc phục lực bám dính giữa đầu dò và bề mặt mẫu để đảm bảo các phép đo có thể tái tạo và đáng tin cậy48,49,50. Cho đến gần đây, hầu hết các nghiên cứu về đo độ cứng nano AFM đều tập trung vào nghiên cứu hành vi cơ học của các tế bào sinh học, mô, gel, hydrogel và các phân tử sinh học bằng cách sử dụng các đầu dò hình cầu tương đối lớn, thường được gọi là đầu dò keo (CP). 47, 51, 52, 53, 54, 55. Các đầu dò này có bán kính từ 1 đến 50 µm và thường được làm từ thủy tinh borosilicat, polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene (PS), silicon dioxide (SiO2) và carbon giống kim cương (DLC). Mặc dù phép đo độ cứng nano CP-AFM thường là lựa chọn đầu tiên để đặc trưng hóa mẫu mềm, nhưng nó cũng có những vấn đề và hạn chế riêng. Việc sử dụng các đầu dò hình cầu lớn, kích thước micromet làm tăng tổng diện tích tiếp xúc của đầu dò với mẫu và dẫn đến mất độ phân giải không gian đáng kể. Đối với các mẫu mềm, không đồng nhất, nơi các tính chất cơ học của các phần tử cục bộ có thể khác biệt đáng kể so với mức trung bình trên một khu vực rộng hơn, phép đo độ cứng CP có thể che giấu bất kỳ sự không đồng nhất nào về tính chất ở quy mô cục bộ52. Các đầu dò dạng keo thường được tạo ra bằng cách gắn các quả cầu keo kích thước micromet vào các cần gạt không có đầu dò bằng chất kết dính epoxy. Bản thân quy trình sản xuất tiềm ẩn nhiều vấn đề và có thể dẫn đến sự không nhất quán trong quá trình hiệu chuẩn đầu dò. Ngoài ra, kích thước và khối lượng của các hạt keo ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số hiệu chuẩn chính của cần gạt, chẳng hạn như tần số cộng hưởng, độ cứng lò xo và độ nhạy lệch56,57,58. Do đó, các phương pháp thường được sử dụng cho đầu dò AFM thông thường, chẳng hạn như hiệu chuẩn nhiệt độ, có thể không cung cấp hiệu chuẩn chính xác cho CP, và có thể cần các phương pháp khác để thực hiện các hiệu chỉnh này57, 59, 60, 61. Các thí nghiệm ấn lõm CP điển hình sử dụng cần gạt có độ lệch lớn để nghiên cứu các đặc tính của mẫu mềm, điều này tạo ra một vấn đề khác khi hiệu chuẩn hành vi phi tuyến tính của cần gạt ở độ lệch tương đối lớn62,63,64. Các phương pháp ấn lõm đầu dò keo hiện đại thường tính đến hình học của cần gạt được sử dụng để hiệu chuẩn đầu dò, nhưng bỏ qua ảnh hưởng của các hạt keo, điều này tạo ra sự không chắc chắn bổ sung về độ chính xác của phương pháp38,61. Tương tự, mô đun đàn hồi được tính toán bằng cách khớp mô hình tiếp xúc phụ thuộc trực tiếp vào hình dạng của đầu dò ấn lõm, và sự không phù hợp giữa đặc điểm bề mặt đầu dò và mẫu có thể dẫn đến sự không chính xác27, 65, 66, 67, 68. Một số nghiên cứu gần đây của Spencer et al. đã nêu bật các yếu tố cần được xem xét khi đặc trưng hóa các lớp polymer mềm bằng phương pháp ấn lõm nano CP-AFM. Họ báo cáo rằng sự giữ lại chất lỏng nhớt trong các lớp polymer theo tốc độ dẫn đến sự gia tăng tải trọng đầu dò và do đó dẫn đến các phép đo khác nhau về các đặc tính phụ thuộc vào tốc độ30,69,70,71.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đặc trưng hóa mô đun bề mặt của vật liệu siêu mềm, có độ đàn hồi cao lehfilcon A CL bằng phương pháp đo độ cứng nano AFM được sửa đổi. Với các đặc tính và cấu trúc mới của vật liệu này, phạm vi độ nhạy của phương pháp đo độ cứng truyền thống rõ ràng là không đủ để đặc trưng hóa mô đun của vật liệu cực mềm này, do đó cần thiết phải sử dụng phương pháp đo độ cứng nano AFM với độ nhạy cao hơn và mức độ nhạy thấp hơn. Sau khi xem xét những thiếu sót và vấn đề của các kỹ thuật đo độ cứng nano bằng đầu dò AFM dạng keo hiện có, chúng tôi đã chỉ ra lý do tại sao chúng tôi chọn một đầu dò AFM nhỏ hơn, được thiết kế riêng để loại bỏ độ nhạy, nhiễu nền, xác định chính xác điểm tiếp xúc, đo mô đun vận tốc của các vật liệu mềm không đồng nhất như sự phụ thuộc vào khả năng giữ chất lỏng và định lượng chính xác. Ngoài ra, chúng tôi có thể đo chính xác hình dạng và kích thước của đầu dò, cho phép chúng tôi sử dụng mô hình phù hợp hình nón-hình cầu để xác định mô đun đàn hồi mà không cần đánh giá diện tích tiếp xúc của đầu dò với vật liệu. Hai giả định ngầm được định lượng trong công trình này là các đặc tính vật liệu hoàn toàn đàn hồi và mô đun không phụ thuộc vào độ sâu ấn. Sử dụng phương pháp này, trước tiên chúng tôi đã thử nghiệm các mẫu chuẩn siêu mềm có mô đun đã biết để định lượng phương pháp, sau đó sử dụng phương pháp này để đặc trưng hóa bề mặt của hai loại vật liệu kính áp tròng khác nhau. Phương pháp đặc trưng hóa bề mặt bằng phương pháp đo độ cứng nano AFM với độ nhạy cao hơn này dự kiến ​​sẽ được áp dụng cho nhiều loại vật liệu siêu mềm không đồng nhất mô phỏng sinh học, có tiềm năng sử dụng trong các thiết bị y tế và ứng dụng y sinh.
Kính áp tròng Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) và chất nền hydrogel silicon của chúng được chọn cho các thí nghiệm đo độ cứng nano. Một giá đỡ kính được thiết kế đặc biệt đã được sử dụng trong thí nghiệm. Để lắp đặt kính để thử nghiệm, kính được đặt cẩn thận lên giá đỡ hình vòm, đảm bảo không có bọt khí lọt vào bên trong, sau đó được cố định bằng các cạnh. Một lỗ trên bộ phận cố định ở phía trên giá đỡ kính cho phép tiếp cận tâm quang học của kính để thực hiện các thí nghiệm đo độ cứng nano trong khi giữ chất lỏng tại chỗ. Điều này giúp kính luôn được giữ ẩm hoàn toàn. 500 μl dung dịch đóng gói kính áp tròng được sử dụng làm dung dịch thử nghiệm. Để kiểm chứng kết quả định lượng, các hydrogel polyacrylamide (PAAM) không hoạt hóa có sẵn trên thị trường được điều chế từ thành phần polyacrylamide-co-methylene-bisacrylamide (đĩa Petrisoft 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), có mô đun đàn hồi đã biết là 1 kPa. Sử dụng 4-5 giọt (khoảng 125 µl) dung dịch đệm phosphat (PBS từ Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) và 1 giọt dung dịch dưỡng ẩm kính áp tròng OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Vaud, TX, USA) tại giao diện giữa hydrogel và đầu dò AFM.
Các mẫu Lehfilcon A CL và chất nền SiHy được quan sát bằng hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FEI Quanta 250 (FEG SEM) được trang bị đầu dò kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM). Để chuẩn bị mẫu, các thấu kính được rửa sạch bằng nước và cắt thành các miếng hình tam giác. Để đạt được độ tương phản khác biệt giữa các thành phần ưa nước và kỵ nước của mẫu, dung dịch RuO4 ổn định 0,10% được sử dụng làm chất nhuộm, trong đó các mẫu được ngâm trong 30 phút. Việc nhuộm RuO4 trên Lehfilcon A CL rất quan trọng không chỉ để đạt được độ tương phản khác biệt tốt hơn mà còn giúp bảo tồn cấu trúc của các nhánh polymer ở ​​dạng ban đầu, sau đó có thể nhìn thấy trên ảnh STEM. Sau đó, chúng được rửa sạch và khử nước trong một loạt hỗn hợp ethanol/nước với nồng độ ethanol tăng dần. Các mẫu sau đó được đúc bằng epoxy EMBed 812/Araldite, được làm khô qua đêm ở 70°C. Các khối mẫu thu được bằng phương pháp trùng hợp nhựa được cắt bằng máy cắt siêu nhỏ, và các lát cắt mỏng thu được được quan sát bằng đầu dò STEM ở chế độ chân không thấp với điện áp gia tốc 30 kV. Hệ thống SEM tương tự được sử dụng để mô tả chi tiết đầu dò AFM PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA). Hình ảnh SEM của đầu dò AFM được thu thập ở chế độ chân không cao thông thường với điện áp gia tốc 30 kV. Thu thập hình ảnh ở các góc độ và độ phóng đại khác nhau để ghi lại tất cả các chi tiết về hình dạng và kích thước của đầu dò AFM. Tất cả các kích thước đầu dò cần quan tâm trong hình ảnh đều được đo bằng kỹ thuật số.
Kính hiển vi lực nguyên tử Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) với chế độ “PeakForce QNM in Fluid” được sử dụng để quan sát và đo độ cứng nano của các mẫu lehfilcon A CL, chất nền SiHy và hydrogel PAAm. Đối với các thí nghiệm chụp ảnh, đầu dò PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) với bán kính đầu dò danh nghĩa là 1 nm được sử dụng để chụp ảnh độ phân giải cao của mẫu ở tốc độ quét 0,50 Hz. Tất cả các hình ảnh đều được chụp trong dung dịch nước.
Các thí nghiệm đo độ cứng nano bằng AFM được thực hiện bằng đầu dò PFQNM-LC-A-CAL (Bruker). Đầu dò AFM có đầu silicon trên cần đỡ nitrit dày 345 nm, dài 54 µm và rộng 4,5 µm với tần số cộng hưởng 45 kHz. Nó được thiết kế đặc biệt để đặc trưng hóa và thực hiện các phép đo cơ học nano định lượng trên các mẫu sinh học mềm. Các cảm biến được hiệu chuẩn riêng lẻ tại nhà máy với các cài đặt lò xo được hiệu chuẩn trước. Hằng số lò xo của các đầu dò được sử dụng trong nghiên cứu này nằm trong khoảng 0,05–0,1 N/m. Để xác định chính xác hình dạng và kích thước của đầu dò, đầu dò đã được đặc trưng chi tiết bằng SEM. Hình 1a cho thấy ảnh hiển vi điện tử quét độ phân giải cao, độ phóng đại thấp của đầu dò PFQNM-LC-A-CAL, cung cấp cái nhìn tổng thể về thiết kế của đầu dò. Hình... Hình 1b cho thấy hình ảnh phóng to phần đầu của đầu dò, cung cấp thông tin về hình dạng và kích thước của đầu dò. Ở phần cuối cùng, đầu dò có hình bán cầu với đường kính khoảng 140 nm (Hình 1c). Bên dưới phần này, đầu dò thu hẹp dần thành hình nón, đạt chiều dài đo được khoảng 500 nm. Bên ngoài vùng thu hẹp, đầu dò có hình trụ và kết thúc ở tổng chiều dài 1,18 µm. Đây là phần chức năng chính của đầu dò. Ngoài ra, một đầu dò polystyrene (PS) hình cầu lớn (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) với đường kính đầu dò 45 µm và hằng số lò xo 2 N/m cũng được sử dụng để thử nghiệm như một đầu dò keo, so sánh với đầu dò PFQNM-LC-A-CAL 140 nm.
Người ta đã báo cáo rằng chất lỏng có thể bị giữ lại giữa đầu dò AFM và cấu trúc chổi polymer trong quá trình ấn lõm nano, điều này sẽ tạo ra một lực hướng lên trên đầu dò AFM trước khi nó thực sự chạm vào bề mặt69. Hiệu ứng ép nhớt do giữ lại chất lỏng này có thể làm thay đổi điểm tiếp xúc biểu kiến, do đó ảnh hưởng đến các phép đo mô đun bề mặt. Để nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng đầu dò và tốc độ ấn lõm đến khả năng giữ lại chất lỏng, các đường cong lực ấn lõm đã được vẽ cho các mẫu lehfilcon A CL bằng cách sử dụng đầu dò đường kính 140 nm ở tốc độ dịch chuyển không đổi là 1 µm/s và 2 µm/s. Đường kính đầu dò 45 µm, cài đặt lực cố định 6 nN đạt được ở 1 µm/s. Các thí nghiệm với đầu dò đường kính 140 nm được thực hiện ở tốc độ ấn lõm 1 µm/s và lực cài đặt 300 pN, được chọn để tạo ra áp suất tiếp xúc trong phạm vi sinh lý (1–8 kPa) của mí mắt trên. 72. Các mẫu hydrogel PAA mềm, được chế tạo sẵn với áp suất 1 kPa, đã được thử nghiệm với lực ấn 50 pN ở tốc độ 1 μm/s bằng đầu dò có đường kính 140 nm.
Vì chiều dài phần hình nón của đầu dò PFQNM-LC-A-CAL xấp xỉ 500 nm, nên đối với bất kỳ độ sâu ấn nào < 500 nm, có thể an toàn giả định rằng hình dạng của đầu dò trong quá trình ấn sẽ vẫn giữ nguyên hình dạng hình nón của nó. Ngoài ra, giả định rằng bề mặt của vật liệu được thử nghiệm sẽ thể hiện phản ứng đàn hồi thuận nghịch, điều này cũng sẽ được xác nhận trong các phần tiếp theo. Do đó, tùy thuộc vào hình dạng và kích thước của đầu dò, chúng tôi đã chọn mô hình khớp hình nón-hình cầu được phát triển bởi Briscoe, Sebastian và Adams, có sẵn trong phần mềm của nhà cung cấp, để xử lý các thí nghiệm ấn nano AFM của chúng tôi (NanoScope). Phần mềm phân tích dữ liệu tách biệt, Bruker) 73. Mô hình mô tả mối quan hệ lực-độ dịch chuyển F(δ) cho một hình nón có khuyết tật đỉnh hình cầu. Trên hình. Hình 2 thể hiện hình học tiếp xúc trong quá trình tương tác giữa một hình nón cứng với một đầu hình cầu, trong đó R là bán kính của đầu hình cầu, a là bán kính tiếp xúc, b là bán kính tiếp xúc ở cuối đầu hình cầu, δ là độ sâu vết lõm do tiếp xúc, θ là nửa góc của hình nón. Hình ảnh SEM của đầu dò này cho thấy rõ ràng rằng đầu hình cầu đường kính 140 nm tiếp tuyến với hình nón, vì vậy ở đây b chỉ được xác định thông qua R, tức là b = R cos θ. Phần mềm do nhà cung cấp cung cấp đưa ra mối quan hệ hình nón-hình cầu để tính toán giá trị mô đun Young (E) từ dữ liệu khoảng cách lực giả định a > b. Mối quan hệ:
trong đó F là lực ấn, E là mô đun Young, ν là hệ số Poisson. Bán kính tiếp xúc a có thể được ước tính bằng công thức:
Sơ đồ hình học tiếp xúc của một hình nón cứng có đầu hình cầu được ấn vào vật liệu của kính áp tròng Lefilcon với lớp bề mặt gồm các chổi polymer phân nhánh.
Nếu a ≤ b, mối quan hệ này sẽ rút gọn thành phương trình dành cho đầu ấn hình cầu thông thường;
Chúng tôi tin rằng sự tương tác giữa đầu dò ấn lõm với cấu trúc phân nhánh của lớp polymer PMPC sẽ làm cho bán kính tiếp xúc a lớn hơn bán kính tiếp xúc hình cầu b. Do đó, đối với tất cả các phép đo định lượng mô đun đàn hồi được thực hiện trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng sự phụ thuộc thu được trong trường hợp a > b.
Các vật liệu mô phỏng sinh học siêu mềm được nghiên cứu trong nghiên cứu này đã được chụp ảnh toàn diện bằng kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM) của mặt cắt ngang mẫu và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) của bề mặt. Việc mô tả đặc điểm bề mặt chi tiết này được thực hiện như một phần mở rộng của công trình đã được công bố trước đây của chúng tôi, trong đó chúng tôi đã xác định rằng cấu trúc chổi polymer phân nhánh động của bề mặt kính áp tròng lehfilcon A được biến đổi bằng PMPC thể hiện các đặc tính cơ học tương tự như mô giác mạc tự nhiên 14. Vì lý do này, chúng tôi gọi bề mặt kính áp tròng là vật liệu mô phỏng sinh học14. Hình 3a,b cho thấy mặt cắt ngang của cấu trúc chổi polymer PMPC phân nhánh trên bề mặt của chất nền kính áp tròng lehfilcon A và chất nền SiHy chưa được xử lý, tương ứng. Bề mặt của cả hai mẫu đều được phân tích thêm bằng hình ảnh AFM độ phân giải cao, điều này càng khẳng định thêm kết quả phân tích STEM (Hình 3c, d). Nhìn chung, những hình ảnh này cho thấy chiều dài gần đúng của cấu trúc chổi polymer PMPC phân nhánh là 300–400 nm, điều này rất quan trọng để giải thích các phép đo độ cứng nano bằng AFM. Một quan sát quan trọng khác rút ra từ các hình ảnh là cấu trúc bề mặt tổng thể của vật liệu mô phỏng sinh học CL khác biệt về mặt hình thái so với vật liệu nền SiHy. Sự khác biệt về hình thái bề mặt này có thể trở nên rõ ràng trong quá trình tương tác cơ học với đầu dò AFM và sau đó thể hiện qua các giá trị mô đun đo được.
Hình ảnh STEM mặt cắt ngang của (a) lớp Lehfilcon A CL và (b) chất nền SiHy. Thanh tỷ lệ, 500 nm. Hình ảnh AFM của bề mặt chất nền Lehfilcon A CL (c) và chất nền SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Các polyme lấy cảm hứng từ sinh học và cấu trúc chổi polyme vốn dĩ mềm mại và đã được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng y sinh khác nhau74,75,76,77. Do đó, việc sử dụng phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM rất quan trọng, vì nó có thể đo chính xác và đáng tin cậy các tính chất cơ học của chúng. Nhưng đồng thời, các đặc tính độc đáo của những vật liệu siêu mềm này, chẳng hạn như mô đun đàn hồi cực thấp, hàm lượng chất lỏng cao và độ đàn hồi cao, thường gây khó khăn trong việc lựa chọn vật liệu, hình dạng và kích thước phù hợp của đầu dò đo độ cứng. Điều này rất quan trọng để đầu dò không xuyên thủng bề mặt mềm của mẫu, dẫn đến sai sót trong việc xác định điểm tiếp xúc với bề mặt và diện tích tiếp xúc.
Để làm được điều này, việc hiểu biết toàn diện về hình thái học của các vật liệu mô phỏng sinh học siêu mềm (lehfilcon A CL) là rất cần thiết. Thông tin về kích thước và cấu trúc của các chổi polymer phân nhánh thu được bằng phương pháp tạo ảnh cung cấp cơ sở cho việc đặc trưng hóa cơ học bề mặt bằng kỹ thuật đo độ cứng nano AFM. Thay vì các đầu dò keo hình cầu kích thước micromet, chúng tôi đã chọn đầu dò silicon nitride PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) với đường kính đầu 140 nm, được thiết kế đặc biệt để lập bản đồ định lượng các tính chất cơ học của các mẫu sinh học 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84. Lý do sử dụng các đầu dò tương đối sắc nhọn so với các đầu dò keo thông thường có thể được giải thích bằng các đặc điểm cấu trúc của vật liệu. So sánh kích thước đầu dò (~140 nm) với các nhánh polymer trên bề mặt CL lehfilcon A, như thể hiện trong Hình 3a, có thể kết luận rằng đầu dò đủ lớn để tiếp xúc trực tiếp với các cấu trúc dạng chổi này, làm giảm khả năng đầu dò xuyên qua chúng. Để minh họa điểm này, Hình 4 là ảnh STEM của lehfilcon A CL và đầu dò AFM (vẽ theo tỷ lệ).
Sơ đồ thể hiện hình ảnh STEM của lehfilcon A CL và đầu dò độ cứng ACM (vẽ theo tỷ lệ).
Ngoài ra, kích thước đầu mũi 140 nm đủ nhỏ để tránh nguy cơ xảy ra bất kỳ hiệu ứng ép dính nào đã được báo cáo trước đây đối với các chổi polymer được tạo ra bằng phương pháp ấn lõm nano CP-AFM69,71. Chúng tôi cho rằng do hình dạng hình nón-hình cầu đặc biệt và kích thước tương đối nhỏ của đầu mũi AFM này (Hình 1), bản chất của đường cong lực được tạo ra bởi quá trình ấn lõm nano lehfilcon A CL sẽ không phụ thuộc vào tốc độ ấn lõm hoặc tốc độ tải/dỡ tải. Do đó, nó không bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng đàn hồi xốp. Để kiểm tra giả thuyết này, các mẫu lehfilcon A CL đã được ấn lõm ở một lực tối đa cố định bằng cách sử dụng đầu dò PFQNM-LC-A-CAL, nhưng ở hai vận tốc khác nhau, và các đường cong lực kéo và lực rút thu được đã được sử dụng để vẽ lực (nN) theo khoảng cách (µm) được thể hiện trong Hình 5a. Rõ ràng là các đường cong lực trong quá trình tải và dỡ tải hoàn toàn trùng khớp, và không có bằng chứng rõ ràng nào cho thấy lực cắt ở độ sâu ấn bằng không tăng lên theo tốc độ ấn trong hình, cho thấy các phần tử chổi riêng lẻ được đặc trưng mà không có hiệu ứng đàn hồi xốp. Ngược lại, các hiệu ứng giữ chất lỏng (ép đùn nhớt và hiệu ứng đàn hồi xốp) thể hiện rõ đối với đầu dò AFM đường kính 45 µm ở cùng tốc độ ấn và được làm nổi bật bởi hiện tượng trễ giữa các đường cong kéo giãn và co lại, như thể hiện trong Hình 5b. Những kết quả này ủng hộ giả thuyết và cho thấy rằng đầu dò đường kính 140 nm là lựa chọn tốt để đặc trưng các bề mặt mềm như vậy.
Đường cong lực ấn CL của lehfilcon A sử dụng ACM; (a) sử dụng đầu dò có đường kính 140 nm ở hai tốc độ tải, chứng minh sự vắng mặt của hiệu ứng đàn hồi xốp trong quá trình ấn bề mặt; (b) sử dụng đầu dò có đường kính 45 µm và 140 nm. Hình s cho thấy tác động của sự ép đùn nhớt và tính đàn hồi xốp đối với các đầu dò lớn so với các đầu dò nhỏ hơn.
Để đặc trưng hóa các bề mặt siêu mềm, phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM cần có đầu dò tốt nhất để nghiên cứu các đặc tính của vật liệu cần nghiên cứu. Bên cạnh hình dạng và kích thước đầu dò, độ nhạy của hệ thống dò AFM, độ nhạy với độ lệch đầu dò trong môi trường thử nghiệm và độ cứng của cần gạt đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác và độ tin cậy của phép đo độ cứng nano. Đối với hệ thống AFM của chúng tôi, giới hạn phát hiện của Đầu dò nhạy vị trí (PSD) xấp xỉ 0,5 mV và dựa trên tốc độ lò xo đã được hiệu chuẩn trước và độ nhạy lệch chất lỏng được tính toán của đầu dò PFQNM-LC-A-CAL, tương ứng với độ nhạy tải lý thuyết nhỏ hơn 0,1 pN. Do đó, phương pháp này cho phép đo lực ấn tối thiểu ≤ 0,1 pN mà không có bất kỳ thành phần nhiễu ngoại vi nào. Tuy nhiên, gần như không thể đối với một hệ thống AFM để giảm nhiễu ngoại vi xuống mức này do các yếu tố như rung động cơ học và động lực học chất lỏng. Những yếu tố này hạn chế độ nhạy tổng thể của phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM và cũng dẫn đến tín hiệu nhiễu nền xấp xỉ ≤ 10 pN. Để đặc trưng hóa bề mặt, các mẫu lehfilcon A CL và chất nền SiHy được ấn lõm trong điều kiện ngậm nước hoàn toàn bằng đầu dò 140 nm để đặc trưng hóa bằng SEM, và các đường cong lực thu được được chồng lên nhau giữa lực (pN) và áp suất. Biểu đồ khoảng cách (µm) được hiển thị trong Hình 6a. So với chất nền SiHy, đường cong lực của lehfilcon A CL cho thấy rõ ràng một pha chuyển tiếp bắt đầu từ điểm tiếp xúc với chổi polymer phân nhánh và kết thúc bằng sự thay đổi độ dốc đột ngột đánh dấu sự tiếp xúc của đầu dò với vật liệu bên dưới. Phần chuyển tiếp này của đường cong lực làm nổi bật hành vi đàn hồi thực sự của chổi polymer phân nhánh trên bề mặt, được chứng minh bằng đường cong nén bám sát đường cong kéo và sự tương phản về tính chất cơ học giữa cấu trúc chổi và vật liệu SiHy cồng kềnh. Khi so sánh lefilcon. Sự phân tách chiều dài trung bình của một chùm polymer phân nhánh trong ảnh STEM của PCS (Hình 3a) và đường cong lực của nó dọc theo trục hoành trong Hình 3a. Hình 6a cho thấy phương pháp này có khả năng phát hiện đầu kim và polymer phân nhánh đạt đến đỉnh của bề mặt. Sự tiếp xúc giữa các cấu trúc chổi. Ngoài ra, sự chồng chéo gần nhau của các đường cong lực cho thấy không có hiệu ứng giữ chất lỏng. Trong trường hợp này, hoàn toàn không có sự bám dính giữa kim và bề mặt mẫu. Các phần trên cùng của đường cong lực cho hai mẫu chồng lên nhau, phản ánh sự tương đồng về tính chất cơ học của vật liệu nền.
(a) Đường cong lực ấn nano AFM cho chất nền lehfilcon A CL và chất nền SiHy, (b) đường cong lực thể hiện ước tính điểm tiếp xúc bằng phương pháp ngưỡng nhiễu nền.
Để nghiên cứu chi tiết hơn về đường cong lực, đường cong lực căng của mẫu lehfilcon A CL được vẽ lại trong Hình 6b với lực tối đa là 50 pN dọc theo trục y. Đồ thị này cung cấp thông tin quan trọng về nhiễu nền ban đầu. Nhiễu nằm trong khoảng ±10 pN, được sử dụng để xác định chính xác điểm tiếp xúc và tính toán độ sâu vết lõm. Như đã được báo cáo trong tài liệu, việc xác định các điểm tiếp xúc rất quan trọng để đánh giá chính xác các đặc tính vật liệu như mô đun đàn hồi85. Một phương pháp liên quan đến xử lý tự động dữ liệu đường cong lực đã cho thấy sự phù hợp được cải thiện giữa việc khớp dữ liệu và các phép đo định lượng đối với vật liệu mềm86. Trong công việc này, việc lựa chọn các điểm tiếp xúc của chúng tôi tương đối đơn giản và khách quan, nhưng nó có những hạn chế. Cách tiếp cận thận trọng của chúng tôi trong việc xác định điểm tiếp xúc có thể dẫn đến giá trị mô đun bị ước tính hơi cao hơn đối với độ sâu vết lõm nhỏ hơn (< 100 nm). Việc sử dụng phát hiện điểm tiếp xúc dựa trên thuật toán và xử lý dữ liệu tự động có thể là bước tiếp theo của công việc này trong tương lai để cải thiện hơn nữa phương pháp của chúng tôi. Do đó, với nhiễu nền nội tại ở mức ±10 pN, chúng ta xác định điểm tiếp xúc là điểm dữ liệu đầu tiên trên trục x trong Hình 6b có giá trị ≥10 pN. Sau đó, phù hợp với ngưỡng nhiễu 10 pN, một đường thẳng đứng ở mức ~0,27 µm đánh dấu điểm tiếp xúc với bề mặt, sau đó đường cong kéo giãn tiếp tục cho đến khi chất nền đạt độ sâu lõm khoảng ~270 nm. Điều thú vị là, dựa trên kích thước của các đặc điểm chổi polymer phân nhánh (300–400 nm) được đo bằng phương pháp tạo ảnh, độ sâu lõm của mẫu CL lehfilcon A được quan sát bằng phương pháp ngưỡng nhiễu nền là khoảng 270 nm, rất gần với kích thước đo được bằng STEM. Những kết quả này càng khẳng định tính tương thích và khả năng ứng dụng của hình dạng và kích thước đầu dò AFM để tạo vết lõm trên cấu trúc chổi polymer phân nhánh rất mềm và có độ đàn hồi cao này. Dữ liệu này cũng cung cấp bằng chứng mạnh mẽ để hỗ trợ phương pháp sử dụng nhiễu nền làm ngưỡng để xác định chính xác các điểm tiếp xúc. Do đó, bất kỳ kết quả định lượng nào thu được từ mô hình toán học và việc khớp đường cong lực đều phải tương đối chính xác.
Các phép đo định lượng bằng phương pháp ấn lõm nano AFM hoàn toàn phụ thuộc vào các mô hình toán học được sử dụng để lựa chọn dữ liệu và phân tích tiếp theo. Do đó, điều quan trọng là phải xem xét tất cả các yếu tố liên quan đến việc lựa chọn đầu ấn, tính chất vật liệu và cơ chế tương tác của chúng trước khi chọn một mô hình cụ thể. Trong trường hợp này, hình dạng đầu dò được đặc trưng cẩn thận bằng ảnh chụp SEM (Hình 1), và dựa trên kết quả, đầu dò ấn lõm nano AFM đường kính 140 nm với hình nón cứng và đầu hình cầu là lựa chọn tốt để đặc trưng các mẫu lehfilcon A CL79. Một yếu tố quan trọng khác cần được đánh giá cẩn thận là độ đàn hồi của vật liệu polymer đang được thử nghiệm. Mặc dù dữ liệu ban đầu của phép ấn lõm nano (Hình 5a và 6a) nêu rõ các đặc điểm của sự chồng chéo giữa đường cong kéo và nén, tức là sự phục hồi đàn hồi hoàn toàn của vật liệu, nhưng điều cực kỳ quan trọng là phải xác nhận bản chất đàn hồi thuần túy của các tiếp xúc. Để đạt được mục đích này, hai lần ấn lõm liên tiếp được thực hiện tại cùng một vị trí trên bề mặt mẫu lehfilcon A CL với tốc độ ấn lõm là 1 µm/s trong điều kiện ngậm nước hoàn toàn. Dữ liệu đường cong lực thu được được thể hiện trong hình 7 và, như dự đoán, đường cong giãn nở và nén của hai lần ấn lõm gần như giống hệt nhau, làm nổi bật tính đàn hồi cao của cấu trúc chổi polymer phân nhánh.
Hai đường cong lực ấn tại cùng một vị trí trên bề mặt thấu kính Lehfilcon A CL cho thấy độ đàn hồi lý tưởng của bề mặt thấu kính.
Dựa trên thông tin thu được từ ảnh SEM và STEM của đầu dò và bề mặt lehfilcon A CL, mô hình hình nón-hình cầu là một mô tả toán học hợp lý về sự tương tác giữa đầu dò AFM và vật liệu polymer mềm đang được thử nghiệm. Ngoài ra, đối với mô hình hình nón-hình cầu này, các giả định cơ bản về tính chất đàn hồi của vật liệu được in vẫn đúng đối với vật liệu mô phỏng sinh học mới này và được sử dụng để định lượng mô đun đàn hồi.
Sau khi đánh giá toàn diện phương pháp đo độ cứng nano bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) và các thành phần của nó, bao gồm các đặc tính của đầu dò (hình dạng, kích thước và độ cứng lò xo), độ nhạy (ước lượng nhiễu nền và điểm tiếp xúc) và các mô hình phù hợp dữ liệu (đo mô đun định lượng), phương pháp này đã được sử dụng để đặc trưng hóa các mẫu siêu mềm có sẵn trên thị trường nhằm xác minh kết quả định lượng. Một loại hydrogel polyacrylamide (PAAM) thương mại có mô đun đàn hồi 1 kPa đã được thử nghiệm trong điều kiện ngậm nước bằng đầu dò 140 nm. Chi tiết về thử nghiệm mô đun và tính toán được cung cấp trong Thông tin bổ sung. Kết quả cho thấy mô đun trung bình đo được là 0,92 kPa, và %RSD và phần trăm (%) độ lệch so với mô đun đã biết nhỏ hơn 10%. Những kết quả này xác nhận độ chính xác và khả năng tái lập của phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM được sử dụng trong nghiên cứu này để đo mô đun của các vật liệu siêu mềm. Bề mặt của các mẫu lehfilcon A CL và chất nền SiHy được đặc trưng thêm bằng phương pháp đo độ cứng nano AFM tương tự để nghiên cứu mô đun tiếp xúc biểu kiến ​​của bề mặt siêu mềm theo độ sâu vết lõm. Đường cong phân tách lực lõm được tạo ra cho ba mẫu thuộc mỗi loại (n = 3; một vết lõm trên mỗi mẫu) ở lực 300 pN, tốc độ 1 µm/s và độ ẩm hoàn toàn. Đường cong phân tách lực lõm được xấp xỉ bằng mô hình hình nón-hình cầu. Để thu được mô đun phụ thuộc vào độ sâu vết lõm, một phần rộng 40 nm của đường cong lực được thiết lập ở mỗi bước tăng 20 nm bắt đầu từ điểm tiếp xúc, và các giá trị mô đun được đo ở mỗi bước của đường cong lực. Spin Cy et al. đã sử dụng một phương pháp tương tự để đặc trưng độ dốc mô đun của các chổi polymer poly(lauryl methacrylate) (P12MA) bằng cách sử dụng phương pháp đo độ cứng nano bằng đầu dò AFM dạng keo, và chúng phù hợp với dữ liệu sử dụng mô hình tiếp xúc Hertz. Phương pháp này cung cấp đồ thị biểu diễn mô đun tiếp xúc biểu kiến ​​(kPa) theo độ sâu vết lõm (nm), như thể hiện trong Hình 8, minh họa độ dốc của mô đun tiếp xúc biểu kiến/độ sâu. Mô đun đàn hồi được tính toán của mẫu CL lehfilcon A nằm trong khoảng 2–3 kPa trong phạm vi 100 nm trên cùng của mẫu, sau đó bắt đầu tăng theo độ sâu. Mặt khác, khi thử nghiệm chất nền SiHy không có lớp màng dạng chổi trên bề mặt, độ sâu vết lõm tối đa đạt được ở lực 300 pN nhỏ hơn 50 nm, và giá trị mô đun thu được từ dữ liệu là khoảng 400 kPa, tương đương với giá trị mô đun Young của vật liệu khối.
Mô đun tiếp xúc biểu kiến ​​(kPa) so với độ sâu vết lõm (nm) đối với chất nền lehfilcon A CL và SiHy sử dụng phương pháp đo độ cứng nano bằng AFM với hình học hình nón-hình cầu để đo mô đun.
Bề mặt trên cùng của cấu trúc chổi polymer phân nhánh mô phỏng sinh học mới này thể hiện mô đun đàn hồi cực thấp (2–3 kPa). Điều này phù hợp với đầu treo tự do của chổi polymer phân nhánh như thể hiện trong ảnh STEM. Mặc dù có một số bằng chứng về sự thay đổi mô đun ở rìa ngoài của CL, nhưng chất nền có mô đun cao chính lại có ảnh hưởng lớn hơn. Tuy nhiên, 100 nm trên cùng của bề mặt nằm trong phạm vi 20% tổng chiều dài của chổi polymer phân nhánh, vì vậy có thể giả định rằng các giá trị mô đun đo được trong phạm vi độ sâu vết lõm này tương đối chính xác và không phụ thuộc nhiều vào ảnh hưởng của vật thể phía dưới.
Do thiết kế mô phỏng sinh học độc đáo của kính áp tròng lefilcon A, bao gồm các cấu trúc chổi polymer PMPC phân nhánh được ghép lên bề mặt chất nền SiHy, nên rất khó để xác định chính xác các tính chất cơ học của cấu trúc bề mặt bằng các phương pháp đo truyền thống. Ở đây, chúng tôi trình bày một phương pháp đo độ cứng nano bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) tiên tiến để xác định chính xác các vật liệu siêu mềm như lefilcon A với hàm lượng nước cao và độ đàn hồi cực cao. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng đầu dò AFM có kích thước và hình dạng đầu dò được lựa chọn cẩn thận để phù hợp với kích thước cấu trúc của các đặc điểm bề mặt siêu mềm cần được ghi dấu. Sự kết hợp kích thước giữa đầu dò và cấu trúc này giúp tăng độ nhạy, cho phép chúng ta đo được mô đun thấp và các tính chất đàn hồi vốn có của các phần tử chổi polymer phân nhánh, bất kể hiệu ứng đàn hồi xốp. Kết quả cho thấy các chổi polymer PMPC phân nhánh độc đáo đặc trưng của bề mặt thấu kính có mô đun đàn hồi cực thấp (lên đến 2 kPa) và độ đàn hồi rất cao (gần 100%) khi được thử nghiệm trong môi trường nước. Kết quả đo độ cứng nano bằng AFM cũng cho phép chúng ta xác định đặc điểm độ dốc mô đun tiếp xúc/độ sâu (30 kPa/200 nm) của bề mặt thấu kính mô phỏng sinh học. Độ dốc này có thể là do sự khác biệt về mô đun giữa các nhánh polymer và chất nền SiHy, hoặc do cấu trúc phân nhánh/mật độ của các nhánh polymer, hoặc sự kết hợp của cả hai. Tuy nhiên, cần có thêm các nghiên cứu chuyên sâu để hiểu đầy đủ mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất, đặc biệt là ảnh hưởng của sự phân nhánh của các nhánh polymer đến tính chất cơ học. Các phép đo tương tự có thể giúp xác định đặc tính cơ học của bề mặt các vật liệu siêu mềm khác và các thiết bị y tế.
Các bộ dữ liệu được tạo ra và/hoặc phân tích trong nghiên cứu hiện tại có sẵn từ các tác giả tương ứng khi có yêu cầu hợp lý.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. và Haugen, HJ. Phản ứng sinh học đối với các tính chất vật lý và hóa học của bề mặt vật liệu sinh học. Hội Hóa học. Ấn bản 49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM và Liu, X. Cải tiến vật liệu sinh học có nguồn gốc từ người cho kỹ thuật mô. Lập trình. Polyme. Khoa học. 53, 86 (2016).
Sadtler, K. và cộng sự. Thiết kế, triển khai lâm sàng và phản ứng miễn dịch của vật liệu sinh học trong y học tái tạo. National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK và Farr GM Một phương pháp cải tiến để xác định độ cứng và mô đun đàn hồi bằng cách sử dụng các thí nghiệm ấn lõm với các phép đo tải trọng và độ dịch chuyển. J. Alma mater. storage tank. 7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM. Nguồn gốc lịch sử của phương pháp kiểm tra độ cứng bằng vết lõm. Alma Mater. Khoa học. Công nghệ. 28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Đo độ cứng bằng phương pháp ấn lõm ở cấp độ vĩ mô, vi mô và nano: Một đánh giá quan trọng. tribe. Wright. 65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD và Clapperich, SM. Các lỗi phát hiện bề mặt dẫn đến việc ước tính quá cao mô đun trong phép đo độ cứng nano của vật liệu mềm. Tạp chí Cơ học và Hành vi. Khoa học Y sinh. Đại học Alma Mater. 2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR và Yahya M.Yu. Đánh giá phương pháp đo độ cứng nano để xác định các đặc tính cơ học của vật liệu nanocomposite không đồng nhất bằng phương pháp thực nghiệm và tính toán. Khoa học. House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, và Owart, TS. Đặc tính cơ học của gel nhớt đàn hồi mềm bằng phương pháp ấn lõm và phân tích phần tử hữu hạn nghịch đảo dựa trên tối ưu hóa. Tạp chí Cơ học và Hành vi. Khoa học Y sinh. Đại học Alma Mater. 2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J và Chaneler D. Tối ưu hóa việc xác định độ nhớt đàn hồi bằng cách sử dụng các hệ thống đo tương thích. Vật liệu mềm 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. và Pellillo, E. Đo độ cứng nano của bề mặt polyme. Tạp chí Vật lý. Ứng dụng cho vật lý. 31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. và Van Vliet KJ. Đặc trưng hóa các tính chất cơ học nhớt đàn hồi của các polyme có độ đàn hồi cao và mô sinh học bằng phương pháp ấn lõm sốc. Tạp chí Vật liệu sinh học. 71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Đánh giá mô đun đàn hồi và công bám dính của vật liệu mềm bằng phương pháp Borodich-Galanov (BG) mở rộng và vết lõm sâu. fur. alma mater. 129, 198–213 (2019).
Shi, X. và cộng sự. Hình thái học ở cấp độ nano và tính chất cơ học của bề mặt polyme mô phỏng sinh học của kính áp tròng silicon hydrogel. Langmuir 37, 13961–13967 (2021).