Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Toant in karrousel fan trije dia's tagelyk.Brûk de knoppen Foarige en Folgjende om troch trije dia's tagelyk te bewegen, of brûk de sliderknoppen oan 'e ein om troch trije dia's tagelyk te bewegen.
Mei de ûntwikkeling fan nije ultra-sêfte materialen foar medyske apparaten en biomedyske tapassingen, is de wiidweidige karakterisearring fan har fysike en meganyske eigenskippen sawol wichtich as útdaagjend.In wizige atomic force mikroskopy (AFM) nanoindentation technyk waard tapast te karakterisearjen de ekstreem lege oerflak modulus fan de nije lehfilcon In biomimetyske siliconen hydrogel kontakt lins bedekt mei in laach fan fertakke polymear borstel struktueren.Dizze metoade lit sekuere bepaling fan kontaktpunten sûnder de effekten fan taaie extrusion by it benaderjen fan fertakte polymers.Dêrneist makket it mooglik om te bepalen de meganyske skaaimerken fan yndividuele borstel eleminten sûnder it effekt fan poroelasticity.Dit wurdt berikt troch it selektearjen fan in AFM sonde mei in ûntwerp (tip grutte, mjitkunde en spring rate) dat is benammen geskikt foar it mjitten fan de eigenskippen fan sêfte materialen en biologyske samples.Dizze metoade ferbettert gefoelichheid en krektens foar krekte mjitting fan it heul sêfte materiaal lehfilcon A, dat in ekstreem lege elastisiteitsmodulus hat op it oerflak (oant 2 kPa) en in ekstreem hege elastisiteit yn 'e ynterne (hast 100%) wetterige omjouwing .De resultaten fan 'e oerflakstúdzje lieten net allinich de ultra-sêfte oerflakeigenskippen fan' e lehfilcon A-lens sjen, mar lieten ek sjen dat de modulus fan 'e fertakke polymearborstels te fergelykjen wie mei dy fan it silisium-hydrogen-substraat.Dizze oerflakkarakterisaasjetechnyk kin tapast wurde op oare ultra-sêfte materialen en medyske apparaten.
De meganyske eigenskippen fan materialen ûntwurpen foar direkte kontakt mei libbene weefsel wurde faak bepaald troch de biologyske omjouwing.De perfekte oerienkomst fan dizze materiaaleigenskippen helpt om de winske klinyske skaaimerken fan it materiaal te berikken sûnder neidielige sellulêre reaksjes1,2,3 te feroarsaakjen.Foar bulk homogene materialen is de karakterisaasje fan meganyske eigenskippen relatyf maklik fanwegen de beskikberens fan standertprosedueres en testmetoaden (bgl. microindentation4,5,6).Foar ultra-sêfte materialen lykas gels, hydrogels, biopolymeren, libbene sellen, ensfh., binne dizze testmetoaden lykwols oer it algemien net fan tapassing fanwegen beheiningen op mjittingresolúsje en de inhomogeniteit fan guon materialen7.Yn 'e rin fan' e jierren binne tradisjonele ynspringmetoaden wizige en oanpast om in breed oanbod fan sêfte materialen te karakterisearjen, mar in protte metoaden lije noch fan serieuze tekoarten dy't har gebrûk beheine8,9,10,11,12,13.It gebrek oan spesjalisearre testmetoaden dy't de meganyske eigenskippen fan supersêfte materialen en oerflaklagen sekuer en betrouber kinne karakterisearje, beheint har gebrûk yn ferskate tapassingen sterk.
Yn ús foarige wurk hawwe wy de lehfilcon A (CL) kontaktlens yntrodusearre, in sêft heterogeen materiaal mei alle ultra-sêfte oerflakeigenskippen ôflaat fan potinsjeel biomimetyske ûntwerpen ynspireare troch it oerflak fan 'e cornea fan it each.Dit biomateriaal waard ûntwikkele troch grafting in fertakke, cross-keppele polymear laach fan poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) op in siliconen hydrogel (SiHy) 15 ûntworpen foar medyske apparaten basearre op.Dit graftingproses makket in laach op it oerflak besteande út in heul sêfte en heul elastyske fertakke polymere boarstelstruktuer.Us eardere wurk hat befêstige dat de biomimetyske struktuer fan lehfilcon A CL superieure oerflakeigenskippen leveret, lykas ferbettere previnsje fan wieting en fouling, ferhege lubriciteit, en fermindere sel- en baktearjele adhesion15,16.Derneist suggerearret it gebrûk en ûntwikkeling fan dit biomimetysk materiaal ek fierdere útwreiding nei oare biomedyske apparaten.Dêrom is it kritysk om de oerflakeigenskippen fan dit ultra-sêfte materiaal te karakterisearjen en de meganyske ynteraksje mei it each te begripen om in wiidweidige kennisbasis te meitsjen om takomstige ûntjouwings en tapassingen te stypjen.De measte kommersjeel beskikbere SiHy-kontaktlinzen binne gearstald út in homogeen mingsel fan hydrofiele en hydrofobe polymeren dy't in unifoarme materiaalstruktuer foarmje17.Ferskate stúdzjes binne útfierd om har meganyske eigenskippen te ûndersiikjen mei tradisjonele kompresje-, trek- en mikroindentaasjetestmetoaden18,19,20,21.It nije biomimetyske ûntwerp fan lehfilcon A CL makket it lykwols in unyk heterogene materiaal wêryn de meganyske eigenskippen fan 'e fertakke polymearborstelstruktueren signifikant ferskille fan dy fan' e SiHy-basissubstrat.Dêrom is it heul lestich om dizze eigenskippen sekuer te kwantifisearjen mei konvinsjonele en ynspringmetoaden.In kânsrike metoade brûkt de nanoindentation testmetoade ymplementearre yn atomic force microscopy (AFM), in metoade dy't is brûkt om de meganyske eigenskippen fan sêfte viskoelastyske materialen te bepalen lykas biologyske sellen en weefsels, lykas sêfte polymers22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Yn AFM-nanoindentaasje wurde de fûneminten fan nanoindentation-testen kombineare mei de lêste foarútgong yn AFM-technology om ferhege mjittingsensibiliteit en testen fan in breed oanbod fan ynherinte supersachte materialen31,32,33,34,35,36 te leverjen.Derneist biedt de technology oare wichtige foardielen troch it brûken fan ferskate geometryn.indenter en sonde en de mooglikheid fan testen yn ferskate floeibere media.
AFM nanoindentation kin betingst wurde ferdield yn trije haadkomponinten: (1) apparatuer (sensors, detectors, sondes, ensfh.);(2) mjittingsparameters (lykas krêft, ferpleatsing, snelheid, rampgrutte, ensfh.);(3) Gegevensferwurking (baselinekorreksje, berekkening fan oanraakpunt, oanpassing fan gegevens, modellering, ensfh.).In wichtich probleem mei dizze metoade is dat ferskate stúdzjes yn 'e literatuer mei AFM nanoindentation rapportearje hiel ferskillende kwantitative resultaten foar deselde stekproef / sel / materiaal type37,38,39,40,41.Bygelyks, Lekka et al.De ynfloed fan AFM-probe-geometry op 'e mjitten Young's modulus fan samples fan meganysk homogene hydrogel en heterogene sellen waard studearre en fergelike.Se rapportearje dat moduluswearden tige ôfhinklik binne fan cantilever-seleksje en tipfoarm, mei de heechste wearde foar in piramidefoarmige sonde en de leechste wearde fan 42 foar in sfearyske sonde.Selhuber-Unkel et al.It is oantoand hoe't de indentersnelheid, indentergrutte en dikte fan polyacrylamide (PAAM)-monsters de Young's modulus beynfloedzje, mjitten troch ACM43 nanoindentation.In oare komplisearjende faktor is it gebrek oan standert testmaterialen mei ekstreem lege modulus en fergese testprosedueres.Dit makket it heul lestich om krekte resultaten mei fertrouwen te krijen.De metoade is lykwols tige brûkber foar relative mjittingen en fergelykjende evaluaasjes tusken ferlykbere sampletypen, bygelyks mei AFM-nanoindentaasje om normale sellen te ûnderskieden fan kankersellen 44, 45.
By it testen fan sêfte materialen mei AFM-nanoindentaasje, is in algemiene regel om in sonde te brûken mei in lege springkonstante (k) dy't nau oerienkomt mei de stekproefmodulus en in healsfearyske / rûne tip, sadat de earste sonde de stekproefflakken net op 'e stekker stekt. earste kontakt mei sêfte materialen.It is ek wichtich dat de deflection sinjaal oanmakke troch de sonde is sterk genôch om te ûntdekken troch de laser detector system24,34,46,47.Yn it gefal fan ultra-sêfte heterogene sellen, weefsels en gels, is in oare útdaging om de adhesive krêft tusken de sonde en it sample oerflak te oerwinnen om reprodusearjende en betroubere mjittingen te garandearjen48,49,50.Oant koartlyn hat it measte wurk oan AFM-nanoindentaasje rjochte op 'e stúdzje fan it meganyske gedrach fan biologyske sellen, weefsels, gels, hydrogels en biomolekulen mei relatyf grutte sferyske probes, faaks oantsjutten as kolloïdale probes (CP's)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Dizze tips hawwe in straal fan 1 oant 50 µm en wurde normaal makke fan borosilikaatglês, polymethylmethacrylaat (PMMA), polystyrene (PS), silisiumdioxide (SiO2) en diamant- lykas koalstof (DLC).Hoewol't CP-AFM nanoindentation is faaks de earste kar foar sêfte sample karakterisaasje, it hat syn eigen problemen en beheinings.It brûken fan grutte, mikrongrutte sfearyske tips fergruttet it totale kontaktgebiet fan 'e tip mei de stekproef en resultearret yn in signifikant ferlies fan romtlike resolúsje.Foar sêfte, inhomogene eksimplaren, wêr't de meganyske eigenskippen fan lokale eleminten signifikant ferskille kinne fan it gemiddelde oer in breder gebiet, kin CP-ynspringing elke inhomogeniteit yn eigenskippen op lokale skaal ferbergje52.Kolloïdale sondes wurde typysk makke troch mikrongrutte kolloïdale sfearen te heakjen oan tipleaze cantilevers mei epoksy-kleefstoffen.It fabrikaazjeproses sels is fol mei in protte problemen en kin liede ta inkonsistinsjes yn it probekalibraasjeproses.Derneist, de grutte en massa fan kolloïdaal dieltsjes direkt beynfloedzje de wichtichste kalibraasje parameters fan de cantilever, lykas resonânsjefel frekwinsje, spring stivens, en deflection gefoelichheid56,57,58.Sa kinne gewoanlik brûkte metoaden foar konvinsjonele AFM-probes, lykas temperatuerkalibraasje, gjin krekte kalibraasje foar CP leverje, en oare metoaden kinne ferplicht wurde om dizze korreksjes út te fieren57, 59, 60, 61. Typyske CP-ynspringeksperiminten brûke grutte ôfwikingen cantilever om studearje de eigenskippen fan sêfte samples, dy't in oar probleem ûntstiet by it kalibrearjen fan it net-lineêre gedrach fan 'e cantilever by relatyf grutte ôfwikingen62,63,64.Moderne kolloïdale probe-ynspringmetoaden nimme meastentiids rekken mei de mjitkunde fan 'e cantilever dy't brûkt wurdt om de sonde te kalibrearjen, mar negearje de ynfloed fan kolloïdale dieltsjes, wat ekstra ûnwissichheid skept yn 'e krektens fan 'e metoade38,61.Lykwols, elastyske moduli berekkene troch kontakt model fitting binne direkt ôfhinklik fan 'e mjitkunde fan' e ynspringprobe, en mismatch tusken tip en sample oerflak skaaimerken kin liede ta inaccuracies27, 65, 66, 67, 68. Guon resinte wurk fan Spencer et al.De faktoaren dy't rekken holden moatte wurde by it karakterisearjen fan sêfte polymeerborstels mei de CP-AFM-nanoindentaasjemetoade wurde markearre.Se rapporteare dat it behâld fan in taaie floeistof yn polymearborstels as funksje fan snelheid resulteart yn in ferheging fan kopladen en dêrtroch ferskate mjittingen fan snelheidsôfhinklike eigenskippen30,69,70,71.
Yn dizze stúdzje hawwe wy de oerflakmodulus fan it ultra-sêfte heulelastyske materiaal lehfilcon A CL karakterisearre mei in oanpaste AFM-nanoindentaasjemetoade.Sjoen de eigenskippen en nije struktuer fan dit materiaal is it gefoelichheidsberik fan 'e tradisjonele ynspringmetoade dúdlik net genôch om de modulus fan dit ekstreem sêfte materiaal te karakterisearjen, dus is it nedich om in AFM-nanoindentaasjemetoade te brûken mei hegere gefoelichheid en legere gefoelichheid.peil.Nei it beoardieljen fan de tekoarten en problemen fan besteande kolloïdale AFM-probe-nanoindentaasjetechniken, litte wy sjen wêrom't wy in lytsere, op maat ûntworpen AFM-sonde keazen hawwe om gefoelichheid, eftergrûnlûd, pinpointpunt fan kontakt te eliminearjen, snelheidsmodulus te mjitten fan sêfte heterogene materialen lykas floeistofbehâld. ôfhinklikens.en krekte kwantifikaasje.Derneist koene wy ​​​​de foarm en ôfmjittings fan 'e tip fan' e ynspringing sekuer mjitte, wêrtroch't wy it kegel-sfear-fitmodel kinne brûke om de elastisiteitsmodulus te bepalen sûnder it kontaktgebiet fan 'e tip mei it materiaal te beoardieljen.De twa ymplisite oannames dy't wurde kwantifisearre yn dit wurk binne de folslein elastyske materiaal eigenskippen en de ynspringende djipte-ûnôfhinklike modulus.Mei dizze metoade testen wy earst ultra-sêfte noarmen mei in bekende modulus om de metoade te kwantifisearjen, en brûkten dizze metoade dan om de oerflakken fan twa ferskillende kontaktlensmaterialen te karakterisearjen.Dizze metoade foar it karakterisearjen fan AFM-nanoindentaasje-oerflakken mei ferhege gefoelichheid wurdt ferwachte te wêzen fan tapassing op in breed oanbod fan biomimetyske heterogene ultrasêfte materialen mei mooglik gebrûk yn medyske apparaten en biomedyske tapassingen.
Lehfilcon A kontaktlinzen (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) en har silikonhydrogelsubstraten waarden keazen foar nanoindentaasje-eksperiminten.In spesjaal ûntwurpen lens mount waard brûkt yn it eksperimint.Om de lens te ynstallearjen foar testen, waard it foarsichtich pleatst op 'e koepelfoarmige tribune, soargje derfoar dat der gjin loftbellen binnenkamen, en dan fêstmakke mei de rânen.In gat yn 'e fixture oan' e boppekant fan 'e lenshâlder jout tagong ta it optyske sintrum fan' e lens foar nanoindentaasje-eksperiminten, wylst de floeistof op syn plak hâldt.Dit hâldt de linzen folslein hydratisearre.500 μl oplossing foar ferpakking fan kontaktlens waard brûkt as testoplossing.Om de kwantitative resultaten te ferifiearjen, waarden kommersjeel beskikber net-aktivearre polyacrylamide (PAAM) hydrogels taret út in polyacrylamide-co-methylene-bisacrylamide gearstalling (100 mm Petrisoft Petri-skûtels, Matrigen, Irvine, CA, USA), in bekende elastyske modulus fan 1 kPa.Brûk 4-5 drippen (likernôch 125 µl) fan fosfaatbufferde saline (PBS fan Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, FS) en 1 drip OPTI-FREE Puremoist kontaktlensoplossing (Alcon, Vaud, TX, Feriene Steaten).) by de AFM hydrogel-probe ynterface.
Samples fan Lehfilcon A CL en SiHy substraten waarden visualisearre mei in FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) systeem útrist mei in Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) detektor.Om de samples te meitsjen, waarden de linzen earst wosken mei wetter en snijden yn pie-foarmige keallen.Om in differinsjaal kontrast te berikken tusken de hydrofiele en hydrofobe komponinten fan 'e samples, waard in 0.10% stabilisearre oplossing fan RuO4 brûkt as kleurstof, wêryn't de samples foar 30 min ûnderdompele waarden.De lehfilcon A CL RuO4-kleuring is wichtich net allinich om ferbettere differinsjaalkontrast te berikken, mar helpt ek om de struktuer fan 'e fertakke polymearborstels yn har oarspronklike foarm te behâlden, dy't dan sichtber binne op STEM-ôfbyldings.Se waarden doe wosken en dehydratisearre yn in searje fan ethanol / wettergemiks mei tanimmende ethanolkonsintraasje.De samples waarden doe getten mei EMBed 812/Araldite epoksy, dy't oernachtsje op 70 ° C genêzen.Sample blokken krigen troch hars polymerization waarden snije mei in ultramicrotome, en de resultearjende tinne seksjes waarden visualized mei in STEM detector yn lege fakuüm modus by in accelerating spanning fan 30 kV.Itselde SEM-systeem waard brûkt foar detaillearre karakterisaasje fan 'e PFQNM-LC-A-CAL AFM-probe (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).SEM-ôfbyldings fan 'e AFM-sonde waarden krigen yn in typyske hege fakuümmodus mei in fersnellende spanning fan 30 kV.Krij ôfbyldings yn ferskate hoeken en fergruttingen om alle details fan 'e foarm en grutte fan' e AFM-sonde tip op te nimmen.Alle tip diminsjes fan belang yn de bylden waarden metten digitaal.
In Dimension FastScan Bio Icon atoomkrêftmikroskoop (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, FS) mei "PeakForce QNM in Fluid" modus waard brûkt om lehfilcon A CL, SiHy substraat, en PAAm hydrogelmonsters te visualisearjen en te nanoindentearje.Foar ôfbyldingseksperiminten waard in PEAKFORCE-HIRS-FA-sonde (Bruker) mei in nominale tipradius fan 1 nm brûkt om ôfbyldings mei hege resolúsje fan it stekproef te fangen by in scanrate fan 0.50 Hz.Alle ôfbyldings waarden nommen yn wetterige oplossing.
AFM-nanoindentaasje-eksperiminten waarden útfierd mei in PFQNM-LC-A-CAL-probe (Bruker).De AFM sonde hat in silisium tip op in nitride cantilever 345 nm dik, 54 µm lang en 4.5 µm breed mei in resonânsjefel frekwinsje fan 45 kHz.It is spesifyk ûntworpen om kwantitative nanomechanyske mjittingen te karakterisearjen en út te fieren op sêfte biologyske samples.De sensors wurde yndividueel kalibrearre yn it fabryk mei pre-kalibrearre springynstellingen.De springkonstanten fan de sondes dy't yn dizze stúdzje brûkt waarden wiene yn it berik fan 0,05-0,1 N/m.Om de foarm en grutte fan 'e tip krekt te bepalen, waard de sonde yn detail karakterisearre mei SEM.Op fig.Figuer 1a toant in hege resolúsje, lege fergrutting skennen elektroanen mikrograaf fan de PFQNM-LC-A-CAL sonde, it bieden fan in holistyske werjefte fan de sonde ûntwerp.Op fig.1b toant in fergrutte werjefte fan 'e top fan' e sonde tip, it jaan fan ynformaasje oer de foarm en grutte fan 'e tip.Oan it uterste ein is de naald in healrûn fan sawat 140 nm yn diameter (fig. 1c).Hjirûnder tapast de tip yn in konyske foarm, en berikt in mjitten lingte fan likernôch 500 nm.Bûten it taperjende gebiet is de tip silindrysk en einiget yn in totale tiplingte fan 1.18 µm.Dit is it wichtichste funksjonele diel fan 'e sondepunt.Derneist waard in grutte sfearyske polystyrene (PS) sonde (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) mei in tipdiameter fan 45 µm en in springkonstante fan 2 N/m ek brûkt foar testen as kolloïdale sonde.mei PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sonde foar ferliking.
It is rapportearre dat flüssigens kin wurde fongen tusken de AFM-sonde en de polymearborstelstruktuer by nanoindentaasje, dy't in opwaartse krêft sil útoefenje op 'e AFM-sonde foardat it feitlik it oerflak oanrekket69.Dit taaie extrusion-effekt fanwege floeistofbehâld kin it skynbere kontaktpunt feroarje, en dêrtroch oerflakmodulusmjittingen beynfloedzje.Om it effekt fan probe-geometry en ynspringsnelheid op floeistofbehâld te studearjen, waarden ynspringkrêftkurven útset foar lehfilcon A CL-samples mei in 140 nm diameter sonde by konstante ferpleatsingsraten fan 1 µm / s en 2 µm / s.sonde diameter 45 µm, fêste krêft ynstelling 6 nN berikt by 1 µm / s.Eksperiminten mei in sonde mei in diameter fan 140 nm waarden útfierd mei in yndruksnelheid fan 1 µm / s en in ynstelde krêft fan 300 pN, keazen om in kontaktdruk te meitsjen binnen it fysiologyske berik (1-8 kPa) fan it boppeste ooglid.druk 72. Soft ready-made samples fan PAA hydrogel mei in druk fan 1 kPa waard hifke foar in ynspringende krêft fan 50 pN mei in snelheid fan 1 μm / s mei help fan in sonde mei in diameter fan 140 nm.
Om't de lingte fan it konyske diel fan 'e tip fan' e PFQNM-LC-A-CAL-sonde sawat 500 nm is, kin foar elke ynspringdjipte < 500 nm feilich oannommen wurde dat de mjitkunde fan 'e sonde by it ynspringen trou bliuwt oan har cone foarm.Derneist wurdt oannommen dat it oerflak fan it ûnder testen materiaal in omkearbere elastyske reaksje sil eksposearje, dy't ek sil wurde befêstige yn 'e folgjende seksjes.Dêrom, ôfhinklik fan 'e foarm en grutte fan' e tip, keas wy it kegel-sfeer fitting model ûntwikkele troch Briscoe, Sebastian en Adams, dat is beskikber yn de ferkeaper syn software, te ferwurkjen ús AFM nanoindentation eksperiminten (NanoScope).Ofskieding data analyze software, Bruker) 73. It model beskriuwt de krêft-ferpleatsing relaasje F (δ) foar in kegel mei in bolfoarmige apex defekt.Op fig.Figuer 2 toant de kontaktgeometry tidens de ynteraksje fan in sfearde kegel mei in sfearyske tip, wêrby't R de straal fan 'e sfearyske tip is, a de kontaktradius is, b de kontaktradius oan 'e ein fan 'e bolfoarmige tip is, δ de kontakt radius.ynspringende djipte, θ is de heale hoeke fan de kegel.It SEM-ôfbylding fan dizze sonde lit dúdlik sjen dat de sfearyske tip mei in diameter fan 140 nm tangens fusearret yn in kegel, dus hjir wurdt b allinich definieare troch R, dus b = R cos θ.De troch de ferkeaper levere software leveret in kegel-sfeerrelaasje om Young's modulus (E) wearden te berekkenjen út krêftskiedingsgegevens útgeande fan a> b.Relaasje:
dêr't F de ynspringkracht is, E de modulus fan Young is, ν de ferhâlding fan Poisson is.De kontaktradius a kin wurde rûsd mei:
Skema fan de kontakt mjitkunde fan in stive kegel mei in sfearyske tip yndrukt yn it materiaal fan in Lefilcon kontakt lens mei in oerflak laach fan fertakke polymear borstels.
As a ≤ b, fermindert de relaasje ta de fergeliking foar in konvinsjonele sfearyske indenter;
Wy leauwe dat de ynteraksje fan 'e ynspringsonde mei de fertakke struktuer fan' e PMPC-polymeerborstel sil feroarsaakje dat de kontaktradius a grutter is as de bolfoarmige kontaktradius b.Dêrom, foar alle kwantitative mjittingen fan 'e elastyske modulus útfierd yn dizze stúdzje, brûkten wy de ôfhinklikens krigen foar it gefal a> b.
De ultrasoft biomimetyske materialen dy't yn dizze stúdzje studearre waarden wiidweidich ôfbylde mei skennende transmissieelektronenmikroskopy (STEM) fan 'e stekproefdwerstrochsneed en atoomkrêftmikroskopie (AFM) fan it oerflak.Dizze detaillearre oerflakkarakterisaasje waard útfierd as in útwreiding fan ús earder publisearre wurk, wêryn't wy bepale dat de dynamysk fertakke polymere boarstelstruktuer fan 'e PMPC-modifisearre lehfilcon A CL-oerflak ferlykbere meganyske eigenskippen eksposearre oan lânseigen korneale weefsel 14 .Om dizze reden ferwize wy nei kontaktlensflakken as biomimetyske materialen14.Op fig.3a, b toant dwerstrochsneed fan fertakke PMPC polymeer borstel struktueren op it oerflak fan respektivelik in lehfilcon A CL substraat en in untreated SiHy substraat.De oerflakken fan beide samples waarden fierder analysearre mei AFM-ôfbyldings mei hege resolúsje, dy't de resultaten fan 'e STEM-analyze fierder befêstige (Fig. 3c, d).Mei-inoar jouwe dizze ôfbyldings in ûngefear lingte fan 'e PMPC-fertakke polymearborstelstruktuer by 300-400 nm, wat kritysk is foar ynterpretaasje fan AFM-nanoindentaasjemjittingen.In oare wichtige observaasje ôflaat fan 'e bylden is dat de totale oerflakstruktuer fan it CL-biomimetyske materiaal morfologysk oars is fan dy fan it SiHy-substraatmateriaal.Dit ferskil yn har oerflakmorfology kin dúdlik wurde tidens har meganyske ynteraksje mei de ynspringende AFM-sonde en dêrnei yn 'e mjitten moduluswearden.
Cross-sectional STEM bylden fan (a) lehfilcon A CL en (b) SiHy substraat.Skaalbalke, 500 nm.AFM-ôfbyldings fan it oerflak fan it lehfilcon A CL-substrat (c) en it basis SiHy-substrat (d) (3 µm × 3 µm).
Bio-ynspirearre polymeren en polymearborstelstruktueren binne ynherent sêft en binne breed studearre en brûkt yn ferskate biomedyske tapassingen74,75,76,77.Dêrom is it wichtich om de AFM-nanoindentaasjemetoade te brûken, dy't har meganyske eigenskippen sekuer en betrouber kin mjitte.Mar tagelyk meitsje de unike eigenskippen fan dizze ultra-sêfte materialen, lykas ekstreem lege elastyske modulus, hege floeistofynhâld en hege elastisiteit, it faak lestich om it juste materiaal, foarm en foarm fan 'e ynspringsonde te kiezen.grutte.Dit is wichtich, sadat de indenter it sêfte oerflak fan 'e stekproef net trochsteekt, wat soe liede ta flaters by it bepalen fan it kontaktpunt mei it oerflak en it kontaktgebiet.
Hjirfoar is in wiidweidich begryp fan 'e morfology fan ultra-sêfte biomimetyske materialen (lehfilcon A CL) essensjeel.Ynformaasje oer de grutte en struktuer fan 'e fertakke polymearborstels krigen mei de ôfbyldingsmetoade jout de basis foar de meganyske karakterisaasje fan it oerflak mei AFM-nanoindentaasjetechniken.Ynstee fan mikrongrutte sfearyske kolloïdale probes, hawwe wy keazen foar de PFQNM-LC-A-CAL silisiumnitrideprobe (Bruker) mei in tipdiameter fan 140 nm, spesjaal ûntworpen foar kwantitative mapping fan 'e meganyske eigenskippen fan biologyske samples 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 De reden foar it brûken fan relatyf skerpe probes yn ferliking mei konvinsjonele kolloïdale probes kin ferklearre wurde troch de strukturele skaaimerken fan it materiaal.It fergelykjen fan de probe tip grutte (~ 140 nm) mei de fertakke polymear boarstels op it oerflak fan CL lehfilcon A, werjûn yn Fig. ferleget de kâns fan de tip piercing troch harren.Om dit punt te yllustrearjen, is yn figuer 4 in STEM-ôfbylding fan 'e lehfilcon A CL en de ynspringende tip fan' e AFM-sonde (op skaal tekene).
Skematyske mei STEM-ôfbylding fan lehfilcon A CL en in ACM-ynspringsonde (op skaal tekene).
Derneist is de tipgrutte fan 140 nm lyts genôch om it risiko te foarkommen fan ien fan 'e kleverige extrusie-effekten dy't earder rapporteare binne foar polymearborstels produsearre troch de CP-AFM-nanoindentaasjemetoade69,71.Wy geane der fan út dat troch de spesjale cone-sfearyske foarm en relatyf lytse grutte fan dizze AFM tip (figuer 1), de aard fan de krêft kromme generearre troch lehfilcon A CL nanoindentation sil net ôfhinklik wêze fan de ynspringende snelheid of it laden / lossen snelheid .Dêrom wurdt it net beynfloede troch poroelastyske effekten.Om dizze hypoteze te testen, waarden lehfilcon A CL-samples yndrukt op in fêste maksimale krêft mei in PFQNM-LC-A-CAL-sonde, mar op twa ferskillende snelheden, en de resultearjende trek- en weromtrekkrêftkurven waarden brûkt om de krêft (nN) te plotten. yn skieding (µm) wurdt werjûn yn figuer 5a.It is dúdlik dat de krêft bochten by it laden en lossen folslein oerlaapje, en der is gjin dúdlik bewiis dat de krêft shear op nul ynspringende djipte nimt ta mei ynspringen snelheid yn de figuer, wat suggerearret dat de yndividuele borstel eleminten waarden karakterisearre sûnder in poroelastic effekt.Yn tsjinstelling binne effekten foar floeistofbehâld (viskose ekstrudering en poroelasticiteit-effekten) evident foar de AFM-sonde mei in diameter fan 45 µm op deselde yndruksnelheid en wurde markearre troch de hysteresis tusken de stretch- en weromtrekkurven, lykas werjûn yn figuer 5b.Dizze resultaten stypje de hypoteze en suggerearje dat sondes mei in diameter fan 140 nm in goede kar binne foar it karakterisearjen fan sokke sêfte oerflakken.
lehfilcon A CL ynspringen krêft curves mei help fan ACM;(a) it brûken fan in sonde mei in diameter fan 140 nm by twa laden tariven, oantoand it ûntbrekken fan in poroelastysk effekt by oerflak ynspringen;(b) gebrûk fan sondes mei in diameter fan 45 µm en 140 nm.s toant de effekten fan taaie extrusion en poroelasticity foar grutte probes yn ferliking mei lytsere probes.
Om ultrasêfte oerflakken te karakterisearjen, moatte AFM-nanoindentaasjemetoaden de bêste sonde hawwe om de eigenskippen fan it materiaal ûnder stúdzje te studearjen.Neist de tipfoarm en grutte, spylje de gefoelichheid fan it AFM-detektorsysteem, gefoelichheid foar tipôfwiking yn 'e testomjouwing, en cantilever-stivens in wichtige rol by it bepalen fan de krektens en betrouberens fan nanoindentaasje.mjittingen.Foar ús AFM-systeem is de posysje Sensitive Detector (PSD) limyt fan deteksje sawat 0,5 mV en is basearre op 'e foar-kalibreare springsnelheid en de berekkene gefoelichheid foar floeistofdefleksje fan' e PFQNM-LC-A-CAL-sonde, dy't oerienkomt mei de teoretyske load gefoelichheid.is minder as 0,1 pN.Dêrom makket dizze metoade de mjitting fan in minimale ynspringkracht ≤ 0,1 pN mooglik sûnder perifeare lûdskomponint.It is lykwols hast ûnmooglik foar in AFM-systeem om perifeare lûd op dit nivo te ferminderjen fanwege faktoaren lykas meganyske trilling en floeistofdynamyk.Dizze faktoaren beheine de algemiene gefoelichheid fan 'e AFM-nanoindentaasjemetoade en resultearje ek yn in eftergrûnlûdsinjaal fan sawat ≤ 10 pN.Foar oerflakkarakterisaasje waarden lehfilcon A CL en SiHy substraatmonsters yndrukt ûnder folslein hydratisearre omstannichheden mei in 140 nm probe foar SEM-karakterisaasje, en de resultearjende krêftkurven waarden oerlein tusken krêft (pN) en druk.De skiedingplot (µm) wurdt werjûn yn figuer 6a.Yn ferliking mei de SiHy basis substraat, de lehfilcon A CL krêft kromme dúdlik toant in oergong faze begjint op it punt fan kontakt mei de forked polymear boarstel en einiget mei in skerpe feroaring yn helling markearring kontakt fan de tip mei de ûnderlizzende materiaal.Dit oergongsdiel fan 'e krêftkromme markearret it wirklik elastyske gedrach fan' e fertakke polymearborstel op it oerflak, lykas bliken docht út 'e kompresjekromme dy't de spanningskromme nau folget en it kontrast yn meganyske eigenskippen tusken de borstelstruktuer en bulk SiHy-materiaal.By it fergelykjen fan lefilcon.Skieding fan 'e gemiddelde lingte fan in fertakke polymearborstel yn' e STEM-ôfbylding fan 'e PCS (Fig. 3a) en syn krêftkurve lâns de abscissa yn Fig. 3a.6a lit sjen dat de metoade yn steat is om de tip en it fertakke polymeer te detektearjen dat de heule top fan it oerflak berikt.Kontakt tusken borstel struktueren.Dêrnjonken jout nauwe oerlaap fan 'e krêftkurven gjin floeibere retinsje-effekt oan.Yn dit gefal is d'r hielendal gjin adhesion tusken de needel en it oerflak fan 'e stekproef.De boppeste seksjes fan 'e krêftkurven foar de twa samples oerlaapje, wjerspegelje de oerienkomst fan' e meganyske eigenskippen fan 'e substraatmaterialen.
(a) AFM nanoindentation krêft curves foar lehfilcon A CL substraten en SiHy substrates, (b) krêft curves showing kontakt punt skatting mei help fan de eftergrûn lûd drompel metoade.
Om de finerere details fan 'e krêftkurve te studearjen, wurdt de spanningskromme fan' e lehfilcon A CL-monster opnij ynsteld yn figuer 6b mei in maksimale krêft fan 50 pN lâns de y-as.Dizze grafyk jout wichtige ynformaasje oer it orizjinele eftergrûnlûd.It lûd is yn it berik fan ± 10 pN, dat wurdt brûkt om it kontaktpunt sekuer te bepalen en de ynspringdjipte te berekkenjen.Lykas rapportearre yn 'e literatuer, is de identifikaasje fan kontaktpunten kritysk om materiaaleigenskippen krekt te beoardieljen lykas modulus85.In oanpak mei automatyske ferwurking fan gegevens fan krêftkromme hat in ferbettere fit sjen litten tusken gegevenspassing en kwantitative mjittingen foar sêfte materialen86.Yn dit wurk is ús kar fan kontaktpunten relatyf ienfâldich en objektyf, mar it hat syn beheiningen.Us konservative oanpak foar it bepalen fan it kontaktpunt kin resultearje yn wat oerskatte moduluswearden foar lytsere ynspringsdjipte (<100 nm).It brûken fan algoritme-basearre touchpoint-deteksje en automatisearre gegevensferwurking kin in fuortsetting wêze fan dit wurk yn 'e takomst om ús metoade fierder te ferbetterjen.Sa definiearje wy foar yntrinsike eftergrûnlûd yn 'e oarder fan ± 10 pN it kontaktpunt as it earste gegevenspunt op' e x-as yn figuer 6b mei in wearde fan ≥10 pN.Dan, yn oerienstimming mei de lûdsdrompel fan 10 pN, markeart in fertikale line op it nivo fan ~0.27 µm it kontaktpunt mei it oerflak, wêrnei't de stretchkromme trochgiet oant it substraat de ynspringdjipte fan ~270 nm foldocht.Ynteressant, basearre op 'e grutte fan' e fertakke polymearborstelfunksjes (300–400 nm) mjitten mei de ôfbyldingsmetoade, is de ynspringingsdjipte fan 'e CL lehfilcon In stekproef waarnommen mei de drompelmetoade foar eftergrûnlûd is sawat 270 nm, wat heul tichtby is de mjitting grutte mei STEM.Dizze resultaten befêstigje fierder de kompatibiliteit en tapasberens fan 'e foarm en grutte fan' e AFM-probe tip foar ynspringen fan dizze heul sêfte en heul elastyske fertakke polymearborstelstruktuer.Dizze gegevens jouwe ek sterk bewiis om ús metoade te stypjen foar it brûken fan eftergrûnlûd as drompel foar it oanwizen fan kontaktpunten.Sa moatte alle kwantitative resultaten krigen fan wiskundige modellering en fitting fan krêftkromme relatyf akkuraat wêze.
Kwantitative mjittingen troch AFM-nanoindentaasjemetoaden binne folslein ôfhinklik fan 'e wiskundige modellen dy't brûkt wurde foar gegevensseleksje en folgjende analyze.Dêrom is it wichtich om alle faktoaren te beskôgjen yn ferbân mei de kar fan indenter, materiaaleigenskippen en de meganika fan har ynteraksje foardat jo in bepaald model kieze.Yn dit gefal, de tip mjitkunde waard soarchfâldich karakterisearre mei help fan SEM micrographs (fig. 1), en basearre op de resultaten, de 140 nm diameter AFM nanoindenting sonde mei in hurde kegel en sfearyske tip geometry is in goede kar foar karakterisearjen lehfilcon A CL79 samples .In oare wichtige faktor dy't soarchfâldich moat wurde evaluearre is de elastisiteit fan it polymearmateriaal dat wurdt hifke.Hoewol't de earste gegevens fan nanoindentation (Fig. 5a en 6a) dúdlik sketse de skaaimerken fan 'e oerlapping fan' e spanning en kompresje curves, dat is, de folsleine elastyske herstel fan it materiaal, it is ekstreem wichtich om te befêstigjen de suver elastyske aard fan de kontakten .Dêrta waarden twa opienfolgjende yndrukken útfierd op deselde lokaasje op it oerflak fan 'e lehfilcon A CL-monster mei in yndrukraten fan 1 µm / s ûnder folsleine hydratisaasjebetingsten.De resultearjende krêftkrommegegevens wurde werjûn yn fig.7 en, lykas ferwachte, binne de útwreidings- en kompresjekurven fan 'e twa printen hast identyk, en markearje de hege elastisiteit fan' e fertakke polymearborstelstruktuer.
Twa ynspringende krêft bochten op deselde lokaasje op it oerflak fan lehfilcon A CL jouwe de ideale elasticiteit fan de lens oerflak.
Op grûn fan ynformaasje krigen fan SEM- en STEM-ôfbyldings fan respektivelik de sondepunt en lehfilcon A CL-oerflak, is it kegelbolmodel in ridlike wiskundige foarstelling fan 'e ynteraksje tusken de AFM-probepunt en it sêfte polymearmateriaal dat wurdt hifke.Derneist, foar dit kegelbolmodel, binne de fûnemintele oannames oer de elastyske eigenskippen fan it yndrukte materiaal wier foar dit nije biomimetyske materiaal en wurde brûkt om de elastyske modulus te kwantifisearjen.
Nei in wiidweidige evaluaasje fan 'e AFM-nanoindentaasjemetoade en har komponinten, ynklusyf eigenskippen fan ynspringsonde (foarm, grutte en springstivens), gefoelichheid (eftergrûnlûd en kontaktpuntskatting), en modellen foar oanpassing fan gegevens (kwantitative modulusmjittingen), waard de metoade brûkt.karakterisearje kommersjeel beskikber ultra-sêfte samples om kwantitative resultaten te ferifiearjen.In kommersjele polyacrylamide (PAAM) hydrogel mei in elastyske modulus fan 1 kPa waard hifke ûnder hydratisearre omstannichheden mei in 140 nm sonde.Details fan module testen en berekkeningen wurde jûn yn de oanfoljende ynformaasje.De resultaten lieten sjen dat de gemiddelde mjitten modulus 0,92 kPa wie, en de %RSD en persintaazje (%) ôfwiking fan 'e bekende modulus wiene minder dan 10%.Dizze resultaten befêstigje de krektens en reprodusearberens fan 'e AFM-nanoindentaasjemetoade brûkt yn dit wurk om de moduli fan ultrasoft materialen te mjitten.De oerflakken fan 'e lehfilcon A CL-samples en it SiHy-basissubstraat waarden fierder karakterisearre mei deselde AFM-nanoindentaasjemetoade om de skynbere kontaktmodulus fan' e ultrasoft oerflak te studearjen as funksje fan ynspringdjipte.Ynspringkrêft skiedingskurven waarden generearre foar trije eksimplaren fan elk type (n = 3; ien ynspringing per eksimplaar) by in krêft fan 300 pN, in snelheid fan 1 µm / s, en folsleine hydrataasje.De kromme foar dielen fan ynspringkrêft waard benadere mei in kegelbolmodel.Om modulus ôfhinklik fan ynspringingsdjipte te krijen, waard in 40 nm breed diel fan 'e krêftkromme ynsteld op elke ynkommen fan 20 nm begjinnend fan it kontaktpunt, en mjitten wearden fan' e modulus by elke stap fan 'e krêftkurve.Spin Cy et al.In ferlykbere oanpak is brûkt om de modulusgradient fan poly(laurylmethacrylate) (P12MA) polymeerborstels te karakterisearjen mei kolloïdale AFM-probe-nanoindentaasje, en se binne konsistint mei gegevens mei it Hertz-kontaktmodel.Dizze oanpak jout in plot fan skynbere kontakt modulus (kPa) tsjin ynspringende djipte (nm), lykas werjûn yn figuer 8, dat yllustrearret de skynbere kontakt modulus / djipte gradient.De berekkene elastyske modulus fan 'e CL lehfilcon A-probe is yn it berik fan 2-3 kPa binnen de boppeste 100 nm fan' e stekproef, wêrby't it begjint te ferheegjen mei djipte.Oan 'e oare kant, by it testen fan it SiHy-basissubstraat sûnder in borstelachtige film op it oerflak, is de maksimale ynspringdjipte berikt by in krêft fan 300 pN minder dan 50 nm, en de moduluswearde krigen fan 'e gegevens is sawat 400 kPa , wat te fergelykjen is mei de wearden fan Young's modulus foar bulkmaterialen.
Skynbere kontakt modulus (kPa) vs ynspringende djipte (nm) foar lehfilcon A CL en SiHy substrates mei help fan AFM nanoindentation metoade mei cone-sphere mjitkunde te mjitten modulus.
It boppeste oerflak fan 'e nije biomimetyske fertakte polymearborstelstruktuer hat in ekstreem lege elastisiteitsmodulus (2-3 kPa).Dit sil oerienkomme mei it frije hingjende ein fan 'e foarke polymearborstel lykas werjûn yn' e STEM-ôfbylding.Wylst d'r wat bewiis is fan in modulusgradient oan 'e bûtenrâne fan' e CL, is it wichtichste substraat mei hege modulus mear ynfloedryk.De top 100 nm fan it oerflak is lykwols binnen 20% fan 'e totale lingte fan' e fertakke polymearborstel, dus it is ridlik om oan te nimmen dat de mjitten wearden fan 'e modulus yn dit ynspringdjipteberik relatyf akkuraat binne en net sterk binne ôfhinklik fan it effekt fan de boaiem foarwerp.
Troch it unike biomimetyske ûntwerp fan lehfilcon A-kontaktlinzen, besteande út fertakte PMPC-polymeerborstelstruktueren dy't op it oerflak fan SiHy-substraten ent binne, is it heul lestich om de meganyske eigenskippen fan har oerflakstruktueren betrouber te karakterisearjen mei tradisjonele mjitmetoaden.Hjir presintearje wy in avansearre AFM nanoindentation metoade foar sekuer karakterisearjen fan ultra-sêfte materialen lykas lefilcon A mei hege wetter ynhâld en ekstreem hege elastisiteit.Dizze metoade is basearre op it brûken fan in AFM-sonde wêrfan de tipgrutte en mjitkunde soarchfâldich selektearre binne om oerien te kommen mei de strukturele ôfmjittings fan 'e ultra-sêfte oerflakfunksjes dy't wurde bedrukt.Dizze kombinaasje fan ôfmjittings tusken sonde en struktuer soarget foar ferhege gefoelichheid, wêrtroch't wy de lege modulus en ynherinte elastyske eigenskippen fan fertakke polymearborsteleleminten kinne mjitte, nettsjinsteande poroelastyske effekten.De resultaten lieten sjen dat de unike fertakte PMPC-polymeerborstels karakteristyk foar it lensflak in ekstreem lege elastyske modulus (oant 2 kPa) en heul hege elastisiteit (hast 100%) hienen as se testen yn in wetterige omjouwing.De resultaten fan AFM-nanoindentaasje hawwe ús ek tastien om de skynbere kontaktmodulus / djiptegradient (30 kPa / 200 nm) fan it biomimetyske lensflak te karakterisearjen.Dizze gradient kin komme troch it modulusferskil tusken de fertakte polymearborstels en it SiHy-substraat, of de fertakke struktuer / tichtens fan 'e polymearborstels, of in kombinaasje dêrfan.Fierdere yngeande stúdzjes binne lykwols nedich om de relaasje tusken struktuer en eigenskippen folslein te begripen, benammen it effekt fan boarstelfertakking op meganyske eigenskippen.Soartgelikense mjittingen kinne helpe om de meganyske eigenskippen fan it oerflak fan oare ultra-sêfte materialen en medyske apparaten te karakterisearjen.
Datasets generearre en / of analysearre tidens de hjoeddeiske stúdzje binne beskikber fan de respektivelike auteurs op ridlik fersyk.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. en Haugen, HJ. Biologyske reaksjes op fysike en gemyske eigenskippen fan oerflakken fan biomaterialen.Gemysk.maatskippij.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM en Liu, X. Ferbettering fan minsklik-ôflaat biomaterialen foar tissue engineering.programmearring.polymer.de wittenskip.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Untwerp, klinyske ymplemintaasje, en ymmúnreaksje fan biomaterialen yn regenerative medisinen.National Matt Rev.. 1, 16040 (2016).
Oliver WK en Farr GM In ferbettere metoade foar it bepalen fan hurdens en elastyske modulus mei help fan ynspringeksperiminten mei lading- en ferpleatsingsmjittingen.J. Alma mater.opslach tank.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Histoaryske oarsprong fan testen fan ynspringhardheid.alma mater.de wittenskip.technologyen.28, 1028-1044 (2012).
Broitman, E. Ynspringende hurdensmjittingen op 'e makro-, mikro- en nanoskaal: in krityske resinsje.folksstam.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD, en Clapperich, SM Flaters foar oerflakdeteksje liede ta modulus-overskatting yn nanoindentaasje fan sêfte materialen.J. Mecha.Hâlden en dragen.Biomedyske wittenskip.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR, Yahya M.Yu.Evaluaasje fan 'e nanoindentaasjemetoade foar it bepalen fan de meganyske skaaimerken fan heterogene nanocomposites mei eksperimintele en komputaasjemethoden.de wittenskip.Hûs 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, en Owart, TS Mechanyske karakterisearring fan sêfte viskoelastyske gels troch ynspringen en optimalisaasje-basearre inverse finite elemint analyze.J. Mecha.Hâlden en dragen.Biomedyske wittenskip.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J en Chaneler D. Optimalisaasje fan viscoelasticity bepaling mei help fan kompatibele mjitsystemen.Soft Matter 9, 5581-5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. en Pellillo, E. Nanoindentation fan polymeric oerflakken.J. Fysika.D. Oanfreegje foar natuerkunde.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D., & Van Vliet KJ Karakterisaasje fan viskoelastyske meganyske eigenskippen fan tige elastyske polymers en biologyske weefsels mei skokyndruk.Journal of Biomaterials.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM.pels.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Nanoskaal morfology en meganyske eigenskippen fan biomimetyske polymere oerflakken fan silikon hydrogel kontaktlinzen.Langmuir 37, 13961-13967 (2021).