Dankon pro vizito de Nature.com.Vi uzas retumilon kun limigita CSS-subteno.Por la plej bona sperto, ni rekomendas, ke vi uzu ĝisdatigitan retumilon (aŭ malŝaltu Kongruo-Reĝimon en Internet Explorer).Krome, por certigi daŭran subtenon, ni montras la retejon sen stiloj kaj JavaScript.
Montras karuselon de tri diapozitivoj samtempe.Uzu la butonojn Antaŭa kaj Sekva por moviĝi tra tri diapozitivoj samtempe, aŭ uzu la glitilbutonojn ĉe la fino por moviĝi tra tri diapozitivoj samtempe.
Kun la disvolviĝo de novaj ultra-molaj materialoj por medicinaj aparatoj kaj biomedicinaj aplikoj, la ampleksa karakterizado de iliaj fizikaj kaj mekanikaj propraĵoj estas kaj grava kaj defia.Modifita atomfortmikroskopio (AFM) nanoindentaĵtekniko estis aplikita por karakterizi la ekstreme malaltan surfacmodulon de la nova lehfilcon A biomimetika silikona hidroĝela kontaktolenso kovrita per tavolo de branĉitaj polimeraj brosstrukturoj.Ĉi tiu metodo permesas precizan determinon de kontaktopunktoj sen la efikoj de viskoza eltrudado kiam alproksimiĝas al branĉitaj polimeroj.Krome, ĝi ebligas determini la mekanikajn karakterizaĵojn de individuaj brosaj elementoj sen la efiko de poroelasteco.Tio estas atingita elektante AFM-sondilon kun dezajno (pintograndeco, geometrio kaj printempa indico) kiu estas precipe taŭga por mezurado de la trajtoj de molaj materialoj kaj biologiaj provaĵoj.Ĉi tiu metodo plibonigas sentemon kaj precizecon por preciza mezurado de la tre mola materialo lehfilcon A, kiu havas ekstreme malaltan elastecon sur la surfacareo (ĝis 2 kPa) kaj ekstreme altan elastecon en la interna (preskaŭ 100%) akva medio. .La rezultoj de la surfaca studo ne nur malkaŝis la ultra-molajn surfacajn trajtojn de la lehfilcon A-lenso, sed ankaŭ montris, ke la modulo de la branĉitaj polimeraj brosoj estis komparebla al tiu de la silicio-hidrogena substrato.Ĉi tiu surfaca karakteriza tekniko povas esti aplikita al aliaj ultra-molaj materialoj kaj medicinaj aparatoj.
La mekanikaj trajtoj de materialoj dizajnitaj por rekta kontakto kun vivanta histo ofte estas determinitaj per la biologia medio.La perfekta kongruo de ĉi tiuj materialaj propraĵoj helpas atingi la deziratajn klinikajn trajtojn de la materialo sen kaŭzi malfavorajn ĉelajn respondojn1,2,3.Por grocaj homogenaj materialoj, la karakterizado de mekanikaj trajtoj estas relative facila pro la havebleco de normaj proceduroj kaj testaj metodoj (ekz., mikroindentado4,5,6).Tamen, por ultra-molaj materialoj kiel ĝeloj, hidroĝeloj, biopolimeroj, vivantaj ĉeloj, ktp., ĉi tiuj testaj metodoj ĝenerale ne aplikeblas pro mezuraj rezoluciaj limigoj kaj la malhomogeneco de iuj materialoj7.Tra la jaroj, tradiciaj indentmetodoj estis modifitaj kaj adaptitaj por karakterizi larĝan gamon de molaj materialoj, sed multaj metodoj ankoraŭ suferas de gravaj mankoj, kiuj limigas ilian uzon8,9,10,11,12,13.La manko de specialigitaj testaj metodoj, kiuj povas precize kaj fidinde karakterizi la mekanikajn ecojn de supermolaj materialoj kaj surfacaj tavoloj severe limigas ilian uzon en diversaj aplikoj.
En nia antaŭa laboro, ni enkondukis la kontaktlenson lehfilcon A (CL), molan heterogenan materialon kun ĉiuj ultra-molaj surfacaj propraĵoj derivitaj de eble biomimetikaj dezajnoj inspiritaj de la surfaco de la korneo de la okulo.Ĉi tiu biomaterialo estis evoluigita greftante branĉigitan, krucligitan polimeran tavolon de poli(2-metacriloiloksietilfosforilkolino (MPC)) (PMPC) sur silikona hidroĝelo (SiHy) 15 desegnita por medicinaj aparatoj bazitaj sur.Ĉi tiu greftadprocezo kreas tavolon sur la surfaco konsistanta el tre mola kaj tre elasta branĉa polimera brosostrukturo.Nia antaŭa laboro konfirmis, ke la biomimetika strukturo de lehfilcon A CL provizas superajn surfacajn proprietojn kiel plibonigitan malsekigadon kaj malpurigan preventadon, pliigitan lubrikecon kaj reduktitan ĉelan kaj bakterian adheron15,16.Krome, la uzo kaj evoluo de ĉi tiu biomimetika materialo ankaŭ indikas plian vastiĝon al aliaj biomedicinaj aparatoj.Tial, estas kritike karakterizi la surfacajn trajtojn de ĉi tiu ultra-mola materialo kaj kompreni ĝian mekanikan interagadon kun la okulo por krei ampleksan scion por subteni estontajn evoluojn kaj aplikojn.Plej komerce haveblaj SiHy-kontaktlensoj estas kunmetitaj de homogena miksaĵo de hidrofilaj kaj hidrofobaj polimeroj kiuj formas unuforman materialan strukturon17.Pluraj studoj estis faritaj por esplori siajn mekanikajn trajtojn uzante tradiciajn kunpremajn, streĉajn kaj mikroindentajn testajn metodojn18,19,20,21.Tamen, la nova biomimetika dezajno de lehfilcon A CL igas ĝin unika heterogena materialo en kiu la mekanikaj trajtoj de la branĉitaj polimeraj brosstrukturoj signife devias de tiuj de la SiHy bazsubstrato.Tial, estas tre malfacile precize kvantigi tiujn trajtojn uzante konvenciajn kaj indentmetodojn.Promesplena metodo uzas la nanoindentaĵan testan metodon efektivigitan en atomforta mikroskopio (AFM), metodo kiu estis uzita por determini la mekanikajn trajtojn de molaj viskoelastaj materialoj kiel ekzemple biologiaj ĉeloj kaj histoj, same kiel molaj polimeroj22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.En AFM-nanoindentado, la fundamentoj de nanoindenttestado estas kombinitaj kun la plej novaj progresoj en AFM-teknologio por disponigi pliigitan mezuran sentemon kaj testadon de larĝa gamo de esence supermolaj materialoj31,32,33,34,35,36.Krome, la teknologio ofertas aliajn gravajn avantaĝojn per la uzo de malsamaj geometrioj.indentor kaj sondilo kaj la ebleco de testado en diversaj likvaj amaskomunikiloj.
AFM nanoindentation povas esti kondiĉe dividita en tri ĉefajn komponentojn: (1) ekipaĵo (sensiloj, detektiloj, sondiloj, ktp.);(2) mezuraj parametroj (kiel forto, movo, rapido, deklivgrandeco, ktp.);(3) Prilaborado de datumoj (bazlinia korekto, tuŝpunkta takso, datuma agordo, modelado ktp.).Grava problemo kun ĉi tiu metodo estas, ke pluraj studoj en la literaturo uzanta AFM-nanoindentaĵon raportas tre malsamajn kvantajn rezultojn por la sama specimeno/ĉelo/materiala tipo37,38,39,40,41.Ekzemple, Lekka et al.La influo de AFM-enketgeometrio sur la mezurita Young-modulo de provaĵoj de meĥanike homogena hidroĝelo kaj heterogenaj ĉeloj estis studita kaj komparita.Ili raportas, ke modulaj valoroj estas tre dependaj de kantilevera elekto kaj pintoformo, kun la plej alta valoro por piramidforma enketo kaj la plej malalta valoro de 42 por sfera enketo.Simile, Selhuber-Unkel et al.Estis montrite kiel la endentrrapideco, endentrgrandeco kaj dikeco de poliakrilamido (PAAM) provaĵoj influas la modulon de Young mezurita per ACM43 nanoindentaĵo.Alia komplika faktoro estas la manko de normaj ekstreme malaltaj modulaj testmaterialoj kaj senpagaj testaj proceduroj.Ĉi tio tre malfacilas akiri precizajn rezultojn kun konfido.Tamen, la metodo estas tre utila por relativaj mezuradoj kaj komparaj taksadoj inter similaj specimenaj tipoj, ekzemple uzante AFM-nanoindentadon por distingi normalajn ĉelojn de kanceraj ĉeloj 44, 45 .
Dum testado de molaj materialoj kun AFM-nanoindentaĵo, ĝenerala regulo estas uzi enketon kun malalta risortkonstanto (k) kiu proksime egalas la provaĵomodulon kaj duonsferan/rondan pinton tiel ke la unua enketo ne trapikas la provaĵsurfacojn sur unua kontakto kun molaj materialoj.Ankaŭ gravas, ke la deflanksignalo generita de la sondilo estu sufiĉe forta por esti detektita de la laserdetektila sistemo24,34,46,47.En la kazo de ultra-molaj heterogenaj ĉeloj, histoj kaj ĝeloj, alia defio estas venki la gluan forton inter la sondilo kaj la specimena surfaco por certigi reprodukteblajn kaj fidindajn mezuradojn48,49,50.Ĝis antaŭ nelonge, plej multe de la laboro pri AFM-nanoindentado temigis la studon de la mekanika konduto de biologiaj ĉeloj, histoj, ĝeloj, hidroĝeloj, kaj biomolekuloj uzantaj relative grandajn sferajn enketojn, ofte referitajn kiel koloidaj enketoj (CPoj)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Ĉi tiuj pintoj havas radiuson de 1 ĝis 50 µm kaj estas kutime faritaj el borosilikata vitro, polimetilmetacrilato (PMMA), polistireno (PS), silicia dioksido (SiO2) kaj diamanto- kiel karbono (DLC).Kvankam CP-AFM nanoindentation ofte estas la unua elekto por mola prova karakterizado, ĝi havas siajn proprajn problemojn kaj limigojn.La uzo de grandaj, mikron-grandaj sferaj pintoj pliigas la totalan kontaktan areon de la pinto kun la specimeno kaj rezultigas gravan perdon de spaca rezolucio.Por molaj, nehomogenaj specimenoj, kie la mekanikaj trajtoj de lokaj elementoj povas signife diferenci de la mezumo super pli larĝa areo, CP-indentaĵo povas kaŝi ajnan malhomogenecon en trajtoj sur loka skalo52.Koloidaj enketoj estas tipe faritaj alkroĉante mikron-grandajn koloidajn sferojn al senpintaj kantilevroj uzante epoksiajn gluojn.La produktadprocezo mem estas plena de multaj problemoj kaj povas konduki al faktkonfliktoj en la enketkalibra procezo.Krome, la grandeco kaj maso de koloidaj partikloj rekte influas la ĉefajn kalibrajn parametrojn de la kantilevro, kiel resonanca frekvenco, printempa rigideco kaj deklina sentiveco56,57,58.Tiel, ofte uzataj metodoj por konvenciaj AFM-sondiloj, kiel temperaturkalibrado, eble ne disponigas precizan alĝustigon por CP, kaj aliaj metodoj povas esti postulataj por plenumi ĉi tiujn korektojn57, 59, 60, 61. Tipaj CP-indenteksperimentoj uzas grandajn deviojn kantilever al. studi la ecojn de molaj specimenoj, kio kreas alian problemon kiam oni kalibras la ne-linian konduton de la kantilevro ĉe relative grandaj devioj62,63,64.Modernaj koloidaj sondaj indentmetodoj kutime konsideras la geometrion de la kantilevro uzata por kalibri la sondilon, sed ignoras la influon de koloidaj partikloj, kiu kreas plian necertecon en la precizeco de la metodo38,61.Simile, elastaj moduloj kalkulitaj per kontaktmodelĝustigo estas rekte dependaj de la geometrio de la indentsondilo, kaj miskongruo inter pinto kaj specimenaj surfackarakterizaĵoj povas konduki al malprecizecoj27, 65, 66, 67, 68. Iu lastatempa laboro de Spencer et al.La faktoroj, kiujn oni devas konsideri dum karakterizado de molaj polimeraj brosoj uzante la metodon de nanoindentado CP-AFM, estas emfazitaj.Ili raportis, ke la reteno de viskoza fluido en polimeraj brosoj kiel funkcio de rapideco rezultigas pliiĝon en kapŝarĝado kaj tial malsamaj mezuradoj de rapidecdependaj trajtoj30,69,70,71.
En ĉi tiu studo, ni karakterizis la surfacan modulon de la ultra-mola tre elasta materialo lehfilcon A CL uzante modifitan AFM-nanoindent-metodon.Konsiderante la propraĵoj kaj nova strukturo de ĉi tiu materialo, la sentiveca gamo de la tradicia indenta metodo estas klare nesufiĉa por karakterizi la modulon de ĉi tiu ekstreme mola materialo, do necesas uzi AFM-nanoindentan metodon kun pli alta sentemo kaj pli malalta sentemo.nivelo.Post revizii la mankojn kaj problemojn de ekzistantaj koloidaj AFM-sondilaj nanoindentteknikoj, ni montras kial ni elektis pli malgrandan, laŭ-dezajnitan AFM-sondilon por forigi sentemon, fonan bruon, pintan punkton de kontakto, mezuri rapidmodulon de molaj heterogenaj materialoj kiel fluida reteno. dependeco.kaj preciza kvantigo.Krome, ni povis precize mezuri la formon kaj dimensiojn de la indentpinto, permesante al ni uzi la konus-sferan taŭgan modelon por determini la modulon de elasteco sen taksi la kontaktan areon de la pinto kun la materialo.La du implicaj supozoj kiuj estas kvantigitaj en ĉi tiu laboro estas la plene elastaj materialaj trajtoj kaj la indentprofund-sendependa modulo.Uzante ĉi tiun metodon, ni unue testis ultra-molajn normojn kun konata modulo por kvantigi la metodon, kaj poste uzis ĉi tiun metodon por karakterizi la surfacojn de du malsamaj kontaktlensaj materialoj.Tiu metodo de karakterizado de AFM nanoindentsurfacoj kun pliigita sentemo estas atendita esti uzebla al larĝa gamo de biomimetaj heterogenaj ultramolaj materialoj kun ebla uzo en medicinaj aparatoj kaj biomedicinaj aplikoj.
Lehfilcon A kontaktlensoj (Alcon, Fort Worth, Teksaso, Usono) kaj iliaj silikonhidroĝelaj substratoj estis elektitaj por nanoindentaĵoeksperimentoj.Speciale dizajnita lensmonto estis uzita en la eksperimento.Por instali la lenson por testado, ĝi estis zorge metita sur la kupolforman standon, certigante, ke neniuj aervezikoj eniru, kaj poste fiksita per la randoj.Truo en la fiksaĵo ĉe la supro de la lensotenilo disponigas aliron al la optika centro de la lenso por nanoindentaĵeksperimentoj tenante la likvaĵon modloko.Ĉi tio tenas la lensojn plene hidratigitaj.500 μl da kontaktlensa paka solvo estis uzataj kiel testa solvo.Por kontroli la kvantajn rezultojn, komerce haveblaj ne-aktivigitaj poliakrilamidaj (PAAM) hidroĝeloj estis preparitaj el poliakrilamida-ko-metilen-bisakrilamida kunmetaĵo (100 mm Petrisoft Petri pladoj, Matrigen, Irvine, CA, Usono), konata elasta modulo de 1. kPa.Uzu 4-5 gutojn (ĉirkaŭ 125 µl) da fosfata tamponita salo (PBS de Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, Usono) kaj 1 guto de OPTI-FREE Puremoist kontaktlenssolvo (Alcon, Vaud, TX, Usono).) ĉe la AFM-hidroĝela-sonda interfaco.
Provaĵoj de Lehfilcon A CL kaj SiHy-substratoj estis bildigitaj uzante FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) sistemon ekipitan per Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) detektilo.Por prepari la specimenojn, la lensoj estis unue lavitaj per akvo kaj tranĉitaj en kukformajn kojnojn.Por atingi diferencigan kontraston inter la hidrofilaj kaj hidrofobaj komponentoj de la provaĵoj, 0.10% stabiligita solvo de RuO4 estis uzata kiel tinkturfarbo, en kiu la specimenoj estis mergitaj dum 30 min.La lehfilcon A CL RuO4-makulado estas grava ne nur por atingi plibonigitan diferencigan kontraston, sed ankaŭ helpas konservi la strukturon de la branĉitaj polimeraj brosoj en sia originala formo, kiuj tiam estas videblaj sur STEM-bildoj.Ili tiam estis lavitaj kaj senakvigitaj en serio de etanolo/akvomiksaĵoj kun kreskanta etanolkoncentriĝo.La provaĵoj tiam estis gisitaj kun EMBed 812/Araldite epoksio, kiu resaniĝis dum la nokto je 70 °C.Specimenblokoj akiritaj per rezina polimerigo estis tranĉitaj per ultramikrotomo, kaj la rezultaj maldikaj sekcioj estis bildigitaj per STEM-detektilo en malalta vakua reĝimo ĉe akcela tensio de 30 kV.La sama SEM-sistemo estis uzita por detala karakterizado de la PFQNM-LC-A-CAL AFM-enketo (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, Usono).SEM-bildoj de la AFM-enketo estis akiritaj en tipa alta vakua reĝimo kun akcela tensio de 30 kV.Akiru bildojn laŭ malsamaj anguloj kaj pligrandigoj por registri ĉiujn detalojn de la formo kaj grandeco de la AFM-enketpinto.Ĉiuj pintaj dimensioj de intereso en la bildoj estis mezuritaj ciferece.
Dimension FastScan Bio Icon atomfortmikroskopo (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, Usono) kun "PeakForce QNM in Fluid" reĝimo estis uzita por bildigi kaj nanoindentate lehfilcon A CL, SiHy-substrato, kaj PAAm-hidrogelprovaĵojn.Por bildigaj eksperimentoj, PEAKFORCE-HIRS-FA-sondilo (Bruker) kun nominala pintradiuso de 1 nm estis uzata por kapti alt-rezoluciajn bildojn de la specimeno kun skana rapido de 0.50 Hz.Ĉiuj bildoj estis prenitaj en akva solvaĵo.
AFM-nanoindenteksperimentoj estis aranĝitaj uzante PFQNM-LC-A-CAL-sondilon (Bruker).La AFM-enketo havas silician pinton sur nitruda kantilevro 345 nm dika, 54 µm longa kaj 4.5 µm larĝe kun resonfrekvenco de 45 kHz.Ĝi estas specife desegnita por karakterizi kaj plenumi kvantajn nanomekanikajn mezuradojn sur molaj biologiaj provaĵoj.La sensiloj estas individue kalibritaj en la fabriko kun antaŭ-kalibritaj printempaj agordoj.La printempaj konstantoj de la sondiloj uzitaj en ĉi tiu studo estis en la intervalo de 0.05-0.1 N/m.Por precize determini la formon kaj grandecon de la pinto, la enketo estis karakterizita detale uzante SEM.Sur fig.Figuro 1a montras altan rezolucion, malaltan pligrandigon skanantan elektronmikrografon de la enketo PFQNM-LC-A-CAL, provizante holisman vidon de la enketdezajno.Sur fig.1b montras pligrandigitan vidon de la supro de la enketpinto, provizante informojn pri la formo kaj grandeco de la pinto.Ĉe la ekstrema fino, la nadlo estas hemisfero ĉirkaŭ 140 nm en diametro (Fig. 1c).Sub tio, la pinto mallarĝiĝas en konusan formon, atingante laŭmezuran longon de ĉirkaŭ 500 nm.Ekster la mallarĝiĝanta regiono, la pinto estas cilindra kaj finiĝas en totala pintolongo de 1.18 µm.Ĉi tio estas la ĉefa funkcia parto de la enketpinto.Krome, granda sfera polistireno (PS) enketo (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iovao, Usono) kun pintodiametro de 45 µm kaj printempa konstanto de 2 N/m ankaŭ estis uzita por testado kiel koloida sondilo.kun PFQNM-LC-A-CAL 140 nm-enketo por komparo.
Oni raportis, ke likvaĵo povas esti kaptita inter la AFM-sondilo kaj la polimera brosostrukturo dum nanoindentado, kiu penos suprenan forton sur la AFM-sondilo antaŭ ol ĝi efektive tuŝos la surfacon69.Tiu viskoza eltruda efiko pro fluida reteno povas ŝanĝi la ŝajnan kontaktopunkton, tiel influante surfacmodulmezuradon.Por studi la efikon de enketgeometrio kaj indentrapideco sur fluida reteno, indentfortkurboj estis punktskribitaj por lehfilcon A CL-provaĵoj uzante 140 nm-diametran enketon ĉe konstantaj delokiĝrapidecoj de 1 µm/s kaj 2 µm/s.sonda diametro 45 µm, fiksa forto fikso 6 nN atingita je 1 µm/s.Eksperimentoj per sondilo 140 nm en diametro estis faritaj kun indentrapideco de 1 µm/s kaj fiksita forto de 300 pN, elektita por krei kontaktopremon ene de la fiziologia intervalo (1-8 kPa) de la supra palpebro.premo 72. Molaj pretaj specimenoj de PAA-hidroĝelo kun premo de 1 kPa estis testitaj pri indentforto de 50 pN kun rapido de 1 μm/s uzante sondilon kun diametro de 140 nm.
Ĉar la longo de la konusa parto de la pinto de la enketo PFQNM-LC-A-CAL estas proksimume 500 nm, por iu indentprofundo < 500 nm oni povas sekure supozi, ke la geometrio de la enketo dum la sondo restos fidela al ĝia. konusformo.Krome, oni supozas, ke la surfaco de la materialo sub testo elmontros reigeblan elastan respondon, kiu ankaŭ estos konfirmita en la sekvaj sekcioj.Tial, depende de la formo kaj grandeco de la pinto, ni elektis la konus-sferan konvenan modelon evoluigitan de Briscoe, Sebastian kaj Adams, kiu estas havebla en la softvaro de la vendisto, por prilabori niajn AFM-nanoindentaĵeksperimentojn (NanoScope).Apartiga datuma analizo programaro, Bruker) 73. La modelo priskribas la forto-movorilaton F(δ) por konuso kun sfera apeksa difekto.Sur fig.Figuro 2 montras la kontaktogeometrion dum la interago de rigida konuso kun sfera pinto, kie R estas la radiuso de la sfera pinto, a estas la kontakradiuso, b estas la kontaktradiuso ĉe la fino de la sfera pinto, δ estas la kontakta radiuso.indentprofundo, θ estas la duonangulo de la konuso.La SEM-bildo de ĉi tiu enketo klare montras ke la 140 nm-diametra sfera pinto kunfandiĝas tanĝante en konuso, do ĉi tie b estas difinita nur tra R, te b = R cos θ.La softvaro liverita de vendisto disponigas konus-sferan rilaton por kalkuli la modulusajn (E) valorojn de Young de fortaj apartigdatenoj supozante a > b.Rilato:
kie F estas la indentforto, E estas la modulo de Young, ν estas la rilatumo de Poisson.La kontakradiuso a povas esti taksita uzante:
Skemo de la kontaktgeometrio de rigida konuso kun sfera pinto premita en la materialon de Lefilcon kontaktlenso kun surfaca tavolo de branĉitaj polimerbrosoj.
Se a ≤ b, la rilato reduktas al la ekvacio por konvencia sfera indentador;
Ni kredas, ke la interago de la indenta sondilo kun la disbranĉita strukturo de la PMPC-polimera broso kaŭzos, ke la kontaktradiuso a estos pli granda ol la sfera kontaktradiuso b.Tial, por ĉiuj kvantaj mezuradoj de la elasta modulo farita en ĉi tiu studo, ni uzis la dependecon akiritan por la kazo a > b.
La ultramolaj biomimetikaj materialoj studitaj en ĉi tiu studo estis amplekse bildigitaj uzante skanan transmisigan elektronan mikroskopion (STEM) de la specimena sekco kaj atomfortmikroskopion (AFM) de la surfaco.Ĉi tiu detala surfaca karakterizado estis farita kiel etendo de nia antaŭe publikigita laboro, en kiu ni determinis, ke la dinamike branĉita polimera brosostrukturo de la PMPC-modifita lehfilcon A CL-surfaco elmontris similajn mekanikajn proprietojn al indiĝena kornea histo 14 .Tial ni nomas kontaktlensajn surfacojn biomimetikajn materialojn14.Sur fig.3a,b montras sekcojn de branĉitaj PMPC polimeraj brosstrukturoj sur la surfaco de lehfilcon A CL-substrato kaj netraktita SiHy-substrato, respektive.La surfacoj de ambaŭ specimenoj estis plu analizitaj per alt-rezoluciaj AFM-bildoj, kiuj plu konfirmis la rezultojn de la STEM-analizo (Fig. 3c, d).Kunigitaj, tiuj bildoj donas proksimuman longon de la PMPC-branĉita polimera brosostrukturo ĉe 300-400 nm, kio estas kritika por interpretado de AFM-nanoindentmezuradoj.Alia esenca observado derivita de la bildoj estas ke la totala surfacstrukturo de la CL-biomimetika materialo estas morfologie diferenca de tiu de la SiHy substratmaterialo.Tiu diferenco en ilia surfacmorfologio povas iĝi ŝajna dum ilia mekanika interagado kun la indentanta AFM-enketo kaj poste en la laŭmezuraj modulvaloroj.
Trans-sekcaj STEM-bildoj de (a) lehfilcon A CL kaj (b) SiHy-substrato.Skalstango, 500 nm.AFM-bildoj de la surfaco de la lehfilcon A CL-substrato (c) kaj la baza SiHy-substrato (d) (3 µm × 3 µm).
Bioinspiraj polimeroj kaj polimeraj brosstrukturoj estas esence molaj kaj estis vaste studitaj kaj uzataj en diversaj biomedicinaj aplikoj74,75,76,77.Tial, estas grave uzi la AFM-nanoindent-metodon, kiu povas precize kaj fidinde mezuri iliajn mekanikajn ecojn.Sed samtempe, la unikaj propraĵoj de ĉi tiuj ultra-molaj materialoj, kiel ekstreme malalta elasta modulo, alta likva enhavo kaj alta elasteco, ofte malfaciligas elekti la ĝustan materialon, formon kaj formon de la indenta sondilo.grandeco.Ĉi tio gravas, por ke la indentilo ne trapiku la molan surfacon de la specimeno, kio kondukus al eraroj en determini la punkton de kontakto kun la surfaco kaj la areo de kontakto.
Por tio, ampleksa kompreno de la morfologio de ultra-molaj biomimetikaj materialoj (lehfilcon A CL) estas esenca.Informoj pri la grandeco kaj strukturo de la branĉitaj polimerbrosoj akiritaj per la bildiga metodo disponigas la bazon por la mekanika karakterizado de la surfaco uzante AFM-nanoindentteknikojn.Anstataŭ mikron-grandaj sferaj koloidaj sondiloj, ni elektis la PFQNM-LC-A-CAL-silician nitrudan sondilon (Bruker) kun pinta diametro de 140 nm, speciale desegnita por kvanta mapado de la mekanikaj propraĵoj de biologiaj specimenoj 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 La raciaĵo por uzado de relative akraj enketoj kompare kun konvenciaj koloidaj enketoj povas esti klarigita per la strukturaj trajtoj de la materialo.Komparante la enketpintgrandecon (~140 nm) kun la disbranĉigitaj polimeraj brosoj sur la surfaco de CL lehfilcon A, montrita en Fig. 3a, oni povas konkludi, ke la pinto estas sufiĉe granda por veni en rektan kontakton kun ĉi tiuj brosstrukturoj, kiuj reduktas la eblecon de la pinto trapiki ilin.Por ilustri ĉi tiun punkton, en Fig. 4 estas STEM-bildo de la lehfilcon A CL kaj la indentpinto de la AFM-sondilo (desegnita al skalo).
Skemo montranta STEM-bildon de lehfilcon A CL kaj ACM-indentsondilo (desegnita al skalo).
Krome, la pintograndeco de 140 nm estas sufiĉe malgranda por eviti la riskon de iu el la gluiĝemaj eltrudaj efikoj antaŭe raportitaj por polimeraj brosoj produktitaj per la metodo de nanoindentado CP-AFM69,71.Ni supozas, ke pro la speciala konus-sfera formo kaj relative malgranda grandeco de ĉi tiu AFM-pinto (Fig. 1), la naturo de la fortokurbo generita de lehfilcon A CL nanoindentation ne dependos de la indentrapideco aŭ la ŝarĝa/malŝarĝa rapideco. .Tial ĝi ne estas tuŝita de poroelastaj efikoj.Por testi tiun hipotezon, lehfilcon A CL-provaĵoj estis indentitaj ĉe fiksa maksimuma forto uzante PFQNM-LC-A-CAL-enketon, sed ĉe du malsamaj rapidecoj, kaj la rezultaj tirstreĉaj kaj retiriĝaj fortokurboj estis uzitaj por punktskribi la forton (nN) en apartigo (µm) estas montrita en Figuro 5a.Estas klare, ke la fortokurboj dum ŝarĝado kaj malŝarĝo tute interkovras, kaj ekzistas neniu klara indico ke la fortotondo ĉe nula indentprofundo pliiĝas kun indentrapideco en la figuro, sugestante ke la individuaj broselementoj estis karakterizitaj sen poroelasta efiko.En kontrasto, fluidaj retenaj efikoj (viskoza eltrudado kaj poroelasteco-efikoj) estas evidentaj por la 45 µm-diametra AFM-sondilo ĉe la sama indentrapideco kaj estas elstarigitaj per la histerezo inter la streĉado kaj retiriĝaj kurboj, kiel montrite en Figuro 5b.Tiuj rezultoj apogas la hipotezon kaj sugestas ke 140 nm-diametraj enketoj estas bona elekto por karakterizado de tiaj molaj surfacoj.
lehfilcon A CL indentfortfortkurboj uzante ACM;(a) uzante sondilon kun diametro de 140 nm je du ŝarĝaj rapidecoj, montrante la foreston de poroelasta efiko dum surfaca indentiĝo;(b) uzante sondilojn kun diametro de 45 µm kaj 140 nm.s montras la efikojn de viskoza eltrudado kaj poroelasteco por grandaj enketoj kompare kun pli malgrandaj enketoj.
Por karakterizi ultramolajn surfacojn, AFM nanoindentaĵmetodoj devas havi la plej bonan enketon por studi la trajtojn de la materialo studata.Aldone al la pintoformo kaj grandeco, la sentemo de la AFM-detektila sistemo, sentemo al pintodeklino en la testa medio, kaj kantilevra rigideco ludas gravan rolon en determini la precizecon kaj fidindecon de nanoindentado.mezuradoj.Por nia AFM-sistemo, la limo de detekto de Position Sensitive Detector (PSD) estas proksimume 0.5 mV kaj baziĝas sur la antaŭ-kalibrita printempa indico kaj la kalkulita fluida deklina sentiveco de la sondilo PFQNM-LC-A-CAL, kiu respondas al la teoria ŝarĝo-sentemo.estas malpli ol 0,1 pN.Tial, tiu metodo permesas la mezuradon de minimuma indentforto ≤ 0.1 pN sen iu periferia brukomponento.Tamen, estas preskaŭ maleble ke AFM-sistemo reduktus periferian bruon al tiu nivelo pro faktoroj kiel ekzemple mekanika vibrado kaj fluidodinamiko.Ĉi tiuj faktoroj limigas la totalan sentemon de la AFM nanoindent-metodo kaj ankaŭ rezultigas fonbruan signalon de proksimume ≤ 10 pN.Por surfaca karakterizado, lehfilcon A CL kaj SiHy substrataj specimenoj estis indentitaj sub plene hidratigitaj kondiĉoj uzante 140 nm-enketon por SEM-karakterizado, kaj la rezultaj fortokurboj estis supermetitaj inter forto (pN) kaj premo.La disiga intrigo (µm) estas montrita en Figuro 6a.Kompare al la SiHy-bazsubstrato, la lehfilcon A CL-fortkurbo klare montras transiran fazon komencantan ĉe la punkto de kontakto kun la forkforma polimerbroso kaj finiĝanta kun akra ŝanĝo en deklivo markanta kontakton de la pinto kun la subesta materialo.Ĉi tiu transira parto de la forto-kurbo elstarigas la vere elastan konduton de la disbranĉita polimerbroso sur la surfaco, kiel pruvas la kunpremadkurbo proksime sekvante la streĉan kurbon kaj la kontraston en mekanikaj trajtoj inter la brosostrukturo kaj dika SiHy-materialo.Komparante lefilcon.Apartigo de la averaĝa longo de branĉa polimera broso en la STEM-bildo de la PCS (Fig. 3a) kaj ĝia fortokurbo laŭ la absciso en Fig. 3a.6a montras, ke la metodo kapablas detekti la pinton kaj la branĉitan polimeron atingantan la pinton de la surfaco.Kontakto inter penikostrukturoj.Krome, proksima interkovro de la fortokurboj indikas neniun likvan reten efikon.En ĉi tiu kazo, estas absolute neniu adhero inter la nadlo kaj la surfaco de la specimeno.La plej supraj sekcioj de la fortokurboj por la du provaĵoj interkovras, reflektante la similecon de la mekanikaj trajtoj de la substratmaterialoj.
(a) AFM-nanoindentaĵfortkurboj por lehfilcon A CL-substratoj kaj SiHy-substratoj, (b) fortkurboj montrantaj kontaktpunktotakson uzante la fonbruan sojlometodon.
Por studi la pli bonajn detalojn de la fortokurbo, la streĉa kurbo de la lehfilcon A CL-specimeno estas re-plektita en Fig. 6b kun maksimuma forto de 50 pN laŭ la y-akso.Ĉi tiu grafikaĵo provizas gravajn informojn pri la origina fona bruo.La bruo estas en la intervalo de ±10 pN, kiu estas uzata por precize determini la kontaktopunkton kaj kalkuli la indentprofundon.Kiel raportite en la literaturo, la identigo de kontaktopunktoj estas kritika por precize taksi materialajn trajtojn kiel ekzemple modulus85.Aliro implikanta aŭtomatan prilaboradon de fortokurbaj datenoj montris plibonigitan kongruon inter datuma konveno kaj kvantaj mezuradoj por molaj materialoj86.En ĉi tiu laboro, nia elekto de kontaktopunktoj estas relative simpla kaj objektiva, sed ĝi havas siajn limojn.Nia konservativa aliro por determini la punkton de kontakto povas rezultigi iomete supertaksitajn modulajn valorojn por pli malgrandaj indentprofundoj (< 100 nm).La uzo de algoritmo-bazita tuŝpunktodetekto kaj aŭtomatigita datumtraktado povus esti daŭrigo de ĉi tiu laboro en la estonteco por plu plibonigi nian metodon.Tiel, por interna fona bruo en la ordo de ±10 pN, ni difinas la kontaktopunkton kiel la unuan datenpunkton sur la x-akso en Figuro 6b kun valoro de ≥10 pN.Tiam, laŭ la brua sojlo de 10 pN, vertikala linio je la nivelo de ~0.27 µm markas la punkton de kontakto kun la surfaco, post kiu la streĉa kurbo daŭras ĝis la substrato renkontas la indentprofundon de ~270 nm.Interese, surbaze de la grandeco de la branĉitaj polimeraj brosaj trajtoj (300-400 nm) mezuritaj per la bildiga metodo, la indentprofundo de la CL lehfilcon A specimeno observita uzante la fonbruan sojlometodon estas proksimume 270 nm, kiu estas tre proksima al la mezurgrandeco kun STEM.Ĉi tiuj rezultoj plue konfirmas la kongruecon kaj aplikeblecon de la formo kaj grandeco de la AFM-enketpinto por indentado de ĉi tiu tre mola kaj tre elasta branĉita polimera brosostrukturo.Ĉi tiuj datumoj ankaŭ provizas fortajn pruvojn por subteni nian metodon uzi fonan bruon kiel sojlon por indiki kontaktopunktojn.Tiel, ĉiuj kvantaj rezultoj akiritaj de matematika modeligado kaj forto-kurba alĝustigo devus esti relative precizaj.
Kvantaj mezuradoj per AFM nanoindentaĵmetodoj estas tute dependaj de la matematikaj modeloj utiligitaj por datenselektado kaj posta analizo.Tial, estas grave konsideri ĉiujn faktorojn rilatigitaj kun la elekto de indentor, materialaj propraĵoj kaj la mekaniko de ilia interago antaŭ ol elekti apartan modelon.En ĉi tiu kazo, la pintogeometrio estis zorge karakterizita uzante SEM-mikrografojn (Fig. 1), kaj surbaze de la rezultoj, la 140 nm-diametra AFM nanoindenting-sondilo kun malmola konuso kaj sfera pintogeometrio estas bona elekto por karakterizi lehfilcon A CL79-provaĵojn. .Alia grava faktoro kiu devas esti singarde taksita estas la elasteco de la polimermaterialo estanta testita.Kvankam la komencaj datumoj de nanoindentado (Fig. 5a kaj 6a) klare skizas la trajtojn de la interkovro de la streĉaj kaj kunpremaj kurboj, te, la kompleta elasta reakiro de la materialo, estas ege grave konfirmi la pure elastan naturon de la kontaktoj. .Tiucele, du sinsekvaj indentaĵoj estis faritaj ĉe la sama loko sur la surfaco de la lehfilcon A CL-provaĵo kun indentrapideco de 1 µm/s sub plenaj hidratigkondiĉoj.La rezulta fortokurba datumoj estas montritaj en fig.7 kaj, kiel atendite, la ekspansio- kaj kunpremaj kurboj de la du presaĵoj estas preskaŭ identaj, elstarigante la altan elastecon de la branĉigita polimera brosostrukturo.
Du indentfortkurboj ĉe la sama loko sur la surfaco de lehfilcon A CL indikas la idealan elastecon de la lenssurfaco.
Surbaze de informoj akiritaj de SEM kaj STEM-bildoj de la enketpinto kaj lehfilcon A CL-surfaco, respektive, la konussfera modelo estas akceptebla matematika reprezentado de la interago inter la AFM-enketpinto kaj la mola polimermaterialo estanta testita.Krome, por tiu konussfera modelo, la fundamentaj supozoj pri la elastaj trajtoj de la presita materialo validas por tiu nova biomimetika materialo kaj kutimas kvantigi la elastan modulon.
Post ampleksa taksado de la AFM nanoindentaĵmetodo kaj ĝiaj komponentoj, inkluzive de indentsondpropraĵoj (formo, grandeco, kaj risorta rigideco), sentemo (fona bruo kaj kontakpunktotakso), kaj datumaj konvenaj modeloj (kvantaj modulaj mezuradoj), la metodo estis uzata.karakterizi komerce haveblajn ultra-molajn specimenojn por kontroli kvantajn rezultojn.Komerca poliakrilamida (PAAM) hidroĝelo kun elasta modulo de 1 kPa estis testita sub hidratigitaj kondiĉoj uzante 140 nm-enketon.Detaloj pri modula testado kaj kalkuloj estas provizitaj en la Aldonaj Informoj.La rezultoj montris, ke la mezuma modulo mezurita estis 0.92 kPa, kaj la %RSD kaj procenta (%) devio de la konata modulo estis malpli ol 10%.Ĉi tiuj rezultoj konfirmas la precizecon kaj reprodukteblecon de la AFM nanoindenta metodo uzita en ĉi tiu laboro por mezuri la modulojn de ultramolaj materialoj.La surfacoj de la lehfilcon A CL-provaĵoj kaj la SiHy-bazsubstrato estis plue karakterizitaj uzante la saman AFM-nanoindentaĵmetodon por studi la ŝajnan kontaktomodulon de la ultramola surfaco kiel funkcio de indentprofundo.Indentfortaj apartigkurboj estis generitaj por tri specimenoj de ĉiu tipo (n = 3; unu indentaĵo per specimeno) je forto de 300 pN, rapideco de 1 µm/s, kaj plena hidratiĝo.La indentforta kundivida kurbo estis aproksimita uzante konusferan modelon.Por akiri modulon dependan de indentprofundo, 40 nm larĝa parto de la fortokurbo estis fiksita ĉe ĉiu pliigo de 20 nm komencante de la punkto de kontakto, kaj mezuritaj valoroj de la modulo ĉe ĉiu paŝo de la fortokurbo.Spin Cy et al.Simila aliro estis utiligita por karakterizi la modulan gradienton de polimeraj brosoj (P12MA) uzantaj koloidan AFM-sondan nanoindentaĵon, kaj ili estas kongruaj kun datenoj uzantaj la Hertz-kontaktmodelon.Ĉi tiu aliro disponigas intrigon de ŝajna kontaktomodulo (kPa) kontraŭ indentprofundo (nm), kiel montrite en Figuro 8, kiu ilustras la ŝajnan kontaktomodulon/profundan gradienton.La kalkulita elasta modulo de la specimeno CL lehfilcon A estas en la intervalo de 2-3 kPa ene de la supraj 100 Nm de la provaĵo, preter kiu ĝi komencas pliiĝi kun profundo.Aliflanke, dum testado de la baza substrato de SiHy sen broso-simila filmo sur la surfaco, la maksimuma indentprofundo atingita ĉe forto de 300 pN estas malpli ol 50 nm, kaj la modula valoro akirita de la datumoj estas proksimume 400 kPa. , kiu estas komparebla al la valoroj de la modulo de Young por grocaj materialoj.
Ŝajna kontaktomodulo (kPa) kontraŭ indentprofundo (nm) por lehfilcon A CL kaj SiHy-substratoj uzantaj AFM-nanoindentmetodon kun konussfera geometrio por mezuri modulon.
La plej supra surfaco de la nova biomimetika disbranĉigita polimera brosostrukturo elmontras ekstreme malaltan modulon de elasteco (2-3 kPa).Ĉi tio kongruos kun la libera pendanta fino de la forkita polimera broso kiel montrita en la STEM-bildo.Dum ekzistas iuj signoj de modula gradiento ĉe la rando de la CL, la ĉefa alta modula substrato estas pli influa.Tamen, la supraj 100 nm de la surfaco estas ene de 20% de la totala longo de la disbranĉita polimera broso, do estas racie supozi, ke la mezuritaj valoroj de la modulo en ĉi tiu dentprofunda gamo estas relative precizaj kaj ne forte. dependas de la efiko de la malsupra objekto.
Pro la unika biomimetika dezajno de lehfilcon A kontaktlensoj, konsistante el branĉitaj PMPC polimeraj brosstrukturoj greftitaj sur la surfacon de SiHy-substratoj, estas tre malfacile fidinde karakterizi la mekanikajn trajtojn de iliaj surfacaj strukturoj uzante tradiciajn mezurmetodojn.Ĉi tie ni prezentas altnivelan AFM-nanoindentan metodon por precize karakterizi ultra-molajn materialojn kiel ekzemple lefilcon A kun alta akvoenhavo kaj ekstreme alta elasteco.Ĉi tiu metodo baziĝas sur la uzo de AFM-enketo, kies pintgrandeco kaj geometrio estas singarde elektitaj por egali la strukturajn grandecojn de la ultra-molaj surfacaj trajtoj por esti presitaj.Ĉi tiu kombinaĵo de dimensioj inter enketo kaj strukturo provizas pliigitan sentemon, permesante al ni mezuri la malaltan modulon kaj enecajn elastajn trajtojn de branĉitaj polimeraj brosaj elementoj, sendepende de poroelastaj efikoj.La rezultoj montris, ke la unikaj branĉitaj PMPC polimeraj brosoj karakterizaj por la lenssurfaco havis ekstreme malaltan elastan modulon (ĝis 2 kPa) kaj tre altan elastecon (preskaŭ 100%) kiam provitaj en akva medio.La rezultoj de AFM nanoindentado ankaŭ permesis al ni karakterizi la ŝajnan kontaktomodulon/profundgradienton (30 kPa/200 nm) de la biomimetika lenssurfaco.Tiu gradiento povas ŝuldiĝi al la moduldiferenco inter la branĉitaj polimerbrosoj kaj la SiHy-substrato, aŭ la disbranĉita strukturo/denseco de la polimerbrosoj, aŭ kombinaĵo de tio.Tamen, pliaj profundaj studoj estas necesaj por plene kompreni la rilaton inter strukturo kaj propraĵoj, precipe la efikon de brosbranĉigo sur mekanikaj trajtoj.Similaj mezuradoj povas helpi karakterizi la mekanikajn ecojn de la surfaco de aliaj ultra-molaj materialoj kaj medicinaj aparatoj.
Datumaroj generitaj kaj/aŭ analizitaj dum la nuna studo estas haveblaj de la respektivaj aŭtoroj laŭ akceptebla peto.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. kaj Haugen, HJ Biologiaj reagoj al fizikaj kaj kemiaj trajtoj de surfacoj de biomaterialoj.Kemiaĵo.socio.Red.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM kaj Liu, X. Plibonigo de hom-derivitaj biomaterialoj por hista inĝenierado.programado.polimero.la scienco.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Dezajno, klinika efektivigo kaj imuna respondo de biomaterialoj en regenera medicino.Nacia Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK kaj Farr GM Plibonigita metodo por determinado de malmoleco kaj elasta modulo uzanta indenteksperimentojn kun ŝarĝo kaj delokaĵmezuradoj.J. Alma mater.stokujo.7, 1564-1583 (2011).
Wally, SM Historiaj originoj de indenta malmolecotestado.studuniversitato.la scienco.teknologioj.28, 1028-1044 (2012).
Broitman, E. Indentation Hardness Measurements ĉe la Makro-, Mikro-, kaj Nanoscale: Kritika Revizio.tribo.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD kaj Clapperich, SM Surfacaj detektaj eraroj kondukas al modula supertakso en nanoindentado de molaj materialoj.J. Mecha.Konduto.Biomedicina Scienco.studuniversitato.2, 312-317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR kaj Yahya M.Yu.Taksado de la nanoindenta metodo por determinado de la mekanikaj karakterizaĵoj de heterogenaj nanokunmetaĵoj uzantaj eksperimentajn kaj komputilajn metodojn.la scienco.Domo 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, kaj Owart, TS Mekanika karakterizado de molaj viskoelastaj ĝeloj per indentaĵo kaj optimum-bazita inversa finhava elementanalizo.J. Mecha.Konduto.Biomedicina Scienco.studuniversitato.2, 355-363 (2009).
Andrews JW, Bowen J kaj Chaneler D. Optimumigo de viskoelasticdetermino uzanta kongruajn mezursistemojn.Mola Materio 9, 5581-5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. kaj Pellillo, E. Nanoindentation de polimeraj surfacoj.J. Fiziko.D. Petu pri fiziko.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. kaj Van Vliet KJ Karakterizado de viskoelastaj mekanikaj trajtoj de tre elastaj polimeroj kaj biologiaj histoj uzantaj ŝokan indentaĵon.Ĵurnalo de Biomaterialoj.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Taksado de la elasta modulo kaj adhera laboro de molaj materialoj uzante la plilongigitan Borodich-Galanov (BG) metodon kaj profundan indentaĵon.felo.studuniversitato.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Nanoskala morfologio kaj mekanikaj trajtoj de biomimetaj polimeraj surfacoj de silikonhidroĝelaj kontaklensoj.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).