Matur nuwun kanggo ngunjungi Nature.com.Sampeyan nggunakake versi browser kanthi dhukungan CSS winates.Kanggo pengalaman paling apik, disaranake sampeyan nggunakake browser sing dianyari (utawa mateni Mode Kompatibilitas ing Internet Explorer).Kajaba iku, kanggo njamin dhukungan sing terus-terusan, kita nuduhake situs kasebut tanpa gaya lan JavaScript.
Nampilake carousel telung slide bebarengan.Gunakake tombol Sadurungé lan Sabanjure kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan, utawa nggunakake tombol panggeser ing mburi kanggo pindhah liwat telung minger bebarengan.
Kanthi pangembangan bahan ultra-lembut anyar kanggo piranti medis lan aplikasi biomedis, karakterisasi lengkap babagan sifat fisik lan mekanike dadi penting lan tantangan.A dipunéwahi atomic force microscopy (AFM) technique nanoindentation iki Applied kanggo ciri modulus lumahing banget kurang saka lehfilcon A biomimetic silikon hidrogel lensa kontak ditutupi karo lapisan struktur sikat polimer branched.Cara iki ngidini penentuan titik kontak sing tepat tanpa efek ekstrusi viscous nalika nyedhaki polimer cabang.Kajaba iku, iku ndadekake iku bisa kanggo nemtokake karakteristik mechanical saka unsur sikat individu tanpa efek saka poroelasticity.Iki digayuh kanthi milih probe AFM kanthi desain (ukuran tip, geometri lan tingkat musim semi) sing cocog banget kanggo ngukur sifat bahan alus lan conto biologi.Cara iki nambah sensitivitas lan akurasi kanggo pangukuran sing akurat saka bahan lehfilcon A sing alus banget, sing nduweni modulus elastisitas sing sithik banget ing permukaan (nganti 2 kPa) lan elastisitas sing dhuwur banget ing lingkungan banyu internal (meh 100%). .Asil panaliten lumahing ora mung nuduhake sifat permukaan ultra-lembut saka lensa lehfilcon A, nanging uga nuduhake yen modulus sikat polimer bercabang bisa dibandhingake karo substrat silikon-hidrogen.Teknik karakterisasi permukaan iki bisa ditrapake kanggo bahan lan piranti medis ultra-lembut liyane.
Sifat mekanik bahan sing dirancang kanggo kontak langsung karo jaringan urip asring ditemtokake dening lingkungan biologis.Pertandhingan sampurna saka sifat materi kasebut mbantu nggayuh karakteristik klinis materi sing dikarepake tanpa nyebabake respon seluler sing ala1,2,3.Kanggo bahan homogen akeh, karakterisasi sifat mekanik relatif gampang amarga kasedhiyan prosedur standar lan metode tes (contone, microindentation4,5,6).Nanging, kanggo bahan ultra-lembut kayata gel, hidrogel, biopolimer, sel urip, lan sapiturute, metode tes iki umume ora bisa ditrapake amarga watesan resolusi pangukuran lan inhomogenitas sawetara bahan7.Sajrone pirang-pirang taun, metode indentasi tradisional wis diowahi lan diadaptasi kanggo menehi ciri saka macem-macem bahan alus, nanging akeh cara isih nandhang kekurangan serius sing mbatesi panggunaan8,9,10,11,12,13.Kekurangan metode tes khusus sing bisa kanthi akurat lan andal nggambarake sifat mekanik bahan supersoft lan lapisan permukaan banget mbatesi panggunaan ing macem-macem aplikasi.
Ing karya sadurunge, kita ngenalake lensa kontak lehfilcon A (CL), materi heterogen alus kanthi kabeh sifat permukaan ultra-lembut sing asale saka desain biomimetik sing diilhami dening permukaan kornea mata.Biomaterial iki dikembangake kanthi grafting lapisan polimer polimer bercabang sing disambung silang saka poli(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) menyang hidrogel silikon (SiHy) 15 sing dirancang kanggo piranti medis adhedhasar.Proses grafting iki nggawe lapisan ing permukaan sing kasusun saka struktur sikat polimer bercabang sing alus lan elastis banget.Pakaryan sadurunge wis dikonfirmasi manawa struktur biomimetik lehfilcon A CL nyedhiyakake sifat permukaan sing unggul kayata pencegahan wetting lan fouling, tambah lubricity, lan nyuda adhesi sel lan bakteri15,16.Kajaba iku, panggunaan lan pangembangan materi biomimetik iki uga menehi saran luwih akeh kanggo piranti biomedis liyane.Mulane, iku penting kanggo ciri lumahing materi Ultra-alus iki lan ngerti interaksi mechanical karo mripat kanggo nggawe basis kawruh lengkap kanggo ndhukung pembangunan lan aplikasi mangsa.Lensa kontak SiHy sing paling kasedhiya kanggo komersial kasusun saka campuran homogen polimer hidrofilik lan hidrofobik sing mbentuk struktur materi sing seragam17.Sawetara panaliten wis ditindakake kanggo nyelidiki sifat mekanike nggunakake metode tes kompresi, tarik lan mikroindentasi tradisional18,19,20,21.Nanging, desain biomimetik novel lehfilcon A CL ndadekake bahan heterogen sing unik sing sifat mekanik struktur sikat polimer bercabang beda banget karo substrat dasar SiHy.Mulane, angel banget kanggo ngitung sifat kasebut kanthi nggunakake metode konvensional lan indentasi.Cara sing janjeni nggunakake metode tes nanoindentation sing ditindakake ing mikroskop gaya atom (AFM), cara sing wis digunakake kanggo nemtokake sifat mekanik bahan viskoelastik alus kayata sel lan jaringan biologis, uga polimer alus22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Ing nanoindentation AFM, dhasar tes nanoindentation digabungake karo kemajuan paling anyar ing teknologi AFM kanggo nyedhiyakake sensitivitas pangukuran lan uji coba saka macem-macem bahan supersoft sing sifate31,32,33,34,35,36.Kajaba iku, teknologi kasebut menehi kaluwihan penting liyane kanthi nggunakake geometri sing beda.indentor lan probe lan kamungkinan tes ing macem-macem media cair.
Nanoindentation AFM bisa dipérang dadi telung komponen utama: (1) peralatan (sensor, detektor, probe, lan liya-liyane);(2) paramèter pangukuran (kayata gaya, pamindahan, kacepetan, ukuran ramp, lsp);(3) Pangolahan data (koreksi baseline, estimasi titik tutul, pas data, modeling, lsp).Masalah sing signifikan karo metode iki yaiku sawetara studi ing literatur nggunakake nanoindentation AFM nglaporake asil kuantitatif sing beda banget kanggo jinis sampel / sel / materi sing padha37,38,39,40,41.Contone, Lekka et al.Pengaruh geometri probe AFM ing modulus Young sing diukur saka sampel hidrogel homogen lan sel heterogen sacara mekanik ditliti lan dibandhingake.Dheweke nglaporake manawa nilai modulus gumantung banget marang pilihan cantilever lan wangun tip, kanthi nilai paling dhuwur kanggo probe berbentuk piramida lan nilai paling murah 42 kanggo probe spherical.Kajaba iku, Selhuber-Unkel et al.Wis ditampilake carane kacepetan indentor, ukuran indentor lan kekandelan polyacrylamide (PAAM) conto mengaruhi modulus Young diukur dening nanoindentation ACM43.Faktor rumit liyane yaiku kekurangan bahan uji modulus standar lan prosedur tes gratis.Iki nggawe angel banget kanggo entuk asil sing akurat kanthi yakin.Nanging, cara kasebut migunani banget kanggo pangukuran relatif lan evaluasi komparatif antarane jinis sampel sing padha, contone nggunakake nanoindentation AFM kanggo mbedakake sel normal saka sel kanker 44, 45.
Nalika nguji bahan alus kanthi nanoindentation AFM, aturan umum yaiku nggunakake probe kanthi konstanta musim semi sing kurang (k) sing cocog karo modulus sampel lan tip hemispherical/bunder supaya probe pisanan ora nusuk permukaan sampel ing. kontak pisanan karo bahan alus.Sampeyan uga penting yen sinyal defleksi sing digawe dening probe cukup kuwat kanggo dideteksi dening sistem detektor laser24,34,46,47.Ing kasus sel, jaringan lan gel heterogen ultra-alus, tantangan liyane yaiku ngatasi gaya adesif ing antarane probe lan permukaan sampel kanggo njamin pangukuran sing bisa direproduksi lan dipercaya48,49,50.Nganti saiki, paling akeh karya ing nanoindentation AFM wis fokus ing sinau babagan prilaku mekanik sel biologi, jaringan, gel, hidrogel, lan biomolekul nggunakake probe bola sing relatif gedhe, sing umum diarani probe koloid (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Tip iki nduweni radius 1 nganti 50 µm lan umume digawe saka kaca borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirena (PS), silikon dioksida (SiO2) lan berlian- kaya karbon (DLC).Senajan CP-AFM nanoindentation asring pilihan pisanan kanggo karakterisasi sampel alus, wis masalah lan watesan dhewe.Panggunaan tip bunder ukuran mikron sing gedhe nambahake total area kontak tip karo sampel lan nyebabake ilang resolusi spasial sing signifikan.Kanggo spesimen alus lan inhomogen, ing ngendi sifat mekanik unsur lokal bisa beda-beda sacara signifikan saka rata-rata ing wilayah sing luwih akeh, indentasi CP bisa ndhelikake inhomogenitas ing sifat ing skala lokal52.Probe koloid biasane digawe kanthi nempelake bola koloid ukuran mikron menyang cantilevers tanpa tip nggunakake adesif epoksi.Proses manufaktur dhewe kebak karo akeh masalah lan bisa nyebabake inconsistencies ing proses kalibrasi probe.Kajaba iku, ukuran lan massa partikel koloid langsung mengaruhi paramèter kalibrasi utama cantilever, kayata frekuensi resonansi, spring stiffness, lan sensitivitas defleksi56,57,58.Mangkono, cara sing umum digunakake kanggo probe AFM konvensional, kayata kalibrasi suhu, bisa uga ora nyedhiyakake kalibrasi sing akurat kanggo CP, lan cara liya bisa uga dibutuhake kanggo nindakake koreksi kasebut57, 59, 60, 61. Eksperimen indentasi CP khas nggunakake cantilever deviasi gedhe kanggo sinau sifat sampel alus, kang nggawe masalah liyane nalika calibrating prilaku non-linear saka cantilever ing relatif gedhe deviasi62,63,64.Cara indentasi probe koloid modern biasane nggatekake geometri cantilever sing digunakake kanggo kalibrasi probe, nanging ora nglirwakake pengaruh partikel koloid, sing nggawe ketidakpastian tambahan ing akurasi metode38,61.Kajaba iku, moduli elastis sing diitung kanthi pas model kontak langsung gumantung marang geometri probe indentasi, lan ora cocog antarane karakteristik permukaan tip lan sampel bisa nyebabake ora akurat27, 65, 66, 67, 68. Sawetara karya anyar dening Spencer et al.Faktor sing kudu digatekake nalika menehi ciri sikat polimer alus nggunakake metode nanoindentation CP-AFM disorot.Padha nglapurake yen penylametan cairan kenthel ing sikat polimer minangka fungsi kacepetan nyebabake mundhake beban sirah lan mulane beda pangukuran sifat gumantung kacepetan30,69,70,71.
Ing panaliten iki, kita wis ditondoi modulus lumahing saka ultra-alus Highly elastis materi lehfilcon A CL nggunakake cara nanoindentation AFM dipunéwahi.Amarga sifat lan struktur anyar materi iki, sawetara sensitivitas metode indentasi tradisional jelas ora cukup kanggo menehi ciri modulus materi sing lembut banget iki, mula kudu nggunakake metode nanoindentation AFM kanthi sensitivitas sing luwih dhuwur lan sensitivitas sing luwih murah.tingkat.Sawise nyemak kekurangan lan masalah teknik nanoindentasi probe koloid AFM, kita nuduhake kenapa kita milih probe AFM sing luwih cilik, dirancang khusus kanggo ngilangi sensitivitas, gangguan latar mburi, titik kontak, ngukur modulus kecepatan bahan heterogen alus kayata retensi cairan. ketergantungan.lan kuantitas akurat.Kajaba iku, kita bisa kanthi akurat ngukur wangun lan dimensi tip indentasi, ngidini kita nggunakake model pas cone-sphere kanggo nemtokake modulus elastisitas tanpa ngevaluasi area kontak tip karo materi.Rong asumsi implisit sing diukur ing karya iki yaiku sifat material elastis kanthi lengkap lan modulus independen jero indentasi.Nggunakake metode iki, pisanan kita nyoba standar ultra-lembut kanthi modulus sing dikenal kanggo ngitung metode kasebut, banjur nggunakake metode iki kanggo menehi ciri permukaan rong bahan lensa kontak sing beda.Cara iki kanggo menehi ciri permukaan nanoindentation AFM kanthi sensitivitas tambah samesthine bisa ditrapake kanggo macem-macem bahan ultrasoft heterogen biomimetik kanthi potensial digunakake ing piranti medis lan aplikasi biomedis.
Lensa kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) lan substrat hidrogel silikon dipilih kanggo eksperimen nanoindentation.Lensa sing dirancang khusus digunakake ing eksperimen kasebut.Kanggo nginstal lensa kanggo testing, iku kasebut kanthi teliti, diselehake ing ngadeg kubah-shaped, mesthekake yen ora umpluk udhara mlebu, lan banjur tetep karo sudhut.Bolongan ing piranti ing ndhuwur wadhah lensa nyedhiyakake akses menyang tengah optik lensa kanggo eksperimen nanoindentation nalika nyekel cairan ing panggonan.Iki njaga lensa kanthi lengkap.500 μl solusi kemasan lensa kontak digunakake minangka solusi tes.Kanggo verifikasi asil kuantitatif, hidrogel polyacrylamide (PAAM) non-aktif sing kasedhiya kanggo komersial disiapake saka komposisi polyacrylamide-co-methylene-bisacrylamide (piring Petrisoft Petri 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), modulus elastis sing dikenal saka 1 kPa.Gunakake 4-5 tetes (kira-kira 125 µl) saline buffer fosfat (PBS saka Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) lan 1 tetes solusi lensa kontak Puremoist OPTI-FREE (Alcon, Vaud, TX, USA).) ing antarmuka hidrogel-probe AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL lan SiHy digambarake nggunakake sistem FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) sing dilengkapi detektor Scanning Transmission Electron Microscope (STEM).Kanggo nyiapake conto, lensa kasebut dikumbah dhisik nganggo banyu lan dipotong dadi irisan sing bentuke pai.Kanggo entuk kontras diferensial antarane komponen hidrofilik lan hidrofobik saka conto, solusi stabil 0,10% RuO4 digunakake minangka pewarna, ing ngendi sampel dicelupake sajrone 30 menit.Pewarnaan lehfilcon A CL RuO4 penting ora mung kanggo entuk kontras diferensial sing luwih apik, nanging uga mbantu ngreksa struktur sikat polimer bercabang ing wangun asline, sing banjur katon ing gambar STEM.Banjur dikumbah lan didehidrasi ing seri campuran etanol/banyu kanthi konsentrasi etanol sing tambah.Sampel kasebut banjur dibuwang nganggo epoksi EMBed 812/Araldite, sing diobati sewengi ing 70 ° C.Blok sampel sing dipikolehi dening polimerisasi resin dipotong nganggo ultramikrotome, lan bagean tipis sing diasilake digambarake karo detektor STEM ing mode vakum sing sithik kanthi tegangan akselerasi 30 kV.Sistem SEM sing padha digunakake kanggo karakterisasi rinci probe PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Gambar SEM saka probe AFM dipikolehi ing mode vakum dhuwur khas kanthi voltase akselerasi 30 kV.Entuk gambar ing macem-macem sudut lan perbesaran kanggo ngrekam kabeh rincian wangun lan ukuran tip probe AFM.Kabeh dimensi tip saka kapentingan ing gambar padha diukur digital.
Mikroskop gaya atom Bio Icon Dimension FastScan (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) kanthi mode "PeakForce QNM in Fluid" digunakake kanggo nggambarake lan nanoindentate lehfilcon A CL, substrat SiHy, lan conto hidrogel PAAm.Kanggo eksperimen pencitraan, probe PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) kanthi radius tip nominal 1 nm digunakake kanggo njupuk gambar resolusi dhuwur saka sampel ing tingkat pindai 0,50 Hz.Kabeh gambar dijupuk ing larutan banyu.
Eksperimen nanoindentation AFM ditindakake kanthi nggunakake probe PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Probe AFM duweni tip silikon ing cantilever nitride kanthi kandel 345 nm, dawane 54 µm lan ambane 4,5 µm kanthi frekuensi resonansi 45 kHz.Iki dirancang khusus kanggo menehi ciri lan nindakake pangukuran nanomekanis kuantitatif ing conto biologi alus.Sensor kasebut dikalibrasi kanthi individu ing pabrik kanthi setelan spring sing wis dikalibrasi.Konstanta musim semi saka probe sing digunakake ing panliten iki ana ing kisaran 0,05-0,1 N / m.Kanggo nemtokake kanthi tepat wangun lan ukuran tip, probe ditondoi kanthi rinci nggunakake SEM.Ing anjir.Figure 1a nuduhake resolusi dhuwur, perbesaran kurang elektron scanning micrograph saka probe PFQNM-LC-A-CAL, nyediakake tampilan sakabehe desain probe.Ing anjir.1b nuduhake tampilan sing luwih gedhe ing pucuk ndhuwur probe, nyedhiyakake informasi babagan wangun lan ukuran tip.Ing ujung ekstrem, jarum kasebut minangka belahan bumi kanthi diameter udakara 140 nm (Gambar 1c).Ing ngisor iki, pucuk tip dadi bentuk conical, dawane kira-kira 500 nm.Ing njaba wilayah tapering, pucuke silinder lan mungkasi kanthi dawa tip total 1,18 µm.Iki minangka bagéan fungsional utama ujung probe.Kajaba iku, probe polystyrene (PS) bunder gedhe (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) kanthi diameter tip 45 µm lan konstanta spring 2 N/m uga digunakake kanggo nguji minangka probe koloid.karo PFQNM-LC-A-CAL 140 nm probe kanggo comparison.
Wis kacarita yen cairan bisa kepepet ing antarane probe AFM lan struktur sikat polimer sajrone nanoindentation, sing bakal ngetokake pasukan munggah ing probe AFM sadurunge bener ndemek permukaan69.Efek ekstrusi kenthel iki amarga retensi cairan bisa ngganti titik kontak sing katon, saéngga mengaruhi pangukuran modulus permukaan.Kanggo nyinaoni efek geometri probe lan kacepetan indentasi ing retensi cairan, kurva gaya indentasi diplot kanggo conto lehfilcon A CL nggunakake probe diameter 140 nm kanthi tingkat pamindahan konstan 1 µm / s lan 2 µm / s.diameter probe 45 µm, setelan gaya tetep 6 nN digayuh ing 1 µm/s.Eksperimen kanthi probe diameter 140 nm ditindakake kanthi kecepatan indentasi 1 µm / s lan gaya set 300 pN, dipilih kanggo nggawe tekanan kontak ing kisaran fisiologis (1-8 kPa) kelopak mata ndhuwur.tekanan 72. Sampel hidrogel PAA alus sing siap digawe kanthi tekanan 1 kPa dites kanggo gaya lekukan 50 pN kanthi kecepatan 1 μm / s nggunakake probe kanthi diameter 140 nm.
Amarga dawane bagean conical saka ujung probe PFQNM-LC-A-CAL kira-kira 500 nm, kanggo ambane indentasi <500 nm bisa dianggep kanthi aman yen geometri probe sajrone indentasi bakal tetep bener. wangun conthong.Kajaba iku, dianggep manawa permukaan materi sing diuji bakal nampilake respon elastis sing bisa dibatalake, sing uga bakal dikonfirmasi ing bagean ing ngisor iki.Mulane, gumantung saka wangun lan ukuran tip, kita milih model pas cone-sphere sing dikembangake dening Briscoe, Sebastian lan Adams, sing kasedhiya ing piranti lunak vendor, kanggo ngolah eksperimen nanoindentation AFM (NanoScope).Piranti lunak analisis data pamisahan, Bruker) 73. Model kasebut nggambarake hubungan pamindahan pasukan F (δ) kanggo kerucut kanthi cacat pucuk bunder.Ing anjir.Gambar 2 nuduhake geometri kontak sajrone interaksi kerucut kaku kanthi ujung bundher, ing ngendi R yaiku jari-jari ujung bola, a yaiku jari-jari kontak, b yaiku jari-jari kontak ing pungkasan ujung bola, δ yaiku radius kontak.ambane indentasi, θ yaiku setengah sudut saka kerucut.Gambar SEM probe iki cetha nuduhake yen 140 nm diameteripun spherical tip merges tangentially menyang conthong, supaya ing kene b ditetepake mung liwat R, IE b = R cos θ.Piranti lunak sing disedhiyakake vendor nyedhiyakake hubungan cone-sphere kanggo ngetung nilai modulus Young (E) saka data pamisahan gaya kanthi asumsi a > b.sesambetan:
ing ngendi F minangka gaya indentasi, E minangka modulus Young, ν minangka rasio Poisson.Radius kontak a bisa dikira nggunakake:
Skema geometri kontak saka kerucut kaku kanthi ujung bundher ditekan menyang materi lensa kontak Lefilcon kanthi lapisan permukaan sikat polimer bercabang.
Yen a ≤ b, hubungane nyuda menyang persamaan kanggo indentor bola konvensional;
Kita pitados bilih interaksi probe indenting karo struktur branched sikat polimer PMPC bakal nimbulaké radius kontak a dadi luwih saka radius kontak bundher b.Mulane, kanggo kabeh pangukuran kuantitatif modulus elastis sing ditindakake ing panliten iki, kita nggunakake katergantungan sing dipikolehi kanggo kasus a> b.
Bahan biomimetik ultrasoft sing disinaoni ing panliten iki digambar kanthi lengkap nggunakake mikroskop elektron transmisi scanning (STEM) saka potongan silang sampel lan mikroskop gaya atom (AFM) saka permukaan.Karakterisasi lumahing rinci iki dileksanakake minangka extension saka karya kita sadurunge diterbitake, kang kita nemtokake sing struktur sikat polimer mbosenke saka lumahing lehfilcon A CL PMPC-dimodifikasi nuduhake sifat mechanical padha kanggo jaringan kornea asli 14.Mulane, kita nyebut lumahing lensa kontak minangka bahan biomimetik14.Ing anjir.3a,b nuduhake bagean silang struktur sikat polimer PMPC bercabang ing permukaan substrat lehfilcon A CL lan substrat SiHy sing ora diobati.Permukaan saka loro conto kasebut luwih dianalisis nggunakake gambar AFM resolusi dhuwur, sing luwih dikonfirmasi asil analisis STEM (Gambar 3c, d).Digabungake, gambar kasebut menehi kira-kira dawa struktur sikat polimer bercabang PMPC ing 300-400 nm, sing penting kanggo interpretasi pangukuran nanoindentation AFM.Pengamatan kunci liyane sing ditemokake saka gambar yaiku struktur permukaan sakabèhé saka bahan biomimetik CL sacara morfologis beda karo materi substrat SiHy.Bedane ing morfologi permukaan kasebut bisa katon sajrone interaksi mekanik karo probe AFM indenting lan sabanjure ing nilai modulus sing diukur.
Gambar STEM cross-sectional saka (a) lehfilcon A CL lan (b) substrat SiHy.Skala bar, 500 nm.Gambar AFM saka permukaan substrat lehfilcon A CL (c) lan substrat SiHy basa (d) (3 µm × 3 µm).
Polimer bioinspired lan struktur sikat polimer sipate alus lan wis akeh ditliti lan digunakake ing macem-macem aplikasi biomedis74,75,76,77.Mulane, penting kanggo nggunakake metode nanoindentation AFM, sing bisa kanthi akurat lan andal ngukur sifat mekanike.Nanging ing wektu sing padha, sifat unik saka bahan ultra-alus iki, kayata modulus elastis sing sithik banget, isi cairan sing dhuwur lan elastisitas sing dhuwur, asring angel milih materi, wangun lan wangun probe indenting sing bener.ukuran.Iki penting supaya indentor ora nusuk lumahing alus saka sampel, kang bakal mimpin kanggo kasalahan ing nemtokake titik kontak karo lumahing lan area kontak.
Kanggo iki, pangerten lengkap babagan morfologi bahan biomimetik ultra-lembut (lehfilcon A CL) penting.Informasi babagan ukuran lan struktur sikat polimer bercabang sing dipikolehi nggunakake metode pencitraan nyedhiyakake basis kanggo karakterisasi mekanik permukaan kanthi nggunakake teknik nanoindentation AFM.Tinimbang probe koloid bola ukuran mikron, kita milih probe silikon nitrida PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) kanthi diameter tip 140 nm, dirancang khusus kanggo pemetaan kuantitatif sifat mekanik sampel biologi 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Alesan kanggo nggunakake probe sing relatif cetha dibandhingake probe koloid konvensional bisa diterangake kanthi fitur struktural materi.Mbandhingake ukuran tip probe (~ 140 nm) karo sikat polimer bercabang ing permukaan CL lehfilcon A, ditampilake ing Fig. 3a, bisa disimpulake yen tip cukup gedhe kanggo kontak langsung karo struktur sikat kasebut, sing nyuda kasempatan saka tip tindikan liwat wong-wong mau.Kanggo nggambarake titik iki, ing Fig. 4 punika gambar STEM saka lehfilcon A CL lan tip indenting saka probe AFM (digambar kanggo skala).
Skema sing nuduhake gambar STEM saka lehfilcon A CL lan probe indentasi ACM (digambar menyang skala).
Kajaba iku, ukuran tip 140 nm cukup cilik kanggo ngindhari risiko efek ekstrusi lengket sing sadurunge dilapurake kanggo sikat polimer sing diprodhuksi dening metode nanoindentation CP-AFM69,71.Kita nganggep yen amarga wangun cone-spherical khusus lan ukuran relatif cilik saka tip AFM iki (Fig. 1), sifat kurva gaya sing diasilake dening lehfilcon A CL nanoindentation ora bakal gumantung ing kacepetan indentasi utawa kacepetan loading / unloading. .Mulane, ora kena pengaruh efek poroelastik.Kanggo nguji hipotesis iki, lehfilcon A CL conto indented ing gaya maksimum tetep nggunakake probe PFQNM-LC-A-CAL, nanging ing rong kecepatan beda, lan kurva gaya tensile lan retract asil digunakake kanggo plot gaya (nN) ing pamisahan (µm) ditampilake ing Figure 5a.Cetha yen kurva pasukan sajrone loading lan unloading rampung tumpang tindih, lan ora ana bukti sing jelas yen gaya nyukur ing nul ambane indentation mundhak karo kacepetan indentation ing tokoh, nyaranke sing unsur rerumput individu ditondoi tanpa efek poroelastic.Ing kontras, efek retensi cairan (efek ekstrusi kenthel lan poroelastisitas) katon kanggo probe AFM diameter 45 µm kanthi kacepetan indentasi sing padha lan disorot dening histeresis antarane kurva regangan lan retract, kaya sing ditampilake ing Gambar 5b.Asil kasebut ndhukung hipotesis lan menehi saran manawa probe diameter 140 nm minangka pilihan sing apik kanggo nggambarake permukaan sing alus.
lehfilcon A CL kurva gaya indentasi nggunakake ACM;(a) nggunakake probe kanthi diameter 140 nm ing rong tingkat muatan, nuduhake ora ana efek poroelastik sajrone indentasi permukaan;(b) nggunakake probe kanthi diameter 45 µm lan 140 nm.s nuduhake efek saka extrusion kenthel lan poroelasticity kanggo probe gedhe dibandhingake probe cilik.
Kanggo menehi ciri permukaan ultrasoft, metode nanoindentation AFM kudu nduweni probe paling apik kanggo nyinaoni sifat materi sing diteliti.Saliyane wangun lan ukuran tip, sensitivitas sistem detektor AFM, sensitivitas kanggo defleksi tip ing lingkungan tes, lan kaku cantilever nduweni peran penting kanggo nemtokake akurasi lan linuwih nanoindentation.pangukuran.Kanggo sistem AFM kita, watesan deteksi Position Sensitive Detector (PSD) kira-kira 0,5 mV lan adhedhasar tingkat spring sing wis dikalibrasi lan sensitivitas defleksi cairan sing diitung saka probe PFQNM-LC-A-CAL, sing cocog karo sensitivitas beban teoritis.kurang saka 0,1 pN.Mulane, cara iki ngidini pangukuran gaya indentasi minimal ≤ 0,1 pN tanpa komponen gangguan periferal.Nanging, meh ora mungkin sistem AFM nyuda gangguan periferal nganti level iki amarga faktor kayata getaran mekanik lan dinamika cairan.Faktor-faktor kasebut mbatesi sensitivitas sakabehe metode nanoindentation AFM lan uga nyebabake sinyal gangguan latar mburi kira-kira ≤ 10 pN.Kanggo karakterisasi lumahing, conto substrat lehfilcon A CL lan SiHy indented ing kondisi terhidrasi kanthi nggunakake probe 140 nm kanggo karakterisasi SEM, lan kurva gaya sing diasilake ditumpangake ing antarane gaya (pN) lan tekanan.Plot pamisahan (µm) ditampilake ing Gambar 6a.Dibandhingake karo substrat dasar SiHy, kurva gaya lehfilcon A CL kanthi jelas nuduhake fase transisi sing diwiwiti saka titik kontak karo sikat polimer bercabang lan diakhiri kanthi owah-owahan sing cetha ing kontak tandha slope saka tip karo materi sing ndasari.Bagean transisi kurva gaya iki nyoroti prilaku elastis sing bener saka sikat polimer bercabang ing permukaan, sing dibuktekake kanthi kurva kompresi sing cedhak karo kurva tension lan kontras sifat mekanik ing antarane struktur sikat lan bahan SiHy sing gedhe banget.Nalika mbandhingake lefilcon.Pemisahan dawa rata-rata sikat polimer cabang ing gambar STEM saka PCS (Fig. 3a) lan kurva gaya ing sadawane abscissa ing Fig. 3a.6a nuduhake manawa cara kasebut bisa ndeteksi pucuk lan polimer bercabang sing tekan ndhuwur permukaan.Kontak antarane struktur sikat.Kajaba iku, tumpang tindih cedhak kurva gaya nuduhake ora ana efek retensi cairan.Ing kasus iki, pancen ora ana adhesion antarane jarum lan permukaan sampel.Bagean paling dhuwur saka kurva gaya kanggo rong conto tumpang tindih, nggambarake mirip sifat mekanik bahan substrat.
(a) Kurva gaya nanoindentation AFM kanggo substrat lehfilcon A CL lan substrat SiHy, (b) kurva gaya nuduhake estimasi titik kontak nggunakake metode ambang swara latar mburi.
Kanggo nyinaoni rincian sing luwih apik saka kurva gaya, kurva tegangan sampel lehfilcon A CL diplot maneh ing Gambar 6b ​​kanthi gaya maksimal 50 pN ing sumbu-y.Grafik iki nyedhiyakake informasi penting babagan swara latar mburi asli.Swara ana ing kisaran ± 10 pN, sing digunakake kanggo nemtokake titik kontak kanthi akurat lan ngetung ambane indentasi.Kaya sing dilapurake ing literatur, identifikasi titik kontak penting kanggo ngevaluasi sifat materi kanthi akurat kayata modulus85.Pendekatan sing nglibatake pangolahan otomatis data kurva gaya wis nuduhake kecocokan antarane pas data lan pangukuran kuantitatif kanggo bahan alus86.Ing karya iki, pilihan titik kontak kita relatif prasaja lan objektif, nanging ana watesan.Pendekatan konservatif kanggo nemtokake titik kontak bisa nyebabake nilai modulus sing rada overestimated kanggo ambane indentasi sing luwih cilik (<100 nm).Panggunaan deteksi titik tutul adhedhasar algoritma lan pangolahan data otomatis bisa dadi kelanjutan saka karya iki ing mangsa ngarep kanggo nambah cara kita.Mangkono, kanggo gangguan latar mburi intrinsik kanthi urutan ± 10 pN, kita nemtokake titik kontak minangka titik data pisanan ing sumbu x ing Gambar 6b ​​kanthi nilai ≥10 pN.Banjur, sesuai karo batesan swara 10 pN, garis vertikal ing tingkat ~ 0.27 µm nandhani titik kontak karo permukaan, sawise kurva peregangan terus nganti substrat ketemu ambane indentasi ~ 270 nm.Sing nggumunake, adhedhasar ukuran fitur sikat polimer bercabang (300-400 nm) sing diukur nggunakake metode pencitraan, ambane indentasi CL lehfilcon Sampel sing diamati nggunakake metode ambang swara latar mburi kira-kira 270 nm, sing cedhak banget karo ukuran pangukuran karo STEM.Asil kasebut luwih ngonfirmasi kompatibilitas lan aplikasi saka wangun lan ukuran tip probe AFM kanggo indentasi struktur sikat polimer bercabang sing alus banget lan elastis iki.Data iki uga menehi bukti sing kuat kanggo ndhukung cara nggunakake swara latar mburi minangka ambang kanggo nemtokake titik kontak.Dadi, asil kuantitatif sing dipikolehi saka pemodelan matematika lan pas kurva gaya kudu akurat.
Pangukuran kuantitatif kanthi metode nanoindentation AFM gumantung banget marang model matematika sing digunakake kanggo milih data lan analisis sabanjure.Mulane, penting kanggo nimbang kabeh faktor sing ana gandhengane karo pilihan indentor, sifat materi lan mekanika interaksi sadurunge milih model tartamtu.Ing kasus iki, geometri tip kasebut kanthi teliti ditondoi kanthi nggunakake mikrograf SEM (Fig. 1), lan adhedhasar asil, probe nanoindenting AFM diameter 140 nm kanthi kerucut hard lan geometri tip bundher minangka pilihan sing apik kanggo menehi ciri sampel lehfilcon A CL79. .Faktor penting liyane sing kudu dievaluasi kanthi teliti yaiku elastisitas bahan polimer sing diuji.Sanajan data awal nanoindentation (Fig. 5a lan 6a) kanthi jelas njelasake fitur tumpang tindih kurva tension lan kompresi, yaiku, pemulihan elastis lengkap saka materi, penting banget kanggo ngonfirmasi sifat elastis sing murni saka kontak. .Kanggo tujuan iki, rong indentasi berturut-turut ditindakake ing lokasi sing padha ing permukaan sampel lehfilcon A CL kanthi tingkat indentasi 1 µm / s ing kondisi hidrasi lengkap.Data kurva gaya asil ditampilake ing anjir.7 lan, kaya sing dikarepake, kurva ekspansi lan kompresi saka rong cetakan meh padha, nyorot elastisitas dhuwur saka struktur sikat polimer bercabang.
Loro kurva gaya indentasi ing lokasi sing padha ing permukaan lehfilcon A CL nuduhake elastisitas becik saka lumahing lensa.
Adhedhasar informasi sing dipikolehi saka SEM lan gambar STEM saka ujung probe lan permukaan lehfilcon A CL, model cone-sphere minangka perwakilan matematika sing cukup saka interaksi antarane ujung probe AFM lan bahan polimer alus sing diuji.Kajaba iku, kanggo model cone-sphere iki, asumsi dhasar babagan sifat elastis saka materi sing dicithak bener kanggo bahan biomimetik anyar iki lan digunakake kanggo ngitung modulus elastis.
Sawise evaluasi lengkap metode nanoindentation AFM lan komponene, kalebu sifat probe indentasi (bentuk, ukuran, lan kaku spring), sensitivitas (noise latar mburi lan estimasi titik kontak), lan model pas data (pangukuran modulus kuantitatif), metode kasebut digunakake.ciri sampel Ultra-alus kasedhiya komersial kanggo verifikasi asil kuantitatif.Hidrogel polyacrylamide komersial (PAAM) kanthi modulus elastis 1 kPa dites ing kondisi terhidrasi nggunakake probe 140 nm.Rincian tes lan petungan modul kasedhiya ing Informasi Tambahan.Asil kasebut nuduhake yen modulus rata-rata sing diukur yaiku 0,92 kPa, lan %RSD lan persentase (%) panyimpangan saka modulus sing dikenal kurang saka 10%.Asil kasebut ngonfirmasi akurasi lan reproduktifitas metode nanoindentation AFM sing digunakake ing karya iki kanggo ngukur moduli bahan ultrasoft.Lumahing conto lehfilcon A CL lan substrat dasar SiHy luwih ditondoi kanthi nggunakake metode nanoindentation AFM sing padha kanggo nyinaoni modulus kontak sing katon ing permukaan ultrasoft minangka fungsi saka ambane indentasi.Kurva pemisahan gaya indentasi digawe kanggo telung spesimen saben jinis (n = 3; siji indentasi saben spesimen) kanthi gaya 300 pN, kacepetan 1 µm/s, lan hidrasi lengkap.Kurva bareng gaya indentasi dikira-kira nggunakake model kerucut-sfera.Kanggo entuk modulus gumantung ing ambane indentasi, bagean sudhut 40 nm saka kurva gaya disetel ing saben tambahan 20 nm wiwit saka titik kontak, lan nilai diukur saka modulus ing saben langkah saka kurva gaya.Spin Cy et al.Pendekatan sing padha wis digunakake kanggo menehi ciri gradien modulus poli (lauryl methacrylate) (P12MA) sikat polimer nggunakake nanoindentation probe koloid AFM, lan padha konsisten karo data nggunakake model kontak Hertz.Pendekatan iki nyedhiyakake plot modulus kontak semu (kPa) versus kedalaman indentasi (nm), kaya sing ditampilake ing Gambar 8, sing nggambarake modulus kontak sing katon / gradien jero.Modulus elastis sing diwilang saka sampel CL lehfilcon A ana ing kisaran 2-3 kPa ing 100 nm ndhuwur sampel, ngluwihi sing wiwit nambah kanthi ambane.Ing sisih liya, nalika nyoba substrat dasar SiHy tanpa film kaya sikat ing permukaan, ambane indentasi maksimal sing diraih kanthi gaya 300 pN kurang saka 50 nm, lan nilai modulus sing dipikolehi saka data udakara 400 kPa. , sing bisa dibandhingake karo nilai modulus Young kanggo bahan akeh.
Modulus kontak semu (kPa) vs ambane indentasi (nm) kanggo substrat lehfilcon A CL lan SiHy nggunakake metode nanoindentation AFM kanthi geometri cone-sphere kanggo ngukur modulus.
Permukaan paling dhuwur saka struktur sikat polimer bercabang biomimetik novel nuduhake modulus elastisitas sing sithik banget (2-3 kPa).Iki bakal cocog karo ujung gantung gratis saka sikat polimer bercabang kaya sing ditampilake ing gambar STEM.Nalika ana sawetara bukti saka gradien modulus ing pinggiran njaba saka CL, substrat modulus dhuwur utama luwih pengaruh.Nanging, 100 nm ndhuwur permukaan ana ing 20% ​​saka total dawa sikat polimer bercabang, mula cukup kanggo nganggep yen nilai modulus sing diukur ing kisaran ambane indentasi iki relatif akurat lan ora kuwat. gumantung ing efek saka obyek ngisor.
Amarga desain biomimetik unik saka lensa kontak lehfilcon A, sing kasusun saka struktur sikat polimer PMPC bercabang sing dipasang ing permukaan substrat SiHy, angel banget kanggo nemtokake sifat mekanik struktur permukaan kasebut kanthi nggunakake metode pangukuran tradisional.Ing kene kita nampilake metode nanoindentasi AFM sing luwih maju kanggo menehi ciri kanthi akurat bahan ultra-lembut kayata lefilcon A kanthi konten banyu sing dhuwur lan elastisitas sing dhuwur banget.Cara iki adhedhasar panggunaan probe AFM sing ukuran tip lan geometri dipilih kanthi teliti kanggo cocog karo dimensi struktural fitur lumahing Ultra-alus sing bakal dicithak.Kombinasi dimensi antarane probe lan struktur nyedhiyakake sensitivitas tambah, ngidini kita ngukur modulus sing kurang lan sifat elastis sing ana ing unsur sikat polimer bercabang, preduli saka efek poroelastik.Asil nuduhake yen sikat polimer PMPC cabang unik saka lumahing lensa duwe modulus elastis banget kurang (nganti 2 kPa) lan elastisitas dhuwur banget (meh 100%) nalika diuji ing lingkungan banyu.Asil nanoindentation AFM uga ngidini kita menehi ciri modulus kontak / gradien jero (30 kPa / 200 nm) saka permukaan lensa biomimetik.Gradien iki bisa uga amarga beda modulus antarane sikat polimer bercabang lan substrat SiHy, utawa struktur cabang / kapadhetan sikat polimer, utawa kombinasi kasebut.Nanging, studi sing luwih jero dibutuhake kanggo mangerteni hubungan antarane struktur lan sifat, utamane efek cabang sikat ing sifat mekanik.Pangukuran sing padha bisa mbantu nemtokake sifat mekanik permukaan bahan ultra-lembut lan piranti medis liyane.
Dataset sing diasilake lan/utawa dianalisis sajrone panliten saiki kasedhiya saka panulis masing-masing kanthi panyuwunan sing cukup.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. lan Haugen, HJ Reaksi biologis kanggo sifat fisik lan kimia saka permukaan biomaterial.Kimia.masyarakat.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM lan Liu, X. Perbaikan biomaterial sing asale saka manungsa kanggo teknik jaringan.pemrograman.polimer.ngelmu.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Desain, implementasi klinis, lan respon imun biomaterial ing obat regeneratif.Nasional Matt Rev 1, 16040 (2016).
Oliver WK lan Farr GM Cara sing luwih apik kanggo nemtokake kekerasan lan modulus elastis nggunakake eksperimen indentasi kanthi pangukuran beban lan pamindahan.J. Alma mater.tank panyimpenan.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Asal-usul pangujian kekerasan indentasi.almamater.ngelmu.teknologi.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Pangukuran Kekerasan Indentation ing Macro-, Micro-, lan Nanoscale: A Review Kritis.suku.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD lan Clapperich, SM Surface kesalahan deteksi mimpin kanggo overestimation modulus ing nanoindentation saka bahan alus.J. Meka.kelakuane.Ilmu Biomedik.almamater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR, Yahya M.Yu.Evaluasi metode nanoindentation kanggo nemtokake karakteristik mekanik nanokomposit heterogen nggunakake metode eksperimen lan komputasi.ngelmu.Omah 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, lan Owart, TS Karakterisasi mekanik saka gel viskoelastik alus kanthi indentasi lan analisis unsur terhingga adhedhasar optimasi.J. Meka.kelakuane.Ilmu Biomedik.almamater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J lan Chaneler D. Optimization of viscoelasticity determination using compatible measuring systems.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. lan Pellillo, E. Nanoindentation saka lumahing polimer.J. Fisika.D. Nglamar kanggo fisika.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. lan Van Vliet KJ Karakterisasi sifat mekanik viskoelastik polimer lan jaringan biologis sing elastis banget nggunakake indentasi kejut.Jurnal Biomaterial.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluasi modulus elastis lan karya adhesi bahan alus nggunakake metode Borodich-Galanov (BG) sing diperluas lan indentasi jero.wulu.almamater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Morfologi skala nano lan sifat mekanik permukaan polimer biomimetik saka lensa kontak hidrogel silikon.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).