Շնորհակալություն Nature.com այցելության համար:Դուք օգտագործում եք զննարկչի տարբերակ՝ CSS-ի սահմանափակ աջակցությամբ:Լավագույն փորձի համար խորհուրդ ենք տալիս օգտագործել թարմացված դիտարկիչ (կամ անջատել Համատեղելիության ռեժիմը Internet Explorer-ում):Բացի այդ, շարունակական աջակցություն ապահովելու համար մենք կայքը ցուցադրում ենք առանց ոճերի և JavaScript-ի:
Ցուցադրում է միանգամից երեք սլայդներից բաղկացած կարուսել:Օգտագործեք «Նախորդ» և «Հաջորդ» կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդներով շարժվելու համար, կամ օգտագործեք վերջում գտնվող սլայդերի կոճակները՝ միաժամանակ երեք սլայդների միջով անցնելու համար:
Բժշկական սարքերի և կենսաբժշկական կիրառությունների համար նոր ծայրահեղ փափուկ նյութերի մշակմամբ, դրանց ֆիզիկական և մեխանիկական հատկությունների համապարփակ բնութագրումը և՛ կարևոր, և՛ դժվար է:Կիրառվել է փոփոխված ատոմային ուժի մանրադիտակի (AFM) նանոինտացիայի տեխնիկան՝ բնութագրելու նոր lehfilcon A բիոմիմետիկ սիլիկոնային հիդրոգելային կոնտակտային ոսպնյակի չափազանց ցածր մակերևույթի մոդուլը, որը պատված է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքների շերտով:Այս մեթոդը թույլ է տալիս ճշգրիտ որոշել շփման կետերը առանց մածուցիկ արտամղման ազդեցության, երբ մոտենում ենք ճյուղավորված պոլիմերներին:Բացի այդ, այն հնարավորություն է տալիս որոշել առանձին խոզանակի տարրերի մեխանիկական բնութագրերը՝ առանց ծակոտկենության ազդեցության:Սա ձեռք է բերվում՝ ընտրելով AFM զոնդ՝ դիզայնով (ծածկի չափը, երկրաչափությունը և զսպանակի արագությունը), որը հատկապես հարմար է փափուկ նյութերի և կենսաբանական նմուշների հատկությունները չափելու համար:Այս մեթոդը բարելավում է զգայունությունը և ճշգրտությունը շատ փափուկ նյութի lehfilcon A-ի ճշգրիտ չափման համար, որն ունի առաձգականության չափազանց ցածր մոդուլ մակերեսի վրա (մինչև 2 կՊա) և չափազանց բարձր առաձգականություն ներքին (գրեթե 100%) ջրային միջավայրում։ .Մակերեւութային ուսումնասիրության արդյունքները ոչ միայն բացահայտեցին lehfilcon A ոսպնյակի գերփափուկ մակերևութային հատկությունները, այլև ցույց տվեցին, որ ճյուղավորված պոլիմերային վրձինների մոդուլը համեմատելի է սիլիցիում-ջրածին սուբստրատի հետ:Մակերեւույթի բնութագրման այս տեխնիկան կարող է կիրառվել այլ ծայրահեղ փափուկ նյութերի և բժշկական սարքերի համար:
Կենդանի հյուսվածքի հետ անմիջական շփման համար նախատեսված նյութերի մեխանիկական հատկությունները հաճախ որոշվում են կենսաբանական միջավայրով։Այս նյութի հատկությունների կատարյալ համընկնումն օգնում է հասնել նյութի ցանկալի կլինիկական բնութագրերին՝ առանց բջջային անբարենպաստ ռեակցիաներ առաջացնելու1,2,3:Զանգվածային միատարր նյութերի համար մեխանիկական հատկությունների բնութագրումը համեմատաբար հեշտ է ստանդարտ ընթացակարգերի և փորձարկման մեթոդների առկայության պատճառով (օրինակ՝ միկրոխորշում4,5,6):Այնուամենայնիվ, չափազանց փափուկ նյութերի համար, ինչպիսիք են գելերը, հիդրոգելները, բիոպոլիմերները, կենդանի բջիջները և այլն, այս փորձարկման մեթոդները սովորաբար կիրառելի չեն չափումների լուծաչափի սահմանափակումների և որոշ նյութերի անհամասեռության պատճառով7:Տարիների ընթացքում ավանդական ներծծման մեթոդները փոփոխվել և հարմարեցվել են փափուկ նյութերի լայն տեսականի բնութագրելու համար, սակայն շատ մեթոդներ դեռևս տառապում են լուրջ թերություններից, որոնք սահմանափակում են դրանց օգտագործումը8,9,10,11,12,13:Մասնագիտացված փորձարկման մեթոդների բացակայությունը, որոնք կարող են ճշգրիտ և հուսալիորեն բնութագրել գերփափուկ նյութերի և մակերեսային շերտերի մեխանիկական հատկությունները, խիստ սահմանափակում է դրանց օգտագործումը տարբեր կիրառություններում:
Մեր նախորդ աշխատանքում մենք ներկայացրեցինք lehfilcon A (CL) կոնտակտային ոսպնյակը, փափուկ տարասեռ նյութ, որն ունի բոլոր գերփափուկ մակերևույթի հատկությունները, որոնք բխում են աչքի եղջերաթաղանթի մակերեսից ներշնչված պոտենցիալ բիոմիմետիկ ձևավորումներից:Այս կենսանյութը մշակվել է պոլի(2-մետակրիլոիլօքսիէթիլֆոսֆորիլքոլինի (MPC)) (PMPC) ճյուղավորված, խաչաձև կապակցված պոլիմերային շերտը սիլիկոնային հիդրոգելի (SiHy) 15-ի վրա պատվաստելով, որը նախատեսված է բժշկական սարքերի վրա հիմնված:Այս պատվաստման գործընթացը մակերեսի վրա ստեղծում է շերտ, որը բաղկացած է շատ փափուկ և բարձր առաձգական ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքից:Մեր նախորդ աշխատանքը հաստատել է, որ lehfilcon A CL-ի բիոմիմետիկ կառուցվածքը ապահովում է մակերեսային բարձր հատկություններ, ինչպիսիք են բարելավված թրջման և կեղտոտման կանխարգելումը, բարձր յուղայնությունը և բջիջների և բակտերիաների կպչունության նվազեցումը15,16:Բացի այդ, այս բիոմիմետիկ նյութի օգտագործումն ու զարգացումը նաև առաջարկում է հետագա ընդլայնում այլ կենսաբժշկական սարքերի վրա:Հետևաբար, կարևոր է բնութագրել այս գերփափուկ նյութի մակերևութային հատկությունները և հասկանալ նրա մեխանիկական փոխազդեցությունն աչքի հետ՝ ապագա զարգացումներին և կիրառություններին աջակցելու համար համապարփակ գիտելիքների բազա ստեղծելու համար:Առևտրային առումով մատչելի SiHy կոնտակտային ոսպնյակների մեծ մասը կազմված է հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ պոլիմերների միատարր խառնուրդից, որոնք կազմում են նյութի միատեսակ կառուցվածք17:Մի քանի ուսումնասիրություններ են իրականացվել դրանց մեխանիկական հատկությունները ուսումնասիրելու համար՝ օգտագործելով ավանդական սեղմման, առաձգական և միկրոինտացիոն փորձարկման մեթոդները18,19,20,21:Այնուամենայնիվ, lehfilcon A CL-ի նոր բիոմիմետիկ դիզայնը այն դարձնում է եզակի տարասեռ նյութ, որտեղ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքների մեխանիկական հատկությունները զգալիորեն տարբերվում են SiHy բազային սուբստրատի հատկություններից:Հետևաբար, շատ դժվար է ճշգրիտ չափել այդ հատկությունները` օգտագործելով սովորական և ներքևման մեթոդները:Խոստումնալից մեթոդը օգտագործում է ատոմային ուժային մանրադիտակում (AFM) ներդրված նանոինտացիաների փորձարկման մեթոդը, մեթոդ, որն օգտագործվել է փափուկ մածուցիկական նյութերի մեխանիկական հատկությունները որոշելու համար, ինչպիսիք են կենսաբանական բջիջները և հյուսվածքները, ինչպես նաև փափուկ պոլիմերները22,23,24,25: .,26,27,28,29,30.AFM nanoindentation-ում նանոինտացիաների փորձարկման հիմունքները զուգակցվում են AFM տեխնոլոգիայի վերջին առաջընթացների հետ՝ ապահովելու չափման զգայունությունը և բնածին գերփափուկ նյութերի լայն շրջանակի փորձարկում31,32,33,34,35,36:Բացի այդ, տեխնոլոգիան առաջարկում է այլ կարևոր առավելություններ՝ օգտագործելով տարբեր երկրաչափություններ:ներդիր և զոնդ և տարբեր հեղուկ միջավայրերում փորձարկման հնարավորություն:
AFM nanoindentation-ը պայմանականորեն կարելի է բաժանել երեք հիմնական բաղադրիչի. (1) սարքավորումներ (սենսորներ, դետեկտորներ, զոնդեր և այլն);(2) չափման պարամետրեր (ինչպիսիք են ուժը, տեղաշարժը, արագությունը, թեքահարթակի չափը և այլն);(3) Տվյալների մշակում (բազային ուղղում, հպման կետի գնահատում, տվյալների հարմարեցում, մոդելավորում և այլն):Այս մեթոդի զգալի խնդիրն այն է, որ գրականության մի քանի ուսումնասիրություններ, որոնք օգտագործում են AFM նանոինտացիա, հաղորդում են շատ տարբեր քանակական արդյունքներ նույն նմուշի/բջջի/նյութի տիպի համար37,38,39,40,41:Օրինակ, Lekka et al.Ուսումնասիրվել և համեմատվել է AFM զոնդի երկրաչափության ազդեցությունը մեխանիկորեն միատարր հիդրոգելի և տարասեռ բջիջների նմուշների Յանգի չափված մոդուլի վրա:Նրանք հայտնում են, որ մոդուլի արժեքները մեծապես կախված են հենարանի ընտրությունից և ծայրի ձևից, որոնցից ամենաբարձր արժեքն է բրգաձև զոնդի համար, իսկ ամենացածր արժեքը՝ 42՝ գնդաձև զոնդի համար:Նմանապես, Selhuber-Unkel et al.Ցույց է տրվել, թե ինչպես են պոլիակրիլամիդի (PAAM) նմուշների ներդիրի արագությունը, ներդիրի չափը և հաստությունը ազդում Յանգի մոդուլի վրա, որը չափվում է ACM43 նանոինտացիայով:Մեկ այլ բարդ գործոն է ստանդարտ չափազանց ցածր մոդուլի փորձարկման նյութերի և անվճար փորձարկման ընթացակարգերի բացակայությունը:Սա շատ է դժվարացնում վստահորեն ճշգրիտ արդյունքներ ստանալը:Այնուամենայնիվ, մեթոդը շատ օգտակար է նմանատիպ նմուշների տեսակների հարաբերական չափումների և համեմատական ​​գնահատումների համար, օրինակ՝ օգտագործելով AFM նանոինտենտացիա՝ նորմալ բջիջները քաղցկեղի բջիջներից տարբերելու համար 44, 45:
Փափուկ նյութերը AFM նանոինտացիայով փորձարկելիս ընդհանուր կանոնն է օգտագործել զոնդ ցածր զսպանակային հաստատունով (k), որը սերտորեն համապատասխանում է նմուշի մոդուլին և կիսագնդային/կլոր ծայրին, որպեսզի առաջին զոնդը չծակի նմուշի մակերեսները։ առաջին շփումը փափուկ նյութերի հետ:Կարևոր է նաև, որ զոնդի կողմից գեներացված շեղման ազդանշանը բավականաչափ ուժեղ լինի, որպեսզի հայտնաբերվի լազերային դետեկտորային համակարգի կողմից24,34,46,47:Գերփափուկ տարասեռ բջիջների, հյուսվածքների և գելերի դեպքում մեկ այլ խնդիր է հաղթահարել կպչուն ուժը զոնդի և նմուշի մակերեսի միջև՝ ապահովելու վերարտադրելի և հուսալի չափումներ48,49,50:Մինչև վերջերս, AFM նանոինտացիայի վրա կատարված աշխատանքների մեծ մասը կենտրոնացած էր կենսաբանական բջիջների, հյուսվածքների, գելերի, հիդրոգելների և բիոմոլեկուլների մեխանիկական վարքի ուսումնասիրության վրա՝ օգտագործելով համեմատաբար մեծ գնդաձև զոնդեր, որոնք սովորաբար կոչվում են կոլոիդային զոնդեր (CPs):, 47, 51, 52, 53, 54, 55: Այս ծայրերը ունեն 1-ից 50 մկմ շառավիղ և սովորաբար պատրաստված են բորոսիլիկատային ապակուց, պոլիմեթիլ մետակրիլատից (PMMA), պոլիստիրոլից (PS), սիլիցիումի երկօքսիդից (SiO2) և ադամանդից։ ինչպես ածխածինը (DLC):Չնայած CP-AFM նանոինտացիաները հաճախ առաջին ընտրությունն է փափուկ նմուշի բնութագրման համար, այն ունի իր խնդիրներն ու սահմանափակումները:Մեծ, միկրոն չափի գնդաձև ծայրերի օգտագործումը մեծացնում է ծայրի ընդհանուր շփման տարածքը նմուշի հետ և հանգեցնում է տարածական լուծման զգալի կորստի:Փափուկ, անհամասեռ նմուշների համար, որտեղ տեղական տարրերի մեխանիկական հատկությունները կարող են էականորեն տարբերվել ավելի լայն տարածքում միջինից, CP-ի ներքևումը կարող է թաքցնել տեղական մասշտաբով հատկությունների ցանկացած անհամասեռություն52:Կոլոիդային զոնդերը սովորաբար պատրաստվում են միկրոն չափի կոլոիդային գնդիկներն անթև կոնսերվերին կցելով՝ օգտագործելով էպոքսիդային սոսինձներ:Արտադրական գործընթացն ինքնին հղի է բազմաթիվ խնդիրներով և կարող է հանգեցնել զոնդերի ստուգաչափման գործընթացում անհամապատասխանությունների:Բացի այդ, կոլոիդային մասնիկների չափը և զանգվածը ուղղակիորեն ազդում են կոնսուլտի հիմնական տրամաչափման պարամետրերի վրա, ինչպիսիք են ռեզոնանսային հաճախականությունը, զսպանակների կոշտությունը և շեղման զգայունությունը56,57,58:Այսպիսով, սովորական AFM զոնդերի համար սովորաբար օգտագործվող մեթոդները, ինչպիսիք են ջերմաստիճանի չափորոշումը, կարող են չապահովել CP-ի ճշգրիտ տրամաչափում, և այլ մեթոդներ կարող են պահանջվել այս ուղղումները կատարելու համար57, 59, 60, 61: Տիպիկ CP նահանջային փորձերը օգտագործում են մեծ շեղումներ՝ ուսումնասիրել փափուկ նմուշների հատկությունները, ինչը ևս մեկ խնդիր է ստեղծում համեմատաբար մեծ շեղումների ժամանակ կոնսերտի ոչ գծային վարքագիծը չափելիս62,63,64:Ժամանակակից կոլոիդային զոնդի ներքևման մեթոդները սովորաբար հաշվի են առնում զոնդի չափորոշման համար օգտագործվող կոնսերտի երկրաչափությունը, բայց անտեսում են կոլոիդային մասնիկների ազդեցությունը, ինչը լրացուցիչ անորոշություն է ստեղծում մեթոդի ճշգրտության հարցում38,61:Նմանապես, առաձգական մոդուլները, որոնք հաշվարկվում են կոնտակտային մոդելի տեղադրմամբ, ուղղակիորեն կախված են ներքևի զոնդի երկրաչափությունից, և ծայրի և նմուշի մակերևույթի բնութագրերի միջև անհամապատասխանությունը կարող է հանգեցնել անճշտությունների27, 65, 66, 67, 68: Սպենսերի և այլոց որոշ վերջին աշխատանքներ:Կարևորվում են այն գործոնները, որոնք պետք է հաշվի առնել փափուկ պոլիմերային խոզանակները CP-AFM նանոինտացիայի մեթոդով բնութագրելիս:Նրանք հայտնել են, որ պոլիմերային խոզանակներում մածուցիկ հեղուկի պահպանումը որպես արագության ֆունկցիա հանգեցնում է գլխի բեռնվածության ավելացմանը և հետևաբար արագությունից կախված հատկությունների տարբեր չափումների30,69,70,71:
Այս ուսումնասիրության մեջ մենք բնութագրել ենք գերփափուկ, բարձր առաձգական նյութի lehfilcon A CL-ի մակերևութային մոդուլը՝ օգտագործելով AFM նանոինտացիայի փոփոխված մեթոդը:Հաշվի առնելով այս նյութի հատկությունները և նոր կառուցվածքը, ավանդական ներծծման մեթոդի զգայունության միջակայքն ակնհայտորեն անբավարար է այս չափազանց փափուկ նյութի մոդուլը բնութագրելու համար, ուստի անհրաժեշտ է օգտագործել AFM նանոինտացիայի մեթոդը ավելի բարձր զգայունությամբ և ավելի ցածր զգայունությամբ:մակարդակ.Կոլոիդային AFM զոնդի նանոինտացիայի տեխնիկայի թերություններն ու խնդիրները դիտարկելուց հետո մենք ցույց ենք տալիս, թե ինչու ենք ընտրել ավելի փոքր, հատուկ ձևավորված AFM զոնդ՝ զգայունությունը, ֆոնային աղմուկը, շփման կետը, փափուկ տարասեռ նյութերի արագության մոդուլը չափելու համար, ինչպիսիք են հեղուկի պահպանումը: կախվածություն.և ճշգրիտ քանակական հաշվարկ:Բացի այդ, մենք կարողացանք ճշգրիտ չափել խորշի ծայրի ձևն ու չափերը՝ թույլ տալով մեզ օգտագործել կոն-ոլորտային հարմարեցման մոդելը՝ որոշելու առաձգականության մոդուլը՝ առանց նյութի հետ ծայրի շփման տարածքը գնահատելու:Այս աշխատանքում թվարկված երկու անուղղակի ենթադրություններն են՝ նյութի լիովին առաձգական հատկությունները և խորշման խորությունից անկախ մոդուլը:Օգտագործելով այս մեթոդը, մենք նախ փորձարկեցինք ծայրահեղ փափուկ ստանդարտները՝ հայտնի մոդուլով՝ մեթոդը քանակականացնելու համար, այնուհետև օգտագործեցինք այս մեթոդը՝ երկու տարբեր կոնտակտային ոսպնյակների մակերևույթները բնութագրելու համար:Ակնկալվում է, որ բարձր զգայունությամբ AFM նանոինտացիոն մակերեսները բնութագրելու այս մեթոդը կիրառելի կլինի բիոմիմետիկ տարասեռ ուլտրափափուկ նյութերի լայն շրջանակի համար, որոնք կարող են օգտագործվել բժշկական սարքերում և կենսաբժշկական կիրառություններում:
Lehfilcon A կոնտակտային ոսպնյակները (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) և դրանց սիլիկոնային հիդրոգելային ենթաշերտերը ընտրվել են նանոինտացիա փորձերի համար:Փորձի ժամանակ օգտագործվել է հատուկ նախագծված ոսպնյակի ամրացում:Փորձարկման համար ոսպնյակը տեղադրելու համար այն զգուշորեն տեղադրեցին գմբեթաձև տակդիրի վրա՝ համոզվելով, որ օդային պղպջակներ չմտնեն ներս, այնուհետև ամրացրին եզրերով:Ոսպնյակի պահարանի վերևի մասում տեղադրված անցք է ապահովում ոսպնյակի օպտիկական կենտրոն՝ նանոինտացիա փորձերի համար՝ հեղուկը տեղում պահելով:Սա ապահովում է ոսպնյակների լիարժեք խոնավացում:Որպես փորձնական լուծույթ օգտագործվել է կոնտակտային ոսպնյակների փաթեթավորման 500 մկլ լուծույթ:Քանակական արդյունքները ստուգելու համար առևտրային հասանելի չակտիվացված պոլիակրիլամիդային (PAAM) հիդրոգելները պատրաստվել են պոլիակրիլամիդ-կո-մեթիլեն-բիսակրիլամիդ բաղադրությունից (100 մմ Petrisoft Petri ճաշատեսակներ, Matrigen, Irvine, CA, ԱՄՆ), հայտնի առաձգական մոդուլ 1: կՊա։Օգտագործեք 4-5 կաթիլ (մոտ 125 մկլ) ֆոսֆատով բուֆերացված ֆիզիոլոգիական լուծույթ (PBS Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, ԱՄՆ) և 1 կաթիլ OPTI-FREE Puremoist կոնտակտային ոսպնյակների լուծույթ (Alcon, Vaud, TX, ԱՄՆ):) AFM հիդրոգել-զոնդ միջերեսում:
Lehfilcon A CL և SiHy ենթաշերտերի նմուշները վիզուալացվել են՝ օգտագործելով FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) համակարգ, որը հագեցած է Scanning Transmission Electron Microscope (STEM) դետեկտորով:Նմուշները պատրաստելու համար ոսպնյակները նախ լվանում էին ջրով և կտրում կարկանդակի տեսքով սեպերի մեջ:Նմուշների հիդրոֆիլ և հիդրոֆոբ բաղադրիչների միջև դիֆերենցիալ հակադրություն ձեռք բերելու համար որպես ներկ օգտագործվել է RuO4-ի 0,10% կայունացված լուծույթ, որի մեջ նմուշները ընկղմվել են 30 րոպե:Lehfilcon A CL RuO4 ներկումը կարևոր է ոչ միայն բարելավված դիֆերենցիալ կոնտրաստի հասնելու համար, այլև օգնում է պահպանել ճյուղավորված պոլիմերային վրձինների կառուցվածքը իրենց սկզբնական տեսքով, որոնք այնուհետև տեսանելի են STEM պատկերների վրա:Այնուհետև դրանք լվացվեցին և ջրազրկվեցին մի շարք էթանոլի/ջուր խառնուրդների մեջ՝ ավելացնելով էթանոլի կոնցենտրացիան:Նմուշները այնուհետև ձուլվել են EMBed 812/Araldite էպոքսիդով, որը պնդացել է գիշերվա ընթացքում 70°C-ում:Խեժի պոլիմերացման արդյունքում ստացված նմուշի բլոկները կտրվել են ուլտրամիկրոտոմի միջոցով, և արդյունքում բարակ հատվածները տեսանելի են եղել STEM դետեկտորով ցածր վակուումային ռեժիմում 30 կՎ արագացնող լարման դեպքում:Նույն SEM համակարգը օգտագործվել է PFQNM-LC-A-CAL AFM զոնդի մանրամասն բնութագրման համար (Bruker Nano, Սանտա Բարբարա, Կալիֆորնիա, ԱՄՆ):AFM զոնդի SEM պատկերները ստացվել են տիպիկ բարձր վակուումային ռեժիմում՝ 30 կՎ արագացնող լարմամբ:Ձեռք բերեք պատկերներ տարբեր անկյուններով և խոշորացումներով՝ AFM զոնդի ծայրի ձևի և չափի բոլոր մանրամասները գրանցելու համար:Նկարներում հետաքրքրող բոլոր ծայրամասային չափերը չափվել են թվային եղանակով:
Dimension FastScan Bio Icon ատոմային ուժի մանրադիտակը (Bruker Nano, Սանտա Բարբարա, Կալիֆորնիա, ԱՄՆ) «PeakForce QNM in Fluid» ռեժիմով օգտագործվել է lehfilcon A CL, SiHy ենթաշերտի և PAAm հիդրոգելի նմուշները պատկերացնելու և նանոինտենտավորելու համար:Պատկերային փորձերի համար օգտագործվել է PEAKFORCE-HIRS-FA զոնդ (Bruker), որի ծայրի անվանական շառավղը 1 նմ է, նմուշի բարձր լուծաչափով պատկերներ նկարահանելու համար 0,50 Հց սկան արագությամբ:Բոլոր պատկերները վերցված են ջրային լուծույթում:
AFM nanoindentation փորձերն իրականացվել են PFQNM-LC-A-CAL զոնդի միջոցով (Bruker):AFM զոնդն ունի սիլիկոնային ծայր՝ 345 նմ հաստությամբ, 54 մկմ երկարությամբ և 4,5 մկմ լայնությամբ նիտրիդային հենարանի վրա՝ 45 կՀց ռեզոնանսային հաճախականությամբ:Այն հատուկ նախագծված է բնութագրելու և փափուկ կենսաբանական նմուշների վրա քանակական նանոմեխանիկական չափումներ կատարելու համար:Սենսորները առանձին չափորոշվում են գործարանում՝ նախապես կալիբրացված զսպանակային կարգավորումներով:Այս հետազոտության մեջ օգտագործված զոնդերի զսպանակային հաստատունները եղել են 0,05–0,1 Ն/մ միջակայքում:Ծայրամասի ձևն ու չափը ճշգրիտ որոշելու համար զոնդը մանրամասնորեն բնութագրվել է SEM-ի միջոցով:Նկ.Նկար 1ա-ում ներկայացված է PFQNM-LC-A-CAL զոնդի բարձր լուծաչափով, ցածր խոշորացմամբ սկանավորող էլեկտրոնային միկրոգրաֆը, որն ապահովում է զոնդի նախագծման ամբողջական պատկերը:Նկ.1b-ը ցույց է տալիս զոնդի ծայրի վերին մասի ընդլայնված տեսքը, որը տեղեկատվություն է տրամադրում ծայրի ձևի և չափի մասին:Ծայրահեղ ծայրում ասեղը մոտավորապես 140 նմ տրամագծով կիսագնդ է (նկ. 1c):Սրանից ներքև ծայրը դառնում է կոնաձև՝ հասնելով մոտավորապես 500 նմ երկարության:Նվազման շրջանից դուրս ծայրը գլանաձև է և ավարտվում է 1,18 մկմ ծայրի ընդհանուր երկարությամբ:Սա զոնդի ծայրի հիմնական ֆունկցիոնալ մասն է:Բացի այդ, որպես կոլոիդային զոնդ փորձարկելու համար օգտագործվել է մեծ գնդաձև պոլիստիրոլի (PS) զոնդ (Novascan Technologies, Inc., Boone, Այովա, ԱՄՆ)՝ 45 մկմ ծայրի տրամագծով և 2 Ն/մ զսպանակային հաստատունով:համեմատության համար PFQNM-LC-A-CAL 140 նմ զոնդով:
Զեկուցվել է, որ հեղուկը կարող է թակարդվել AFM զոնդի և պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի միջև նանոինտացիայի ժամանակ, որը դեպի վեր ուժ կգործադրի AFM զոնդի վրա մինչև այն իրականում դիպչել մակերեսին69:Հեղուկի պահպանման այս մածուցիկ արտամղման էֆեկտը կարող է փոխել շփման ակնհայտ կետը՝ դրանով իսկ ազդելով մակերեսի մոդուլի չափումների վրա:Զոնդի երկրաչափության և ներքևման արագության ազդեցությունը հեղուկի պահպանման վրա ուսումնասիրելու համար lehfilcon A CL նմուշների համար գծագրվել են ներքևման ուժի կորեր՝ օգտագործելով 140 նմ տրամագծով զոնդ՝ 1 մկմ/վ և 2 մկմ/վ հաստատուն տեղաշարժման արագությամբ:զոնդի տրամագիծը 45 մկմ, ֆիքսված ուժի կարգավորումը 6 նՆ է, որը ձեռք է բերվել 1 մկմ/վրկ արագությամբ:140 նմ տրամագծով զոնդով փորձերն իրականացվել են 1 մկմ/վ ինջման արագությամբ և 300 pN սահմանված ուժով, որոնք ընտրվել են կոնտակտային ճնշում ստեղծելու համար վերին կոպի ֆիզիոլոգիական միջակայքում (1-8 կՊա):ճնշում 72. 1 կՊա ճնշմամբ PAA հիդրոգելի փափուկ պատրաստի նմուշները փորձարկվել են 140 նմ տրամագծով զոնդի միջոցով 50 pN խորշող ուժի համար 1 մկմ/վրկ արագությամբ:
Քանի որ PFQNM-LC-A-CAL զոնդի ծայրի կոնաձև մասի երկարությունը մոտավորապես 500 նմ է, ցանկացած անկման խորության համար < 500 նմ, կարելի է վստահորեն ենթադրել, որ զոնդի երկրաչափությունը ներքաշման ժամանակ հավատարիմ կմնա իր: կոնի ձև:Բացի այդ, ենթադրվում է, որ փորձարկվող նյութի մակերեսը կցուցաբերի շրջելի առաձգական արձագանք, որը նույնպես կհաստատվի հաջորդ բաժիններում:Հետևաբար, կախված ծայրի ձևից և չափից, մենք ընտրեցինք Բրիսկոյի, Սեբաստիանի և Ադամսի կողմից մշակված կոն-գնդաձև կցման մոդելը, որը հասանելի է վաճառողի ծրագրաշարում՝ մեր AFM նանոինտացիայի փորձերը մշակելու համար (NanoScope):Տարանջատման տվյալների վերլուծության ծրագիր, Bruker) 73. Մոդելը նկարագրում է ուժ-տեղաշարժ հարաբերությունը F(δ) գնդաձև գագաթային արատով կոնի համար:Նկ.Նկար 2-ը ցույց է տալիս կոնտակտային երկրաչափությունը գնդաձև ծայրի հետ կոշտ կոնի փոխազդեցության ժամանակ, որտեղ R-ը գնդաձև ծայրի շառավիղն է, a-ն շփման շառավիղն է, b-ը գնդաձև ծայրի վերջում շփման շառավիղն է, δ-ն է՝ շփման շառավիղը.խորշման խորությունը, θ-ը կոնի կիսանկյունն է:Այս զոնդի SEM պատկերը հստակ ցույց է տալիս, որ 140 նմ տրամագծով գնդաձև ծայրը շոշափելիորեն միաձուլվում է կոնի մեջ, ուստի այստեղ b-ն սահմանվում է միայն R-ի միջոցով, այսինքն՝ b = R cos θ:Վաճառողի կողմից տրամադրված ծրագրաշարը ապահովում է կոն-գնդային հարաբերություն՝ հաշվարկելու Յանգի մոդուլի (E) արժեքները ուժի բաժանման տվյալներից՝ ենթադրելով a > b:Հարաբերություններ:
որտեղ F-ը նահանջի ուժն է, E-ն Յանգի մոդուլն է, ν-ը Պուասոնի հարաբերակցությունն է:Ա շփման շառավիղը կարելի է գնահատել՝ օգտագործելով.
Կոշտ կոնի կոնտակտային երկրաչափության սխեման՝ գնդաձև ծայրով սեղմված Lefilcon կոնտակտային ոսպնյակի նյութի մեջ՝ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների մակերեսային շերտով:
Եթե ​​a ≤ b, ապա կապը վերածվում է սովորական գնդաձև ներդիրի հավասարման.
Մենք կարծում ենք, որ ներքևող զոնդի փոխազդեցությունը PMPC պոլիմերային խոզանակի ճյուղավորված կառուցվածքի հետ կհանգեցնի, որ շփման շառավիղը a ավելի մեծ կլինի, քան գնդաձև շփման շառավիղը b:Հետևաբար, այս հետազոտության մեջ կատարված առաձգական մոդուլի բոլոր քանակական չափումների համար մենք օգտագործել ենք a > b դեպքի համար ստացված կախվածությունը:
Այս ուսումնասիրության ընթացքում ուսումնասիրված ուլտրափափուկ կենսաբանական նյութերը համակողմանիորեն պատկերվել են՝ օգտագործելով նմուշի խաչմերուկի սկանավորող փոխանցման էլեկտրոնային մանրադիտակը (STEM) և մակերեսի ատոմային ուժի մանրադիտակը (AFM):Մակերեւույթի այս մանրամասն բնութագրումը կատարվել է որպես մեր նախկինում հրապարակված աշխատանքի ընդլայնում, որտեղ մենք որոշեցինք, որ PMPC-ով ձևափոխված lehfilcon A CL մակերեսի դինամիկ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքը նման մեխանիկական հատկություններ է դրսևորում եղջերաթաղանթի բնիկ հյուսվածքին 14:Այդ պատճառով մենք կոնտակտային ոսպնյակների մակերեսները անվանում ենք բիոմիմետիկ նյութեր14:Նկ.3a,b-ը ցույց է տալիս ճյուղավորված PMPC պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքների խաչմերուկները համապատասխանաբար lehfilcon A CL սուբստրատի և չմշակված SiHy սուբստրատի մակերեսի վրա:Երկու նմուշների մակերեսները հետագայում վերլուծվել են՝ օգտագործելով բարձր լուծաչափով AFM պատկերներ, որոնք հետագայում հաստատեցին STEM վերլուծության արդյունքները (նկ. 3c, d):Միասին այս պատկերները տալիս են PMPC ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի մոտավոր երկարությունը 300–400 նմ-ում, ինչը կարևոր է AFM նանոինտացիաների չափումները մեկնաբանելու համար:Պատկերներից ստացված մեկ այլ հիմնական դիտարկումն այն է, որ CL բիոմիմետիկ նյութի ընդհանուր մակերեսային կառուցվածքը մորֆոլոգիապես տարբերվում է SiHy ենթաշերտի նյութից:Նրանց մակերևույթի մորֆոլոգիայի այս տարբերությունը կարող է ակնհայտ դառնալ նրանց մեխանիկական փոխազդեցության ընթացքում ներքևող AFM զոնդի հետ և հետագայում չափված մոդուլի արժեքներում:
(ա) lehfilcon A CL և (բ) SiHy սուբստրատի խաչաձեւ հատվածային STEM պատկերներ:Կշեռքի սանդղակ, 500 նմ:AFM պատկերներ lehfilcon A CL սուբստրատի մակերեսի (c) և SiHy հիմքի (d) (3 մկմ × 3 մկմ):
Կենսաներշնչված պոլիմերները և պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքները բնականաբար փափուկ են և լայնորեն ուսումնասիրվել և օգտագործվել են տարբեր կենսաբժշկական կիրառություններում74,75,76,77:Հետևաբար, կարևոր է օգտագործել AFM նանոինտենտավորման մեթոդը, որը կարող է ճշգրիտ և հուսալիորեն չափել դրանց մեխանիկական հատկությունները:Բայց միևնույն ժամանակ, այս գերփափուկ նյութերի եզակի հատկությունները, ինչպիսիք են չափազանց ցածր առաձգական մոդուլը, հեղուկի բարձր պարունակությունը և բարձր առաձգականությունը, հաճախ դժվարացնում են ճիշտ նյութի, ձևի և ձևի ընտրությունը:չափը։Սա կարևոր է, որպեսզի միջանցքը չծակի նմուշի փափուկ մակերեսը, ինչը կհանգեցնի մակերեսի հետ շփման կետը և շփման տարածքը որոշելու սխալների:
Դրա համար էական է ծայրահեղ փափուկ բիոմիմետիկ նյութերի (lehfilcon A CL) մորֆոլոգիայի համապարփակ ըմբռնումը:Պատկերման մեթոդի միջոցով ստացված ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների չափի և կառուցվածքի մասին տեղեկատվությունը հիմք է տալիս մակերեսի մեխանիկական բնութագրման համար՝ օգտագործելով AFM նանոինտացիա տեխնիկան:Միկրոն չափի գնդաձև կոլոիդային զոնդերի փոխարեն մենք ընտրեցինք PFQNM-LC-A-CAL սիլիցիումի նիտրիդային զոնդը (Bruker) 140 նմ ծայրի տրամագծով, որը հատուկ նախագծված է կենսաբանական նմուշների մեխանիկական հատկությունների քանակական քարտեզագրման համար 78, 79, 80: , 81, 82, 83, 84 Համեմատաբար սուր զոնդերի օգտագործման հիմնավորումը սովորական կոլոիդային զոնդերի համեմատ կարելի է բացատրել նյութի կառուցվածքային առանձնահատկություններով։Համեմատելով զոնդի ծայրի չափը (~140 նմ) ​​CL lehfilcon A-ի մակերեսի ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների հետ, որոնք ցույց են տրված նկ. 3ա-ում, կարելի է եզրակացնել, որ ծայրը բավականաչափ մեծ է այս խոզանակների կառուցվածքների հետ անմիջական շփման մեջ մտնելու համար, որոնք նվազեցնում է դրանց միջով ծայրը ծակելու հնարավորությունը:Այս կետը ցույց տալու համար նկ. 4-ում ներկայացված է lehfilcon A CL-ի STEM պատկերը և AFM զոնդի ներքևի ծայրը (գծված մասշտաբով):
Սխեմատիկ, որը ցույց է տալիս lehfilcon A CL-ի STEM պատկերը և ACM ներթափանցման զոնդը (գծված մասշտաբով):
Բացի այդ, ծայրի 140 նմ չափը բավականաչափ փոքր է, որպեսզի խուսափի պոլիմերային վրձինների համար նախկինում հաղորդված կպչուն արտամղման էֆեկտների վտանգից, որոնք արտադրվել են CP-AFM նանոինտացիայի մեթոդով69,71:Մենք ենթադրում ենք, որ այս AFM ծայրի հատուկ կոն-գնդաձև ձևի և համեմատաբար փոքր չափի պատճառով (նկ. 1), ուժի կորի բնույթը, որը ստեղծվել է lehfilcon A CL նանոինտացիայով, կախված չէ ներքևման արագությունից կամ բեռնման/բեռնաթափման արագությունից։ .Հետեւաբար, դրա վրա չի ազդում ծակոտկեն էֆեկտները:Այս վարկածը ստուգելու համար lehfilcon A CL նմուշները ներքաշվել են ֆիքսված առավելագույն ուժով, օգտագործելով PFQNM-LC-A-CAL զոնդը, բայց երկու տարբեր արագություններով, և արդյունքում ստացված առաձգական և հետադարձ ուժի կորերը օգտագործվել են ուժը գծագրելու համար (nN): տարանջատմամբ (մմ) ներկայացված է Նկար 5ա-ում:Ակնհայտ է, որ բեռնման և բեռնաթափման ժամանակ ուժի կորերն ամբողջությամբ համընկնում են, և չկա հստակ ապացույց, որ ուժի կտրումը զրոյական խորության խորության վրա մեծանում է նկարում ներքևման արագությամբ, ինչը ենթադրում է, որ խոզանակի առանձին տարրերը բնութագրվել են առանց ծակոտկեն էֆեկտի:Ի հակադրություն, հեղուկի պահպանման էֆեկտները (մածուցիկ արտամղման և ծակոտկենության էֆեկտներ) ակնհայտ են 45 մկմ տրամագծով AFM զոնդի համար նույն ներքևման արագությամբ և ընդգծվում են ձգվող և հետադարձ կորերի միջև հիստերեզով, ինչպես ցույց է տրված Նկար 5b-ում:Այս արդյունքները հաստատում են վարկածը և ենթադրում են, որ 140 նմ տրամագծով զոնդերը լավ ընտրություն են նման փափուկ մակերեսները բնութագրելու համար:
lehfilcon A CL ներծծման ուժի կորեր՝ օգտագործելով ACM;ա) 140 նմ տրամագծով զոնդի օգտագործումը երկու բեռնման արագությամբ, որը ցույց է տալիս մակերևույթի ներթափանցման ժամանակ ծակոտկեն էֆեկտի բացակայությունը.բ) օգտագործելով 45 մկմ և 140 նմ տրամագծով զոնդեր։s-ը ցույց է տալիս մածուցիկ արտամղման և ծակոտկենության ազդեցությունը մեծ զոնդերի համար՝ համեմատած փոքր զոնդերի հետ:
Ուլտրափափուկ մակերեսները բնութագրելու համար AFM nanoindentation մեթոդները պետք է ունենան լավագույն զոնդը՝ ուսումնասիրվող նյութի հատկությունները ուսումնասիրելու համար:Ի լրումն ծայրի ձևի և չափի, AFM դետեկտորի համակարգի զգայունությունը, փորձարկման միջավայրում ծայրի շեղման նկատմամբ զգայունությունը և հենասյուների կոշտությունը կարևոր դեր են խաղում նանոինտացիայի ճշգրտության և հուսալիության որոշման գործում:չափումներ.Մեր AFM համակարգի համար դիրքի զգայուն դետեկտորի (PSD) հայտնաբերման սահմանը մոտավորապես 0,5 մՎ է և հիմնված է նախապես հաշվարկված զսպանակային արագության և PFQNM-LC-A-CAL զոնդի հեղուկի շեղման հաշվարկված զգայունության վրա, որը համապատասխանում է տեսական բեռի զգայունություն:պակաս է 0,1 pN-ից:Հետևաբար, այս մեթոդը թույլ է տալիս չափել ≤ 0,1 pN նվազագույն ներթափանցման ուժ՝ առանց ծայրամասային աղմուկի որևէ բաղադրիչի:Այնուամենայնիվ, AFM համակարգի համար գրեթե անհնար է նվազեցնել ծայրամասային աղմուկը մինչև այս մակարդակը այնպիսի գործոնների պատճառով, ինչպիսիք են մեխանիկական թրթռումները և հեղուկի դինամիկան:Այս գործոնները սահմանափակում են AFM nanoindentation մեթոդի ընդհանուր զգայունությունը և նաև հանգեցնում են մոտավորապես ≤ 10 pN ֆոնային աղմուկի ազդանշանի:Մակերեւույթի բնութագրման համար lehfilcon A CL և SiHy ենթաշերտի նմուշները ներքաշվել են լիովին հիդրատացված պայմաններում՝ օգտագործելով 140 նմ զոնդ՝ SEM բնութագրման համար, և արդյունքում ուժի կորերը դրվել են ուժի (pN) և ճնշման միջև:Տարանջատման սյուժեն (մկմ) ներկայացված է Նկար 6ա-ում:Համեմատելով SiHy բազային հիմքի հետ, lehfilcon A CL ուժի կորը հստակ ցույց է տալիս անցումային փուլը, որը սկսվում է պատառաքաղված պոլիմերային խոզանակի հետ շփման կետից և ավարտվում է հիմքում ընկած նյութի հետ ծայրի թեքության գծանշման շփման կտրուկ փոփոխությամբ:Ուժի կորի այս անցումային մասը ընդգծում է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի իսկապես առաձգական վարքը մակերեսի վրա, ինչի մասին վկայում է սեղմման կորը, որը ուշադիր հետևում է լարվածության կորին և խոզանակի կառուցվածքի և SiHy մեծ նյութի միջև մեխանիկական հատկությունների հակադրությունը:Լեֆիլկոնը համեմատելիս.Ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի միջին երկարության տարանջատում PCS-ի STEM պատկերում (նկ. 3ա) և դրա ուժի կորը աբսցիսայի երկայնքով Նկար 3ա-ում:6a ցույց է տալիս, որ մեթոդը կարող է հայտնաբերել ծայրը և ճյուղավորված պոլիմերը, որը հասնում է մակերեսի ամենավերևին:Կոնտակտ խոզանակի կառույցների միջև:Բացի այդ, ուժի կորերի սերտ համընկնումը ցույց է տալիս հեղուկի պահպանման էֆեկտի բացակայությունը:Այս դեպքում ասեղի և նմուշի մակերեսի միջև բացարձակապես կպչունություն չկա:Երկու նմուշների համար ուժի կորերի ամենավերին հատվածները համընկնում են՝ արտացոլելով ենթաշերտի նյութերի մեխանիկական հատկությունների նմանությունը:
(ա) AFM nanoindentation ուժի կորեր lehfilcon A CL սուբստրատների և SiHy սուբստրատների համար, (բ) ուժի կորեր, որոնք ցույց են տալիս շփման կետերի գնահատումը՝ օգտագործելով ֆոնային աղմուկի շեմի մեթոդը։
Ուժի կորի ավելի նուրբ մանրամասները ուսումնասիրելու համար lehfilcon A CL նմուշի լարվածության կորը վերագրված է Նկար 6b-ում 50 pN առավելագույն ուժով y առանցքի երկայնքով:Այս գրաֆիկը կարևոր տեղեկություններ է տալիս սկզբնական ֆոնային աղմուկի մասին:Աղմուկը գտնվում է ±10 pN միջակայքում, որն օգտագործվում է շփման կետը ճշգրիտ որոշելու և ներքևի խորությունը հաշվարկելու համար:Ինչպես նշվում է գրականության մեջ, շփման կետերի նույնականացումը չափազանց կարևոր է նյութի հատկությունները ճշգրիտ գնահատելու համար, ինչպիսին է մոդուլը85:Ուժի կորի տվյալների ավտոմատ մշակումը ներառող մոտեցումը ցույց է տվել, որ բարելավված է համապատասխանությունը փափուկ նյութերի համար տվյալների համապատասխանության և քանակական չափումների միջև86:Այս աշխատանքում շփման կետերի մեր ընտրությունը համեմատաբար պարզ է և օբյեկտիվ, բայց այն ունի իր սահմանափակումները:Շփման կետը որոշելու մեր պահպանողական մոտեցումը կարող է հանգեցնել մի փոքր գերագնահատված մոդուլի արժեքների ավելի փոքր խորշերի խորությունների համար (<100 նմ):Ալգորիթմի վրա հիմնված հպման կետերի հայտնաբերման և տվյալների ավտոմատացված մշակման օգտագործումը կարող է լինել այս աշխատանքի շարունակությունը ապագայում՝ մեր մեթոդի հետագա կատարելագործման համար:Այսպիսով, ±10 pN կարգի ներքին ֆոնային աղմուկի համար մենք սահմանում ենք շփման կետը որպես առաջին տվյալների կետ X առանցքի վրա Նկար 6b-ում ≥10 pN արժեքով:Այնուհետև, 10 pN աղմուկի շեմին համապատասխան, ~0,27 մկմ մակարդակի ուղղահայաց գիծը նշում է մակերեսի հետ շփման կետը, որից հետո ձգվող կորը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև հիմքը հասնի ~270 նմ խորության խորությանը:Հետաքրքիր է, որ հիմնվելով ճյուղավորված պոլիմերային վրձնի առանձնահատկությունների չափի վրա (300–400 նմ), որը չափվում է պատկերային մեթոդով, CL lehfilcon A նմուշի խորությունը, որը դիտարկվել է ֆոնային աղմուկի շեմի մեթոդով, մոտ 270 նմ է, ինչը շատ մոտ է. չափման չափը STEM-ով:Այս արդյունքները հետագայում հաստատում են AFM զոնդի ծայրի ձևի և չափի համատեղելիությունը և կիրառելիությունը այս շատ փափուկ և բարձր առաձգական ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի ներթափանցման համար:Այս տվյալները նաև հաստատում են ֆոնային աղմուկի օգտագործման մեր մեթոդը որպես շեմ՝ շփման կետերը մատնանշելու համար:Այսպիսով, մաթեմատիկական մոդելավորման և ուժի կորի տեղադրման արդյունքում ստացված ցանկացած քանակական արդյունք պետք է լինի համեմատաբար ճշգրիտ:
AFM նանոինտացիայի մեթոդներով քանակական չափումները լիովին կախված են տվյալների ընտրության և հետագա վերլուծության համար օգտագործվող մաթեմատիկական մոդելներից:Հետևաբար, կարևոր է հաշվի առնել բոլոր գործոնները, որոնք կապված են ներդիրի ընտրության, նյութի հատկությունների և դրանց փոխազդեցության մեխանիզմի հետ, նախքան որոշակի մոդել ընտրելը:Այս դեպքում ծայրի երկրաչափությունը մանրակրկիտ բնութագրվել է՝ օգտագործելով SEM միկրոգրաֆները (նկ. 1), և արդյունքների հիման վրա՝ 140 նմ տրամագծով AFM նանոինտենտային զոնդը՝ կոշտ կոնով և գնդաձև ծայրի երկրաչափությամբ, լավ ընտրություն է lehfilcon A CL79 նմուշները բնութագրելու համար։ .Մեկ այլ կարևոր գործոն, որը պետք է ուշադիր գնահատվի, փորձարկվող պոլիմերային նյութի առաձգականությունն է:Չնայած նանոինտացիայի նախնական տվյալները (նկ. 5ա և 6ա) հստակ ուրվագծում են լարվածության և սեղմման կորերի համընկնման առանձնահատկությունները, այսինքն՝ նյութի ամբողջական առաձգական վերականգնումը, չափազանց կարևոր է հաստատել շփումների զուտ առաձգական բնույթը։ .Այդ նպատակով, lehfilcon A CL նմուշի մակերեսի վրա միևնույն վայրում կատարվել են երկու հաջորդական անցք՝ 1 մկմ/վրկ խորացման արագությամբ՝ լիարժեք հիդրացիայի պայմաններում:Ստացված ուժի կորի տվյալները ներկայացված են նկ.7 և, ինչպես և սպասվում էր, երկու տպումների ընդարձակման և սեղմման կորերը գրեթե նույնական են, ինչը ընդգծում է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի բարձր առաձգականությունը:
lehfilcon A CL-ի մակերեսի վրա նույն տեղում գտնվող երկու ներթափանցման ուժի կորերը ցույց են տալիս ոսպնյակի մակերեսի իդեալական առաձգականությունը:
Համապատասխանաբար զոնդի ծայրի և lehfilcon A CL մակերևույթի SEM և STEM պատկերներից ստացված տեղեկատվության հիման վրա կոն-գնդային մոդելը AFM զոնդի ծայրի և փորձարկվող փափուկ պոլիմերային նյութի միջև փոխազդեցության ողջամիտ մաթեմատիկական ներկայացում է:Բացի այդ, այս կոն-գնդային մոդելի համար տպագրված նյութի առաձգական հատկությունների վերաբերյալ հիմնարար ենթադրությունները ճշմարիտ են այս նոր բիոմիմետիկ նյութի համար և օգտագործվում են առաձգական մոդուլը քանակականացնելու համար:
AFM nanoindentation մեթոդի և դրա բաղադրիչների համապարփակ գնահատումից հետո, ներառյալ ներծծման զոնդի հատկությունները (ձևը, չափը և զսպանակի կոշտությունը), զգայունությունը (ֆոնային աղմուկը և շփման կետերի գնահատումը) և տվյալների հարմարեցման մոդելները (քանակական մոդուլի չափումներ), մեթոդը եղել է. օգտագործված.բնութագրել առևտրային հասանելի գերփափուկ նմուշները՝ քանակական արդյունքները ստուգելու համար:Առևտրային պոլիակրիլամիդ (PAAM) հիդրոգելը 1 կՊա առաձգական մոդուլով փորձարկվել է հիդրատացված պայմաններում՝ օգտագործելով 140 նմ զոնդ:Մոդուլի փորձարկման և հաշվարկների մանրամասները ներկայացված են Լրացուցիչ տեղեկություններում:Արդյունքները ցույց են տվել, որ միջին չափված մոդուլը 0,92 կՊա է, իսկ %RSD-ն և տոկոսային (%) շեղումը հայտնի մոդուլից 10%-ից պակաս են։Այս արդյունքները հաստատում են AFM nanoindentation մեթոդի ճշգրտությունն ու վերարտադրելիությունը, որն օգտագործվում է այս աշխատանքում՝ ultrasoft նյութերի մոդուլները չափելու համար:Lehfilcon A CL նմուշների և SiHy բազային ենթաշերտի մակերևույթները հետագայում բնութագրվել են նույն AFM նանոինտացիայի մեթոդի միջոցով՝ ուսումնասիրելու ուլտրափափուկ մակերևույթի ակնհայտ շփման մոդուլը՝ որպես ներթափանցման խորության ֆունկցիա:Խորշման ուժի տարանջատման կորեր ստեղծվել են յուրաքանչյուր տեսակի երեք նմուշների համար (n = 3; մեկ ներքև յուրաքանչյուր նմուշի համար) 300 pN ուժով, 1 մկմ/վ արագությամբ և լիարժեք խոնավացումով:Նեղման ուժի բաշխման կորը մոտավորվել է կոն-գնդային մոդելի միջոցով:Նեղման խորությունից կախված մոդուլ ստանալու համար ուժի կորի 40 նմ լայնությամբ մաս է սահմանվել 20 նմ յուրաքանչյուր աճի դեպքում՝ սկսած շփման կետից, և ուժի կորի յուրաքանչյուր քայլում չափվել են մոդուլի արժեքները:Spin Cy et al.Նմանատիպ մոտեցում է օգտագործվել պոլի(լաուրիլ մետակրիլատ) (P12MA) պոլիմերային խոզանակների մոդուլի գրադիենտը բնութագրելու համար՝ օգտագործելով կոլոիդ AFM զոնդի նանոինտացիա, և դրանք համահունչ են Հերց կոնտակտային մոդելի տվյալներին:Այս մոտեցումը տրամադրում է ակնհայտ շփման մոդուլի (kPa) սխեման՝ ընդդեմ ներթափանցման խորության (նմ), ինչպես ցույց է տրված Նկար 8-ում, որը ցույց է տալիս ակնհայտ շփման մոդուլը/խորության գրադիենտը:CL lehfilcon A նմուշի հաշվարկված առաձգական մոդուլը 2-3 կՊա միջակայքում է նմուշի վերին 100 նմ-ի սահմաններում, որից այն կողմ սկսում է աճել խորության հետ:Մյուս կողմից, SiHy բազային ենթաշերտը առանց խոզանականման թաղանթի մակերևույթի վրա փորձարկելիս, 300 pN ուժի դեպքում ձեռք բերված առավելագույն խորությունը 50 նմ-ից պակաս է, իսկ տվյալներից ստացված մոդուլի արժեքը մոտ 400 կՊա է։ , որը համեմատելի է Յանգի մոդուլի արժեքների հետ սորուն նյութերի համար։
Ակնհայտ կոնտակտային մոդուլը (կՊա) ընդդեմ ներքևման խորության (նմ) lehfilcon A CL և SiHy ենթաշերտերի համար՝ օգտագործելով AFM նանոինտացիայի մեթոդը՝ կոն-ոլորտային երկրաչափությամբ՝ մոդուլը չափելու համար:
Նոր բիոմիմետիկ ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի կառուցվածքի վերին մակերեսը ցուցադրում է առաձգականության չափազանց ցածր մոդուլ (2–3 կՊա):Սա կհամապատասխանի պատառաքաղված պոլիմերային խոզանակի ազատ կախված ծայրին, ինչպես ցույց է տրված STEM պատկերում:Թեև CL-ի արտաքին եզրին մոդուլի գրադիենտի որոշ ապացույցներ կան, հիմնական բարձր մոդուլի սուբստրատն ավելի ազդեցիկ է:Այնուամենայնիվ, մակերեսի վերին 100 նմ-ը գտնվում է ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի ընդհանուր երկարության 20%-ի սահմաններում, ուստի խելամիտ է ենթադրել, որ մոդուլի չափված արժեքները այս խորշի խորության միջակայքում համեմատաբար ճշգրիտ են և խիստ չեն։ կախված է ստորին օբյեկտի ազդեցությունից:
Շնորհիվ lehfilcon A կոնտակտային ոսպնյակների եզակի բիոմիմետիկ դիզայնի, որը բաղկացած է ճյուղավորված PMPC պոլիմերային խոզանակային կառուցվածքներից, որոնք պատվաստված են SiHy սուբստրատների մակերեսին, շատ դժվար է հուսալիորեն բնութագրել դրանց մակերեսային կառուցվածքների մեխանիկական հատկությունները՝ օգտագործելով չափման ավանդական մեթոդները:Այստեղ մենք ներկայացնում ենք առաջադեմ AFM nanoindentation մեթոդը, որը ճշգրիտ բնութագրում է ծայրահեղ փափուկ նյութերը, ինչպիսիք են lefilcon A-ն՝ ջրի բարձր պարունակությամբ և չափազանց բարձր առաձգականությամբ:Այս մեթոդը հիմնված է AFM զոնդի օգտագործման վրա, որի ծայրի չափը և երկրաչափությունը խնամքով ընտրված են՝ տպագրվելիք գերփափուկ մակերեսի կառուցվածքային չափերին համապատասխանելու համար:Զոնդի և կառուցվածքի միջև չափերի այս համադրությունը ապահովում է զգայունության բարձրացում՝ թույլ տալով մեզ չափել ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակի տարրերի ցածր մոդուլը և բնորոշ առաձգական հատկությունները՝ անկախ պորոէլաստիկ ազդեցություններից:Արդյունքները ցույց են տվել, որ ոսպնյակի մակերեսին բնորոշ եզակի ճյուղավորված PMPC պոլիմերային խոզանակները ջրային միջավայրում փորձարկվելիս ունեցել են չափազանց ցածր առաձգական մոդուլ (մինչև 2 կՊա) և շատ բարձր առաձգականություն (մոտ 100%):AFM նանոինտացիայի արդյունքները նաև թույլ տվեցին մեզ բնութագրել բիոմիմետիկ ոսպնյակի մակերեսի ակնհայտ շփման մոդուլը/խորության գրադիենտը (30 կՊա/200 նմ):Այս գրադիենտը կարող է պայմանավորված լինել ճյուղավորված պոլիմերային խոզանակների և SiHy սուբստրատի միջև մոդուլի տարբերությամբ, կամ պոլիմերային խոզանակների ճյուղավորված կառուցվածքով/խտությամբ կամ դրանց համակցությամբ:Այնուամենայնիվ, հետագա խորը ուսումնասիրություններ են անհրաժեշտ կառուցվածքի և հատկությունների միջև կապը լիովին հասկանալու համար, հատկապես խոզանակի ճյուղավորման ազդեցությունը մեխանիկական հատկությունների վրա:Նմանատիպ չափումները կարող են օգնել բնութագրել այլ գերփափուկ նյութերի և բժշկական սարքերի մակերեսի մեխանիկական հատկությունները:
Ընթացիկ ուսումնասիրության ընթացքում ստեղծված և/կամ վերլուծված տվյալների հավաքածուները հասանելի են համապատասխան հեղինակներից ողջամիտ պահանջով:
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. and Haugen, HJ Կենսաբանական ռեակցիաներ կենսանյութերի մակերեսների ֆիզիկական և քիմիական հատկություններին:Քիմիական.հասարակությունը։Էդ.49, 5178–5224 (2020):
Chen, FM and Liu, X. Հյուսվածքների ճարտարագիտության համար մարդուց ստացված կենսանյութերի բարելավում:ծրագրավորում։պոլիմերային.գիտությունը։53, 86 (2016):
Sadtler, K. et al.Վերականգնողական բժշկության մեջ կենսանյութերի ձևավորում, կլինիկական իրականացում և իմունային պատասխան:National Matt Rev. 1, 16040 (2016):
Oliver WK և Farr GM Բարելավված մեթոդ կարծրության և առաձգական մոդուլի որոշման համար՝ օգտագործելով բեռնվածքի և տեղաշարժի չափումների հետքերով փորձեր:Ջ. Մայր բուհի.պահեստավորման բաք.7, 1564–1583 (2011):
Ուոլլի, Ս.Մ. Ներծծման կարծրության փորձարկման պատմական ծագումը:Մայր բուհի.գիտությունը։տեխնոլոգիաներ։28, 1028–1044 (2012):
Broitman, E. Indentation Hardness Measurements at the Macro-, Micro-, and Nanoscale. A Critical Review.ցեղ.Ռայթ.65, 1–18 (2017):
Kaufman, JD և Clapperich, SM Մակերեւութային հայտնաբերման սխալները հանգեցնում են մոդուլի գերագնահատմանը փափուկ նյութերի նանոինտացիաներում:Ջ.Մեխա.Վարքագիծ.Կենսաբժշկական գիտություն.Մայր բուհի.2, 312–317 (2009):
Քարիմզադե Ա., Կոլոր ՍՍՀ, Այաթոլլախի Մ.Ռ., Բուշրոա Ա.Ռ. և Յահյա Մ.Յու.Տարասեռ նանոկոմպոզիտների մեխանիկական բնութագրերի որոշման նանոինտենտավորման մեթոդի գնահատումը փորձարարական և հաշվողական մեթոդների կիրառմամբ:գիտությունը։House 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, and Owart, TS Փափուկ viscoelastic գելերի մեխանիկական բնութագրումը ներքևման և օպտիմալացման վրա հիմնված հակադարձ վերջավոր տարրերի վերլուծության միջոցով:Ջ.Մեխա.Վարքագիծ.Կենսաբժշկական գիտություն.Մայր բուհի.2, 355–363 (2009):
Andrews JW, Bowen J and Chaneler D. Վիսկոառաձգականության որոշման օպտիմալացում՝ օգտագործելով համատեղելի չափման համակարգեր:Soft Matter 9, 5581–5593 (2013):
Briscoe, BJ, Fiori, L. and Pellillo, E. Պոլիմերային մակերեսների նանոինտացիա:Ջ.Ֆիզիկա.Դ. Դիմեք ֆիզիկայի համար:31, 2395 (1998):
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. and Van Vliet KJ.Կենսանյութերի ամսագիր.71, 388–397 (2018):
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Փափուկ նյութերի առաձգական մոդուլի և կպչուն աշխատանքի գնահատում ընդլայնված Բորոդիչ-Գալանով (BG) մեթոդով և խորը ներթափանցմամբ:մորթի.Մայր բուհի.129, 198–213 (2019):
Shi, X. et al.Սիլիկոնային հիդրոգելային կոնտակտային ոսպնյակների բիոմիմետիկ պոլիմերային մակերեսների նանոմաշտաբային ձևաբանություն և մեխանիկական հատկություններ:Langmuir 37, 13961–13967 (2021):