გმადლობთ, რომ ეწვიეთ Nature.com-ს.თქვენ იყენებთ ბრაუზერის ვერსიას შეზღუდული CSS მხარდაჭერით.საუკეთესო გამოცდილებისთვის, გირჩევთ გამოიყენოთ განახლებული ბრაუზერი (ან გამორთოთ თავსებადობის რეჟიმი Internet Explorer-ში).გარდა ამისა, მუდმივი მხარდაჭერის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ ვაჩვენებთ საიტს სტილის და JavaScript-ის გარეშე.
აჩვენებს კარუსელს სამი სლაიდისგან ერთდროულად.გამოიყენეთ წინა და შემდეგი ღილაკები ერთდროულად სამ სლაიდში გადასაადგილებლად, ან გამოიყენეთ სლაიდერის ღილაკები ბოლოს, რომ გადაადგილდეთ სამ სლაიდზე ერთდროულად.
სამედიცინო მოწყობილობებისა და ბიოსამედიცინო აპლიკაციებისთვის ახალი ულტრა რბილი მასალების შემუშავებით, მათი ფიზიკური და მექანიკური თვისებების ყოვლისმომცველი დახასიათება მნიშვნელოვანი და რთულია.მოდიფიცირებული ატომური ძალის მიკროსკოპის (AFM) ნანო ჩაღრმავების ტექნიკა გამოყენებული იქნა ახალი lehfilcon A ბიომიმეტური სილიკონის ჰიდროგელის საკონტაქტო ლინზის უკიდურესად დაბალი ზედაპირის მოდულის დასახასიათებლად, რომელიც დაფარულია განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისის სტრუქტურების ფენით.ეს მეთოდი საშუალებას გაძლევთ ზუსტად განსაზღვროთ საკონტაქტო წერტილები ბლანტი ექსტრუზიის ზემოქმედების გარეშე განშტოებულ პოლიმერებთან მიახლოებისას.გარდა ამისა, ეს შესაძლებელს ხდის ცალკეული ფუნჯის ელემენტების მექანიკური მახასიათებლების განსაზღვრას პოროელასტიურობის გავლენის გარეშე.ეს მიიღწევა AFM ზონდის შერჩევით დიზაინით (წვერის ზომა, გეომეტრია და ზამბარის სიჩქარე), რომელიც განსაკუთრებით შესაფერისია რბილი მასალებისა და ბიოლოგიური ნიმუშების თვისებების გასაზომად.ეს მეთოდი აუმჯობესებს მგრძნობელობას და სიზუსტეს ძალიან რბილი მასალის lehfilcon A-ს ზუსტი გაზომვისთვის, რომელსაც აქვს ელასტიურობის უკიდურესად დაბალი მოდული ზედაპირის ფართობზე (2 კპა-მდე) და უკიდურესად მაღალი ელასტიურობა შიდა (თითქმის 100%) წყალგარე გარემოში. .ზედაპირული კვლევის შედეგებმა არა მხოლოდ გამოავლინა lehfilcon A ლინზების ულტრა რბილი ზედაპირის თვისებები, არამედ აჩვენა, რომ განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისების მოდული შედარებული იყო სილიციუმ-წყალბადის სუბსტრატის მოდულთან.ზედაპირის დახასიათების ეს ტექნიკა შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა ულტრა რბილ მასალებსა და სამედიცინო მოწყობილობებზე.
ცოცხალ ქსოვილთან უშუალო კონტაქტისთვის განკუთვნილი მასალების მექანიკურ თვისებებს ხშირად განსაზღვრავს ბიოლოგიური გარემო.ამ მასალის თვისებების სრულყოფილად შეხამება ხელს უწყობს მასალის სასურველი კლინიკური მახასიათებლების მიღწევას უჯრედული უარყოფითი რეაქციების გამოწვევის გარეშე1,2,3.ნაყარი ერთგვაროვანი მასალებისთვის, მექანიკური თვისებების დახასიათება შედარებით მარტივია სტანდარტული პროცედურების და ტესტირების მეთოდების ხელმისაწვდომობის გამო (მაგ., მიკრო ჩაღრმავება4,5,6).თუმცა, ულტრა რბილი მასალებისთვის, როგორიცაა გელი, ჰიდროგელი, ბიოპოლიმერები, ცოცხალი უჯრედები და ა.შ., ეს ტესტის მეთოდები ზოგადად არ გამოიყენება გაზომვის გარჩევადობის შეზღუდვისა და ზოგიერთი მასალის არაერთგვაროვნების გამო7.წლების განმავლობაში, ტრადიციული ჩაღრმავების მეთოდები შეიცვალა და ადაპტირებულია რბილი მასალების ფართო სპექტრის დასახასიათებლად, მაგრამ ბევრი მეთოდი კვლავ განიცდის სერიოზულ ნაკლოვანებებს, რაც ზღუდავს მათ გამოყენებას8,9,10,11,12,13.სპეციალიზებული ტესტის მეთოდების ნაკლებობა, რომლებსაც შეუძლიათ ზუსტად და საიმედოდ დაახასიათონ სუპერ რბილი მასალების და ზედაპირული ფენების მექანიკური თვისებები, სერიოზულად ზღუდავს მათ გამოყენებას სხვადასხვა აპლიკაციებში.
ჩვენს წინა ნამუშევარში ჩვენ წარმოვადგინეთ lehfilcon A (CL) კონტაქტური ლინზა, რბილი ჰეტეროგენული მასალა ყველა ულტრა რბილი ზედაპირის თვისებით, რომელიც მიღებულია თვალის რქოვანას ზედაპირიდან შთაგონებული პოტენციურად ბიომიმეტური დიზაინისგან.ეს ბიომასალა შეიქმნა პოლი(2-მეთაკრილოილოქსიეთილფოსფორილქოლინის (MPC)) (PMPC) განშტოებული, ჯვარედინი პოლიმერული ფენის გადანერგვით სილიკონის ჰიდროგელზე (SiHy) 15, რომელიც შექმნილია სამედიცინო მოწყობილობებისთვის დაფუძნებულზე.მყნობის ეს პროცესი ზედაპირზე ქმნის ფენას, რომელიც შედგება ძალიან რბილი და ძალიან ელასტიური განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურისგან.ჩვენმა წინა ნაშრომმა დაადასტურა, რომ lehfilcon A CL-ის ბიომიმეტური სტრუქტურა უზრუნველყოფს ზედაპირულ მაღალ თვისებებს, როგორიცაა გაუმჯობესებული დატენიანებისა და დაბინძურების პრევენცია, გაზრდილი საპოხი და შემცირებული უჯრედებისა და ბაქტერიების ადჰეზია15,16.გარდა ამისა, ამ ბიომიმეტური მასალის გამოყენება და განვითარება ასევე მიუთითებს სხვა ბიოსამედიცინო მოწყობილობების შემდგომ გაფართოებაზე.აქედან გამომდინარე, ძალიან მნიშვნელოვანია ამ ულტრა რბილი მასალის ზედაპირის თვისებების დახასიათება და თვალთან მისი მექანიკური ურთიერთქმედების გაგება, რათა შეიქმნას ყოვლისმომცველი ცოდნის ბაზა მომავალი განვითარებისა და აპლიკაციების მხარდასაჭერად.კომერციულად ხელმისაწვდომი SiHy კონტაქტური ლინზების უმეტესობა შედგება ჰიდროფილური და ჰიდროფობიური პოლიმერების ერთგვაროვანი ნარევისგან, რომლებიც ქმნიან მასალის ერთგვაროვან სტრუქტურას17.ჩატარდა რამდენიმე კვლევა მათი მექანიკური თვისებების შესასწავლად ტრადიციული შეკუმშვის, დაჭიმვის და მიკროჩაღრმავების ტესტის მეთოდების გამოყენებით18,19,20,21.თუმცა, lehfilcon A CL-ის ახალი ბიომიმეტური დიზაინი მას უნიკალურ ჰეტეროგენულ მასალად აქცევს, რომელშიც განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისის სტრუქტურების მექანიკური თვისებები მნიშვნელოვნად განსხვავდება SiHy ბაზის სუბსტრატისგან.აქედან გამომდინარე, ძალიან რთულია ამ თვისებების ზუსტი რაოდენობრივი დადგენა ჩვეულებრივი და ჩაღრმავების მეთოდების გამოყენებით.პერსპექტიული მეთოდი იყენებს ატომური ძალის მიკროსკოპის (AFM) ტესტირების მეთოდს, რომელიც გამოიყენება რბილი ვიზოელასტიური მასალების მექანიკური თვისებების დასადგენად, როგორიცაა ბიოლოგიური უჯრედები და ქსოვილები, ასევე რბილი პოლიმერები22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.AFM ნანოგადახვევაში, ნანო ჩაღრმავების ტესტირების საფუძვლები შერწყმულია AFM ტექნოლოგიის უახლეს მიღწევებთან, რათა უზრუნველყოს გაზომვის მგრძნობელობის გაზრდა და არსებითად სუპერრბილი მასალების ფართო სპექტრის ტესტირება31,32,33,34,35,36.გარდა ამისა, ტექნოლოგია გთავაზობთ სხვა მნიშვნელოვან უპირატესობებს სხვადასხვა გეომეტრიის გამოყენებით.ჩაღრმავება და ზონდი და ტესტირების შესაძლებლობა სხვადასხვა თხევად მედიაში.
AFM nanoindentation პირობითად შეიძლება დაიყოს სამ ძირითად კომპონენტად: (1) აღჭურვილობა (სენსორები, დეტექტორები, ზონდები და ა.შ.);(2) გაზომვის პარამეტრები (როგორიცაა ძალა, გადაადგილება, სიჩქარე, პანდუსის ზომა და ა.შ.);(3) მონაცემთა დამუშავება (საბაზისო შესწორება, შეხების წერტილის შეფასება, მონაცემთა მორგება, მოდელირება და ა.შ.).ამ მეთოდის მნიშვნელოვანი პრობლემაა ის, რომ რამდენიმე კვლევა ლიტერატურაში, რომელიც იყენებს AFM ნანო ჩაღრმავებას, იუწყება ძალიან განსხვავებულ რაოდენობრივ შედეგებს ერთი და იგივე ნიმუშის/უჯრედის/მასალის ტიპისთვის37,38,39,40,41.მაგალითად, ლეკა და სხვ.შესწავლილი და შედარებული იყო AFM ზონდის გეომეტრიის გავლენა მექანიკურად ერთგვაროვანი ჰიდროგელისა და ჰეტეროგენული უჯრედების ნიმუშების გაზომილ იანგის მოდულზე.ისინი აცხადებენ, რომ მოდულის მნიშვნელობები დიდად არის დამოკიდებული კონსოლის შერჩევასა და წვერის ფორმაზე, ყველაზე მაღალი მნიშვნელობით პირამიდის ფორმის ზონდისთვის და ყველაზე დაბალი მნიშვნელობით 42 სფერული ზონდისთვის.ანალოგიურად, სელჰუბერ-უნკელი და სხვ.ნაჩვენებია, თუ როგორ მოქმედებს პოლიაკრილამიდის (PAAM) ნიმუშების ჩაღრმავების სიჩქარე, ჩაღრმავების ზომა და სისქე ACM43 ნანო ჩაღრმავებით გაზომილ იანგის მოდულზე.კიდევ ერთი გართულებული ფაქტორია სტანდარტული უკიდურესად დაბალი მოდულის ტესტის მასალების და უფასო ტესტირების პროცედურების ნაკლებობა.ეს ძალიან ართულებს ზუსტი შედეგების დარწმუნებით მიღებას.თუმცა, მეთოდი ძალიან სასარგებლოა შედარებითი გაზომვებისთვის და შედარებითი შეფასებებისთვის მსგავს ნიმუშების ტიპებს შორის, მაგალითად, AFM ნანო ჩაღრმავების გამოყენებით, რათა განასხვავოს ნორმალური უჯრედები კიბოს უჯრედებისგან 44, 45 .
რბილი მასალების ტესტირებისას AFM ნანო ჩაღრმავებით, ზოგადი წესია გამოიყენოს ზონდი დაბალი ზამბარის მუდმივით (k), რომელიც მჭიდროდ ემთხვევა ნიმუშის მოდულს და ნახევარსფერულ/მრგვალ წვერს, რათა პირველმა ზონდმა არ გაიჭრას ნიმუშის ზედაპირები. პირველი შეხება რბილ მასალებთან.ასევე მნიშვნელოვანია, რომ ზონდის მიერ წარმოქმნილი გადახრის სიგნალი იყოს საკმარისად ძლიერი, რომ აღმოაჩინოს ლაზერული დეტექტორის სისტემა24,34,46,47.ულტრა რბილი ჰეტეროგენული უჯრედების, ქსოვილებისა და გელების შემთხვევაში, კიდევ ერთი გამოწვევაა ზონდსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის წებოვანი ძალის გადალახვა, რათა უზრუნველყოფილი იყოს გამეორებადი და საიმედო გაზომვები48,49,50.ბოლო დრომდე, AFM ნანო ჩაღრმავებაზე სამუშაოების უმეტესობა ფოკუსირებული იყო ბიოლოგიური უჯრედების, ქსოვილების, გელების, ჰიდროგელების და ბიომოლეკულების მექანიკური ქცევის შესწავლაზე, შედარებით დიდი სფერული ზონდების გამოყენებით, რომლებსაც ჩვეულებრივ კოლოიდური ზონდები (CPs) უწოდებენ., 47, 51, 52, 53, 54, 55. ამ წვეროებს აქვთ რადიუსი 1-დან 50 μm-მდე და ჩვეულებრივ მზადდება ბოროსილიკატური მინის, პოლიმეთილ მეთაკრილატის (PMMA), პოლისტიროლის (PS), სილიციუმის დიოქსიდის (SiO2) და ბრილიანტისგან. ნახშირბადის მსგავსად (DLC).მიუხედავად იმისა, რომ CP-AFM ნანო ჩაღრმავება ხშირად პირველი არჩევანია რბილი ნიმუშის დახასიათებისთვის, მას აქვს საკუთარი პრობლემები და შეზღუდვები.დიდი, მიკრონის ზომის სფერული წვერების გამოყენება ზრდის წვერის მთლიან კონტაქტს ნიმუშთან და იწვევს სივრცითი გარჩევადობის მნიშვნელოვან დაკარგვას.რბილი, არაჰომოგენური ნიმუშებისთვის, სადაც ლოკალური ელემენტების მექანიკური თვისებები შეიძლება მნიშვნელოვნად განსხვავდებოდეს საშუალოდან უფრო ფართო ფართობზე, CP ჩაღრმავებამ შეიძლება დამალოს ნებისმიერი არაერთგვაროვნება თვისებებში ლოკალური მასშტაბით52.კოლოიდური ზონდები, როგორც წესი, მზადდება ეპოქსიდური ადჰეზივების გამოყენებით მიკრონის ზომის კოლოიდური სფეროების მიმაგრებით უტიფრო კონსოლებზე.თავად წარმოების პროცესი სავსეა მრავალი პრობლემისგან და შეიძლება გამოიწვიოს შეუსაბამობები ზონდის კალიბრაციის პროცესში.გარდა ამისა, კოლოიდური ნაწილაკების ზომა და მასა პირდაპირ გავლენას ახდენს კონსოლის ძირითად კალიბრაციის პარამეტრებზე, როგორიცაა რეზონანსული სიხშირე, ზამბარის სიმტკიცე და გადახრის მგრძნობელობა56,57,58.ამდენად, ჩვეულებრივ გამოყენებული მეთოდები AFM ​​ზონდებისთვის, როგორიცაა ტემპერატურის კალიბრაცია, შეიძლება არ უზრუნველყოფდეს CP-ის ზუსტ კალიბრაციას და სხვა მეთოდები შეიძლება საჭირო გახდეს ამ შესწორებების შესასრულებლად57, 59, 60, 61. ტიპიური CP ჩაღრმავების ექსპერიმენტები იყენებენ დიდ გადახრებს კონსოლზე. შეისწავლეთ რბილი ნიმუშების თვისებები, რაც კიდევ ერთ პრობლემას ქმნის კონსოლის არაწრფივი ქცევის დაკალიბრებისას შედარებით დიდ გადახრებზე62,63,64.კოლოიდური ზონდის ჩაღრმავების თანამედროვე მეთოდები ჩვეულებრივ ითვალისწინებს ზონდის დასაკალიბრებლად გამოყენებული კონსოლის გეომეტრიას, მაგრამ უგულებელყოფს კოლოიდური ნაწილაკების გავლენას, რაც დამატებით გაურკვევლობას ქმნის მეთოდის სიზუსტეში38,61.ანალოგიურად, ელასტიური მოდულები, რომლებიც გამოითვლება საკონტაქტო მოდელის დამაგრებით, პირდაპირ არის დამოკიდებული ჩაღრმავების ზონდის გეომეტრიაზე და წვერის და ნიმუშის ზედაპირის მახასიათებლებს შორის შეუსაბამობამ შეიძლება გამოიწვიოს უზუსტობები27, 65, 66, 67, 68. Spencer et al.-ის ზოგიერთი ბოლო ნაშრომი.ხაზგასმულია ფაქტორები, რომლებიც გასათვალისწინებელია რბილი პოლიმერული ჯაგრისების დახასიათებისას CP-AFM ნანო ჩაღრმავების მეთოდით.მათ განაცხადეს, რომ ბლანტი სითხის შეკავება პოლიმერულ ჯაგრისებში, როგორც სიჩქარის ფუნქცია, იწვევს თავის დატვირთვის ზრდას და, შესაბამისად, სიჩქარეზე დამოკიდებული თვისებების სხვადასხვა გაზომვას30,69,70,71.
ამ კვლევაში ჩვენ დავახასიათეთ ულტრა რბილი მაღალი ელასტიური მასალის lehfilcon A CL ზედაპირის მოდული მოდიფიცირებული AFM ​​ნანოჩაღების მეთოდის გამოყენებით.ამ მასალის თვისებებისა და ახალი სტრუქტურის გათვალისწინებით, ტრადიციული ჩაღრმავების მეთოდის მგრძნობელობის დიაპაზონი აშკარად არასაკმარისია ამ უკიდურესად რბილი მასალის მოდულის დასახასიათებლად, ამიტომ აუცილებელია AFM ნანო ჩაღრმავების მეთოდის გამოყენება უფრო მაღალი მგრძნობელობით და დაბალი მგრძნობელობით.დონე.კოლოიდური AFM ​​ზონდის ნანოჩაღების ტექნიკის ნაკლოვანებებისა და პრობლემების განხილვის შემდეგ, ჩვენ ვაჩვენებთ, რატომ ავირჩიეთ უფრო პატარა, სპეციალურად შექმნილი AFM ​​ზონდი მგრძნობელობის, ფონური ხმაურის, შეხების წერტილის აღმოსაფხვრელად, რბილი ჰეტეროგენული მასალების სიჩქარის მოდულის გასაზომად, როგორიცაა სითხის შეკავება. დამოკიდებულება.და ზუსტი რაოდენობები.გარდა ამისა, ჩვენ შევძელით ზუსტად გავზომოთ ჩაღრმავებული წვერის ფორმა და ზომები, რაც საშუალებას გვაძლევს გამოვიყენოთ კონუს-სფეროს მორგების მოდელი ელასტიურობის მოდულის დასადგენად მასალასთან წვერის კონტაქტის არეალის შეფასების გარეშე.ორი ნაგულისხმევი დაშვება, რომლებიც რაოდენობრივად არის განსაზღვრული ამ ნაშრომში, არის მასალის სრულად ელასტიური თვისებები და ჩაღრმავების სიღრმედან დამოუკიდებელი მოდული.ამ მეთოდის გამოყენებით, ჩვენ ჯერ გამოვცადეთ ულტრა რბილი სტანდარტები ცნობილი მოდულით მეთოდის რაოდენობრივი დასადგენად, შემდეგ კი ეს მეთოდი გამოვიყენეთ ორი განსხვავებული საკონტაქტო ლინზის მასალის ზედაპირის დასახასიათებლად.გაზრდილი მგრძნობელობის მქონე AFM ნანო ჩაღრმავებული ზედაპირების დახასიათების ეს მეთოდი სავარაუდოდ გამოყენებული იქნება ბიომიმეტური ჰეტეროგენული ულტრა რბილი მასალების ფართო სპექტრისთვის, პოტენციური გამოყენებისთვის სამედიცინო მოწყობილობებსა და ბიოსამედიცინო პროგრამებში.
Lehfilcon A-ს კონტაქტური ლინზები (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) და მათი სილიკონის ჰიდროგელის სუბსტრატები არჩეული იყო ნანოჩაღების ექსპერიმენტებისთვის.ექსპერიმენტში გამოყენებული იქნა სპეციალურად შექმნილი ლინზების სამაგრი.ლინზის შესამოწმებლად დაყენების მიზნით, იგი ფრთხილად დააყენეს გუმბათის ფორმის სადგამზე, დარწმუნდნენ, რომ ჰაერის ბუშტები არ მოხვედროდა შიგნით და შემდეგ დააფიქსირეს კიდეებით.ლინზების დამჭერის ზედა სამაგრში არსებული ხვრელი უზრუნველყოფს წვდომას ლინზების ოპტიკურ ცენტრთან ნანო ჩაღრმავების ექსპერიმენტებისთვის სითხის ადგილზე დაჭერისას.ეს ინარჩუნებს ლინზებს სრულ დატენიანებას.500 მკლ კონტაქტური ლინზების შესაფუთი ხსნარი გამოყენებული იქნა სატესტო ხსნარის სახით.რაოდენობრივი შედეგების შესამოწმებლად, კომერციულად ხელმისაწვდომი არააქტივირებული პოლიაკრილამიდის (PAAM) ჰიდროგელი მომზადდა პოლიაკრილამიდ-კო-მეთილენ-ბისაკრილამიდის შემადგენლობიდან (100 მმ Petrisoft Petri ჭურჭელი, Matrigen, Irvine, CA, USA), ცნობილი ელასტიური მოდული 1. კპა.გამოიყენეთ 4-5 წვეთი (დაახლოებით 125 μl) ფოსფატის ბუფერული ფიზიოლოგიური ხსნარი (PBS Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, აშშ) და 1 წვეთი OPTI-FREE Puremoist საკონტაქტო ლინზების ხსნარი (Alcon, Vaud, TX, აშშ).) AFM ჰიდროგელ-ზონდის ინტერფეისზე.
Lehfilcon A CL და SiHy სუბსტრატების ნიმუშები ვიზუალიზებული იქნა FEI Quanta 250 საველე ემისიის სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (FEG SEM) სისტემის გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია სკანირების გადაცემის ელექტრონული მიკროსკოპით (STEM) დეტექტორით.ნიმუშების მოსამზადებლად ლინზები ჯერ წყლით გარეცხეს და ღვეზელის ფორმის ნაჭრებად დაჭრეს.ნიმუშების ჰიდროფილურ და ჰიდროფობიურ კომპონენტებს შორის დიფერენციალური კონტრასტის მისაღწევად, საღებავის სახით გამოყენებული იქნა RuO4-ის 0,10%-იანი სტაბილიზებული ხსნარი, რომელშიც ნიმუშები ჩაეფლო 30 წუთის განმავლობაში.lehfilcon A CL RuO4 შეღებვა მნიშვნელოვანია არა მხოლოდ გაუმჯობესებული დიფერენციალური კონტრასტის მისაღწევად, არამედ ხელს უწყობს განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისების სტრუქტურის შენარჩუნებას თავდაპირველ ფორმაში, რომელიც შემდეგ ჩანს STEM სურათებზე.შემდეგ ისინი გარეცხილი და გაუწყლოებული იყო ეთანოლის/წყლის ნარევების სერიაში ეთანოლის კონცენტრაციის გაზრდით.შემდეგ ნიმუშები ჩამოსხმული იქნა EMBed 812/Araldite ეპოქსიდით, რომელიც გამკვრივდა ღამით 70°C-ზე.ფისოვანი პოლიმერიზაციით მიღებული ნიმუშის ბლოკები მოჭრილი იქნა ულტრამიკროტომით და მიღებული თხელი სექციები ვიზუალიზაცია მოხდა STEM დეტექტორით დაბალი ვაკუუმის რეჟიმში აჩქარების ძაბვაზე 30 კვ.იგივე SEM სისტემა გამოიყენებოდა PFQNM-LC-A-CAL AFM ზონდის დეტალური დახასიათებისთვის (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).AFM ზონდის SEM გამოსახულებები მიღებულ იქნა ტიპიური მაღალი ვაკუუმის რეჟიმში, აჩქარების ძაბვით 30 კვ.მიიღეთ სურათები სხვადასხვა კუთხით და გადიდებით, რათა ჩაწეროთ AFM ზონდის წვერის ფორმისა და ზომის ყველა დეტალი.გამოსახულების ინტერესის ყველა წვერი გაზომილი იყო ციფრულად.
Dimension FastScan Bio Icon ატომური ძალის მიკროსკოპი (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) „PeakForce QNM in Fluid“ რეჟიმით გამოიყენებოდა lehfilcon A CL, SiHy სუბსტრატის და PAAm ჰიდროგელის ნიმუშების ვიზუალიზაციისა და ნანოინდენტირებისთვის.ვიზუალიზაციის ექსპერიმენტებისთვის, PEAKFORCE-HIRS-FA ზონდი (Bruker) ნომინალური წვერის რადიუსით 1 ნმ იყო გამოყენებული ნიმუშის მაღალი გარჩევადობის სურათების გადასაღებად სკანირების სიხშირით 0,50 ჰც.ყველა სურათი გადაღებულია წყალხსნარში.
AFM ნანო ჩაღრმავების ექსპერიმენტები ჩატარდა PFQNM-LC-A-CAL ზონდის (Bruker) გამოყენებით.AFM ზონდს აქვს სილიკონის წვერი ნიტრიდის კონსოლზე 345 ნმ სისქით, 54 მკმ სიგრძით და 4,5 მკმ სიგანით, რეზონანსული სიხშირით 45 kHz.ის სპეციალურად შექმნილია რბილ ბიოლოგიურ ნიმუშებზე რაოდენობრივი ნანომექანიკური გაზომვების დასახასიათებლად და შესასრულებლად.სენსორები ინდივიდუალურად კალიბრირებულია ქარხანაში წინასწარ დაკალიბრებული ზამბარის პარამეტრებით.ამ კვლევაში გამოყენებული ზონდების ზამბარის მუდმივები იყო 0,05-0,1 ნ/მ დიაპაზონში.წვერის ფორმისა და ზომის ზუსტად დასადგენად, ზონდი დეტალურად დახასიათდა SEM-ის გამოყენებით.ნახ.სურათი 1a გვიჩვენებს PFQNM-LC-A-CAL ზონდის მაღალი გარჩევადობის, დაბალი გადიდების სკანირების ელექტრონულ მიკროგრაფს, რომელიც უზრუნველყოფს ზონდის დიზაინის ჰოლისტიკური ხედვას.ნახ.1b გვიჩვენებს ზონდის წვერის ზედა ნაწილის გაფართოებულ ხედს, რომელიც გვაწვდის ინფორმაციას წვერის ფორმისა და ზომის შესახებ.უკიდურეს ბოლოში, ნემსი არის ნახევარსფერო, რომლის დიამეტრი დაახლოებით 140 ნმ-ია (ნახ. 1c).მის ქვემოთ, წვერი იკლებს კონუსურ ფორმას და აღწევს გაზომილ სიგრძეს დაახლოებით 500 ნმ.შეკუმშვის რეგიონის გარეთ, წვერი ცილინდრულია და მთავრდება წვერის მთლიანი სიგრძით 1,18 მკმ.ეს არის ზონდის წვერის მთავარი ფუნქციური ნაწილი.გარდა ამისა, დიდი სფერული პოლისტიროლის (PS) ზონდი (Novascan Technologies, Inc., Boone, აიოვა, აშშ) წვერის დიამეტრით 45 მკმ და ზამბარის მუდმივი 2 N/m ასევე გამოიყენებოდა შესამოწმებლად, როგორც კოლოიდური ზონდი.შედარებისთვის PFQNM-LC-A-CAL 140 ნმ ზონდით.
ცნობილია, რომ AFM ზონდსა და პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურას შორის ნანო ჩაღრმავების დროს შესაძლებელია სითხის მოჭერა, რომელიც AFM ზონდს ზევით ძალას მოახდენს, სანამ ის რეალურად შეეხება ზედაპირს69.სითხის შეკავების გამო ამ ბლანტი ექსტრუზიის ეფექტს შეუძლია შეცვალოს შეხების აშკარა წერტილი, რითაც იმოქმედოს ზედაპირის მოდულის გაზომვებზე.ზონდის გეომეტრიისა და ჩაღრმავების სიჩქარის ეფექტის შესასწავლად სითხის შეკავებაზე, ჩაღრმავების ძალის მრუდები გამოსახული იყო lehfilcon A CL ნიმუშებისთვის 140 ნმ დიამეტრის ზონდის გამოყენებით მუდმივი გადაადგილების სიჩქარით 1 μm/s და 2 μm/s.ზონდის დიამეტრი 45 μm, ფიქსირებული ძალის დაყენება 6 nN მიღწეულია 1 μm/s-ზე.140 ნმ დიამეტრის ზონდთან ექსპერიმენტები ჩატარდა ჩაღრმავების სიჩქარით 1 მკმ/წმ და დაყენებული ძალით 300 pN, არჩეული ზედა ქუთუთოს ფიზიოლოგიურ დიაპაზონში (1-8 კპა) კონტაქტური წნევის შესაქმნელად.წნევა 72. PAA ჰიდროგელის რბილი მზა ნიმუშები 1 კპა წნევით გამოკვლეული იყო ჩაღრმავების ძალაზე 50 pN 1 მკმ/წმ სიჩქარით 140 ნმ დიამეტრის მქონე ზონდის გამოყენებით.
ვინაიდან PFQNM-LC-A-CAL ზონდის წვერის კონუსური ნაწილის სიგრძე არის დაახლოებით 500 ნმ, ნებისმიერი ჩაღრმავების სიღრმეზე < 500 ნმ, შეიძლება უსაფრთხოდ ვივარაუდოთ, რომ ჩაღრმავების დროს ზონდის გეომეტრია დარჩება მისი ერთგული. კონუსის ფორმა.გარდა ამისა, ვარაუდობენ, რომ შესამოწმებელი მასალის ზედაპირი გამოავლენს შექცევად ელასტიურ რეაქციას, რაც ასევე დადასტურდება შემდეგ განყოფილებებში.ამიტომ, წვერის ფორმისა და ზომის მიხედვით, ჩვენ ავირჩიეთ Briscoe-ს, Sebastian-ისა და Adams-ის მიერ შემუშავებული კონუს-სფერული ფიტინგის მოდელი, რომელიც ხელმისაწვდომია გამყიდველის პროგრამულ უზრუნველყოფაში, ჩვენი AFM ​​ნანოჩაღების ექსპერიმენტების დასამუშავებლად (NanoScope).გამოყოფის მონაცემთა ანალიზის პროგრამული უზრუნველყოფა, Bruker) 73. მოდელი აღწერს ძალა-გადაადგილების ურთიერთობას F(δ) სფერული მწვერვალის დეფექტის მქონე კონისთვის.ნახ.სურათი 2 გვიჩვენებს კონტაქტის გეომეტრიას ხისტი კონუსის სფერულ წვერთან ურთიერთქმედების დროს, სადაც R არის სფერული წვერის რადიუსი, a არის კონტაქტის რადიუსი, b არის კონტაქტის რადიუსი სფერული წვერის ბოლოს, δ არის კონტაქტის რადიუსი.ჩაღრმავების სიღრმე, θ არის კონუსის ნახევარკუთხე.ამ ზონდის SEM გამოსახულება ნათლად აჩვენებს, რომ 140 ნმ დიამეტრის სფერული წვერი ტანგენციალურად ერწყმის კონუსს, ამიტომ აქ b განისაზღვრება მხოლოდ R-ის მეშვეობით, ანუ b = R cos θ.გამყიდველის მიერ მიწოდებული პროგრამული უზრუნველყოფა უზრუნველყოფს კონუს-სფეროს ურთიერთობას იანგის მოდულის (E) მნიშვნელობების გამოსათვლელად ძალის გამოყოფის მონაცემებიდან, თუ ვივარაუდებთ, რომ > b.ურთიერთობა:
სადაც F არის შეწევის ძალა, E არის იანგის მოდული, ν არის პუასონის თანაფარდობა.კონტაქტის რადიუსი შეიძლება შეფასდეს შემდეგი გამოყენებით:
ხისტი კონუსის საკონტაქტო გეომეტრიის სქემა სფერული წვერით დაჭერილი ლეფილკონის საკონტაქტო ლინზის მასალაში განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისების ზედაპირული ფენით.
თუ a ≤ b, კავშირი მცირდება ჩვეულებრივი სფერული ჩაღრმავების განტოლებამდე;
ჩვენ გვჯერა, რომ ჩაღრმავებული ზონდის ურთიერთქმედება PMPC პოლიმერული ჯაგრისის განშტოებულ სტრუქტურასთან გამოიწვევს კონტაქტის a რადიუსს უფრო დიდი ვიდრე სფერული კონტაქტის რადიუსი b.ამიტომ, ამ კვლევაში შესრულებული დრეკადობის მოდულის ყველა რაოდენობრივი გაზომვისთვის გამოვიყენეთ a > b შემთხვევისთვის მიღებული დამოკიდებულება.
ამ კვლევაში შესწავლილი ულტრარბილი ბიომიმეტური მასალები სრულყოფილად იყო გამოსახული სკანირების გადამცემი ელექტრონული მიკროსკოპის (STEM) ნიმუშის ჯვრის მონაკვეთის და ზედაპირის ატომური ძალის მიკროსკოპის (AFM) გამოყენებით.ზედაპირის ეს დეტალური დახასიათება შესრულდა, როგორც ჩვენი ადრე გამოქვეყნებული ნაშრომის გაფართოება, რომელშიც ჩვენ დავადგინეთ, რომ PMPC-ით მოდიფიცირებული lehfilcon A CL ზედაპირის დინამიურად განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურა ავლენდა მსგავს მექანიკურ თვისებებს რქოვანას ქსოვილთან მიმართებაში 14 .ამ მიზეზით, კონტაქტური ლინზების ზედაპირებს ბიომიმეტურ მასალებს ვუწოდებთ14.ნახ.3a,b გვიჩვენებს განშტოებული PMPC პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურების ჯვარედინი მონაკვეთები lehfilcon A CL სუბსტრატის და დაუმუშავებელი SiHy სუბსტრატის ზედაპირზე, შესაბამისად.ორივე ნიმუშის ზედაპირი შემდგომ გაანალიზდა მაღალი რეზოლუციის AFM გამოსახულების გამოყენებით, რამაც კიდევ უფრო დაადასტურა STEM ანალიზის შედეგები (ნახ. 3c, d).ერთად აღებული, ეს სურათები იძლევა PMPC განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის სავარაუდო სიგრძეს 300–400 ნმ-ზე, რაც გადამწყვეტია AFM ნანო ჩაღრმავების გაზომვების ინტერპრეტაციისთვის.სურათებიდან მიღებული კიდევ ერთი ძირითადი დაკვირვება არის ის, რომ CL ბიომიმეტური მასალის მთლიანი ზედაპირის სტრუქტურა მორფოლოგიურად განსხვავდება SiHy სუბსტრატის მასალისგან.ეს განსხვავება მათ ზედაპირულ მორფოლოგიაში შეიძლება გამოვლინდეს მათი მექანიკური ურთიერთქმედების დროს ჩაღრმავებულ AFM ზონდთან და შემდგომში გაზომილი მოდულის მნიშვნელობებში.
(ა) lehfilcon A CL და (ბ) SiHy სუბსტრატის განივი STEM გამოსახულებები.მასშტაბის ზოლი, 500 ნმ.AFM გამოსახულებები lehfilcon A CL სუბსტრატის ზედაპირის (c) და ფუძის SiHy სუბსტრატის (d) (3 μm × 3 μm).
ბიოინსპირირებული პოლიმერები და პოლიმერული ჯაგრისების სტრუქტურები არსებითად რბილია და ფართოდ იქნა შესწავლილი და გამოყენებული სხვადასხვა ბიოსამედიცინო პროგრამებში74,75,76,77.აქედან გამომდინარე, მნიშვნელოვანია გამოვიყენოთ AFM nanoindentation მეთოდი, რომელსაც შეუძლია ზუსტად და საიმედოდ გაზომოს მათი მექანიკური თვისებები.მაგრამ ამავდროულად, ამ ულტრა რბილი მასალების უნიკალური თვისებები, როგორიცაა უკიდურესად დაბალი ელასტიურობის მოდული, მაღალი სითხის შემცველობა და მაღალი ელასტიურობა, ხშირად ართულებს ჩაღრმავებული ზონდის სწორი მასალის, ფორმისა და ფორმის არჩევას.ზომა.ეს მნიშვნელოვანია იმისთვის, რომ ჩაღრმავებამ არ გახვრეტის ნიმუშის რბილი ზედაპირი, რაც გამოიწვევს შეცდომებს ზედაპირთან შეხების წერტილისა და კონტაქტის არეალის დადგენაში.
ამისათვის აუცილებელია ულტრა რბილი ბიომიმეტური მასალების (lehfilcon A CL) მორფოლოგიის ყოვლისმომცველი გაგება.გამოსახულების მეთოდით მიღებული განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისების ზომისა და სტრუქტურის შესახებ ინფორმაცია იძლევა ზედაპირის მექანიკური დახასიათების საფუძველს AFM ნანო ჩაღრმავების ტექნიკის გამოყენებით.მიკრონის ზომის სფერული კოლოიდური ზონდების ნაცვლად, ჩვენ ავირჩიეთ PFQNM-LC-A-CAL სილიციუმის ნიტრიდის ზონდი (Bruker) წვერის დიამეტრით 140 ნმ, სპეციალურად შექმნილი ბიოლოგიური ნიმუშების მექანიკური თვისებების რაოდენობრივი რუკებისთვის 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 შედარებით მკვეთრი ზონდების გამოყენების დასაბუთება ჩვეულებრივ კოლოიდურ ზონდებთან შედარებით შეიძლება აიხსნას მასალის სტრუქტურული მახასიათებლებით.თუ შევადარებთ ზონდის წვერის ზომას (~140 ნმ) განშტოებულ პოლიმერულ ჯაგრისებს CL lehfilcon A-ს ზედაპირზე, ნაჩვენებია ნახატ 3a-ში, შეიძლება დავასკვნათ, რომ წვერი საკმარისად დიდია იმისთვის, რომ უშუალო კონტაქტში შევიდეს ამ ფუნჯის სტრუქტურებთან. ამცირებს მათში წვერის გახვრეტის შანსს.ამ წერტილის საილუსტრაციოდ, ნახ. 4-ში არის lehfilcon A CL-ის STEM გამოსახულება და AFM ზონდის ჩაღრმავებული წვერი (დახატული მასშტაბით).
სქემატური ნაჩვენებია lehfilcon A CL-ის STEM გამოსახულება და ACM ჩაღრმავებული ზონდი (დახატული მასშტაბით).
გარდა ამისა, წვერის ზომა 140 ნმ საკმარისად მცირეა, რათა თავიდან იქნას აცილებული ნებისმიერი წებოვანი ექსტრუზიის ეფექტის რისკი, რომელიც ადრე იყო მოხსენებული CP-AFM ნანო ჩაღრმავების მეთოდით წარმოებული პოლიმერული ჯაგრისებისთვის69,71.ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ამ AFM წვერის სპეციალური კონუსურ-სფერული ფორმისა და შედარებით მცირე ზომის გამო (ნახ. 1), lehfilcon A CL ნანო ჩაღრმავების მიერ წარმოქმნილი ძალის მრუდის ბუნება არ იქნება დამოკიდებული ჩაღრმავების სიჩქარეზე ან დატვირთვა/გადმოტვირთვის სიჩქარეზე. .ამიტომ, მასზე გავლენას არ ახდენს პოროელასტიური ეფექტი.ამ ჰიპოთეზის შესამოწმებლად, lehfilcon A CL ნიმუშები ჩაღრმავებული იყო ფიქსირებული მაქსიმალური ძალით PFQNM-LC-A-CAL ზონდის გამოყენებით, მაგრამ ორი განსხვავებული სიჩქარით, და შედეგად მიღებული დაჭიმვისა და უკანდახევის ძალის მრუდები გამოიყენეს ძალის გამოსათვლელად (nN) განცალკევებით (მკმ) ნაჩვენებია სურათზე 5a.ცხადია, რომ დატვირთვისა და გადმოტვირთვის დროს ძალის მრუდები მთლიანად ემთხვევა ერთმანეთს და არ არსებობს მკაფიო მტკიცებულება იმისა, რომ ძალის წანაცვლება ნულოვანი ჩაღრმავების სიღრმეზე იზრდება ჩაღრმავების სიჩქარით ფიგურაში, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ფუნჯის ცალკეული ელემენტები ხასიათდება პოროელასტიური ეფექტის გარეშე.ამის საპირისპიროდ, სითხის შეკავების ეფექტები (ბლანტი ექსტრუზიისა და ფოროელასტიურობის ეფექტები) აშკარაა 45 μm დიამეტრის AFM ზონდისთვის იმავე ჩაღრმავებული სიჩქარით და ხაზგასმულია ჰისტერეზით დაჭიმვასა და უკან დახევას შორის, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 5b.ეს შედეგები მხარს უჭერს ჰიპოთეზას და ვარაუდობს, რომ 140 ნმ დიამეტრის ზონდები კარგი არჩევანია ასეთი რბილი ზედაპირების დასახასიათებლად.
lehfilcon A CL შეწევის ძალის მრუდები ACM გამოყენებით;ა) 140 ნმ დიამეტრის მქონე ზონდის გამოყენება ორი დატვირთვის სიჩქარით, რომელიც აჩვენებს ფოროელასტიური ეფექტის არარსებობას ზედაპირის ჩაღრმავების დროს;(ბ) ზონდების გამოყენებით 45 მკმ და 140 ნმ დიამეტრით.s გვიჩვენებს ბლანტი ექსტრუზიის და პოროელასტიურობის ეფექტებს დიდი ზონდებისთვის უფრო მცირე ზონდებთან შედარებით.
ულტრარბილი ზედაპირების დასახასიათებლად, AFM ნანო ჩაღრმავების მეთოდებს უნდა ჰქონდეთ საუკეთესო ზონდი შესასწავლი მასალის თვისებების შესასწავლად.წვერის ფორმისა და ზომის გარდა, AFM დეტექტორის სისტემის მგრძნობელობა, მგრძნობელობა სატესტო გარემოში წვერის გადახრის მიმართ და კონსოლის სიხისტე მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ნანო ჩაღრმავების სიზუსტისა და სანდოობის განსაზღვრაში.გაზომვები.ჩვენი AFM ​​სისტემისთვის, პოზიციის მგრძნობიარე დეტექტორის (PSD) გამოვლენის ლიმიტი არის დაახლოებით 0,5 მვ და ეფუძნება წინასწარ დაკალიბრებულ ზამბარის სიჩქარეს და PFQNM-LC-A-CAL ზონდის სითხის გადახრის გამოთვლილ მგრძნობელობას, რომელიც შეესაბამება თეორიული დატვირთვის მგრძნობელობა.არის 0,1 pN-ზე ნაკლები.ამიტომ, ეს მეთოდი საშუალებას იძლევა გაზომოთ მინიმალური შეწევის ძალა ≤ 0,1 pN ყოველგვარი პერიფერიული ხმაურის კომპონენტის გარეშე.თუმცა, AFM სისტემისთვის თითქმის შეუძლებელია პერიფერიული ხმაურის ამ დონემდე შემცირება ისეთი ფაქტორების გამო, როგორიცაა მექანიკური ვიბრაცია და სითხის დინამიკა.ეს ფაქტორები ზღუდავს AFM ნანოჩაღების მეთოდის მთლიან მგრძნობელობას და ასევე იწვევს ფონური ხმაურის სიგნალს დაახლოებით ≤ 10 pN.ზედაპირის დახასიათებისთვის, lehfilcon A CL და SiHy სუბსტრატის ნიმუშები ჩაღრმავებული იყო სრულად ჰიდრატირებული პირობებში 140 ნმ ზონდის გამოყენებით SEM დახასიათებისთვის, და შედეგად მიღებული ძალის მრუდები გადანაწილდა ძალას (pN) და წნევას შორის.გამოყოფის დიაგრამა (მკმ) ნაჩვენებია სურათზე 6a.SiHy საბაზისო სუბსტრატთან შედარებით, lehfilcon A CL ძალის მრუდი ნათლად აჩვენებს გარდამავალ ფაზას, რომელიც იწყება ჩანგალი პოლიმერული ჯაგრისით შეხების წერტილიდან და მთავრდება წვერის დახრილობის მარკირების კონტაქტის მკვეთრი ცვლილებით ძირეულ მასალასთან.ძალის მრუდის ეს გარდამავალი ნაწილი ხაზს უსვამს განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისის ჭეშმარიტად ელასტიურ ქცევას ზედაპირზე, რასაც მოწმობს შეკუმშვის მრუდი, რომელიც მჭიდროდ მიჰყვება დაძაბულობის მრუდს და კონტრასტს მექანიკურ თვისებებში ფუნჯის სტრუქტურასა და მოცულობით SiHy მასალას შორის.ლეფილკონის შედარებისას.განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის საშუალო სიგრძის გამოყოფა PCS-ის STEM გამოსახულებაში (ნახ. 3a) და მისი ძალის მრუდი აბსცისის გასწვრივ ნახ. 3a-ში.6a გვიჩვენებს, რომ მეთოდს შეუძლია აღმოაჩინოს წვერი და განშტოებული პოლიმერი, რომელიც აღწევს ზედაპირის ზედა ნაწილს.კონტაქტი ფუნჯის სტრუქტურებს შორის.გარდა ამისა, ძალის მრუდების მჭიდრო გადახურვა მიუთითებს სითხის შეკავების ეფექტზე.ამ შემთხვევაში, აბსოლუტურად არ არის ადჰეზია ნემსსა და ნიმუშის ზედაპირს შორის.ორი ნიმუშისთვის ძალის მრუდების ყველაზე ზედა მონაკვეთები გადახურულია, რაც ასახავს სუბსტრატის მასალების მექანიკური თვისებების მსგავსებას.
(ა) AFM ნანო ჩაღრმავების ძალის მრუდები lehfilcon A CL სუბსტრატებისთვის და SiHy სუბსტრატებისთვის, (ბ) ძალის მრუდები, რომლებიც გვიჩვენებს საკონტაქტო წერტილის შეფასებას ფონური ხმაურის ზღურბლის მეთოდის გამოყენებით.
ძალის მრუდის უფრო მცირე დეტალების შესასწავლად, lehfilcon A CL ნიმუშის დაძაბულობის მრუდი ხელახლა გამოსახულია ნახაზზე 6b მაქსიმალური ძალით 50 pN y-ღერძის გასწვრივ.ეს გრაფიკი გვაწვდის მნიშვნელოვან ინფორმაციას თავდაპირველი ფონის ხმაურის შესახებ.ხმაური არის ±10 pN დიაპაზონში, რომელიც გამოიყენება კონტაქტის წერტილის ზუსტად დასადგენად და ჩაღრმავების სიღრმის გამოსათვლელად.როგორც ლიტერატურაშია მოხსენებული, კონტაქტის წერტილების იდენტიფიცირება გადამწყვეტია მატერიალური თვისებების ზუსტად შესაფასებლად, როგორიცაა მოდული85.მიდგომა, რომელიც მოიცავს ძალის მრუდის მონაცემების ავტომატურ დამუშავებას, აჩვენა გაუმჯობესებული შესაბამისობა მონაცემთა შესაბამისობასა და რბილი მასალების რაოდენობრივ გაზომვებს შორის86.ამ ნაშრომში ჩვენი შეხების წერტილების არჩევანი შედარებით მარტივი და ობიექტურია, მაგრამ მას აქვს თავისი შეზღუდვები.ჩვენმა კონსერვატიულმა მიდგომამ შეხების წერტილის დადგენასთან დაკავშირებით შეიძლება გამოიწვიოს ოდნავ გადაჭარბებული მოდულის მნიშვნელობები უფრო მცირე ჩაღრმავებისთვის (< 100 ნმ).ალგორითმზე დაფუძნებული შეხების წერტილის გამოვლენისა და მონაცემთა ავტომატური დამუშავების გამოყენება შეიძლება იყოს ამ სამუშაოს გაგრძელება მომავალში ჩვენი მეთოდის შემდგომი გასაუმჯობესებლად.ამრიგად, ±10 pN რიგის შიდა ფონური ხმაურისთვის, ჩვენ განვსაზღვრავთ საკონტაქტო წერტილს, როგორც პირველ მონაცემთა წერტილს x ღერძზე 6b სურათზე ≥10 pN მნიშვნელობით.შემდეგ, 10 pN ხმაურის ზღურბლის შესაბამისად, ვერტიკალური ხაზი ~0,27 μm დონეზე აღნიშნავს ზედაპირთან შეხების წერტილს, რის შემდეგაც დაჭიმვის მრუდი გრძელდება მანამ, სანამ სუბსტრატი არ შეხვდება ჩაღრმავების სიღრმეს ~270 ნმ.საინტერესოა, რომ განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის მახასიათებლების ზომაზე დაყრდნობით (300-400 ნმ), რომელიც გაზომილია გამოსახულების მეთოდით, CL lehfilcon-ის ჩაღრმავების სიღრმე, რომელიც დაფიქსირდა ფონური ხმაურის ზღურბლის მეთოდით, არის დაახლოებით 270 ნმ, რაც ძალიან ახლოსაა გაზომვის ზომა STEM-ით.ეს შედეგები კიდევ უფრო ადასტურებს AFM ზონდის წვერის ფორმისა და ზომის თავსებადობას და გამოყენებას ამ ძალიან რბილი და ძალიან ელასტიური განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის ჩაღრმავებისთვის.ეს მონაცემები ასევე იძლევა ძლიერ მტკიცებულებას, რათა მხარი დაუჭიროს ფონური ხმაურის გამოყენებას, როგორც ზღურბლს კონტაქტის წერტილების განსაზღვრისთვის.ამრიგად, მათემატიკური მოდელირებისა და ძალის მრუდის მორგების შედეგად მიღებული ნებისმიერი რაოდენობრივი შედეგი შედარებით ზუსტი უნდა იყოს.
რაოდენობრივი გაზომვები AFM-ის ნანო ჩაღრმავების მეთოდებით მთლიანად დამოკიდებულია მონაცემთა შერჩევისა და შემდგომი ანალიზისთვის გამოყენებულ მათემატიკურ მოდელებზე.ამიტომ, კონკრეტული მოდელის არჩევამდე მნიშვნელოვანია გავითვალისწინოთ ყველა ფაქტორი, რომელიც დაკავშირებულია შეწევის არჩევასთან, მასალის თვისებებთან და მათი ურთიერთქმედების მექანიკასთან.ამ შემთხვევაში, წვერის გეომეტრია საგულდაგულოდ იყო დახასიათებული SEM მიკროგრაფების გამოყენებით (ნახ. 1) და შედეგების საფუძველზე, 140 ნმ დიამეტრის AFM ნანო ჩაღრმავებული ზონდი მყარი კონუსით და სფერული წვერის გეომეტრიით კარგი არჩევანია lehfilcon A CL79 ნიმუშების დასახასიათებლად. .კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც გულდასმით უნდა შეფასდეს, არის შესამოწმებელი პოლიმერული მასალის ელასტიურობა.მიუხედავად იმისა, რომ ნანო ჩაღრმავების საწყისი მონაცემები (ნახ. 5a და 6a) ნათლად ასახავს დაძაბულობისა და შეკუმშვის მრუდების გადაფარვის თავისებურებებს, ანუ მასალის სრულ ელასტიურ აღდგენას, ძალზე მნიშვნელოვანია კონტაქტების წმინდა დრეკადობის დადასტურება. .ამ მიზნით, შესრულდა ორი თანმიმდევრული ჩაღრმავება ერთსა და იმავე ადგილას lehfilcon A CL ნიმუშის ზედაპირზე ჩაღრმავების სიჩქარით 1 μm/s სრული ჰიდრატაციის პირობებში.შედეგად მიღებული ძალის მრუდის მონაცემები ნაჩვენებია ნახ.7 და, როგორც მოსალოდნელი იყო, ორი ანაბეჭდის გაფართოებისა და შეკუმშვის მრუდები თითქმის იდენტურია, რაც ხაზს უსვამს განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურის მაღალ ელასტიურობას.
ორი ჩაღრმავებული ძალის მრუდი ერთსა და იმავე ადგილას lehfilcon A CL ზედაპირზე მიუთითებს ლინზის ზედაპირის იდეალურ ელასტიურობაზე.
ზონდის წვერის და lehfilcon A CL ზედაპირის SEM და STEM გამოსახულებებიდან მიღებული ინფორმაციის საფუძველზე, შესაბამისად, კონუსური სფეროს მოდელი წარმოადგენს AFM ზონდის წვერსა და შესამოწმებელ რბილ პოლიმერულ მასალას შორის ურთიერთქმედების გონივრულ მათემატიკურ წარმოდგენას.გარდა ამისა, ამ კონუსური სფეროს მოდელისთვის, ფუნდამენტური ვარაუდები აღბეჭდილი მასალის დრეკადობის თვისებების შესახებ მართებულია ამ ახალი ბიომიმეტური მასალისთვის და გამოიყენება დრეკადობის მოდულის რაოდენობრივი დასადგენად.
AFM ნანო ჩაღრმავების მეთოდისა და მისი კომპონენტების ყოვლისმომცველი შეფასების შემდეგ, მათ შორის ჩაღრმავების ზონდის თვისებები (ფორმა, ზომა და ზამბარის სიმტკიცე), მგრძნობელობა (ფონური ხმაური და საკონტაქტო წერტილის შეფასება) და მონაცემთა მორგების მოდელები (რაოდენობრივი მოდულის გაზომვები), მეთოდი იყო გამოყენებული.დაახასიათეთ კომერციულად ხელმისაწვდომი ულტრა რბილი ნიმუშები რაოდენობრივი შედეგების შესამოწმებლად.კომერციული პოლიაკრილამიდის (PAAM) ჰიდროგელი ელასტიური მოდულით 1 კპა გამოსცადეს ჰიდრატირებული პირობებში 140 ნმ ზონდის გამოყენებით.მოდულის ტესტირებისა და გამოთვლების დეტალები მოცემულია დამატებით ინფორმაციაში.შედეგებმა აჩვენა, რომ საშუალო გაზომილი მოდული იყო 0.92 კპა, ხოლო %RSD და პროცენტული (%) გადახრა ცნობილი მოდულიდან იყო 10%-ზე ნაკლები.ეს შედეგები ადასტურებს AFM ნანო ჩაღრმავების მეთოდის სიზუსტეს და განმეორებადობას, რომელიც გამოიყენება ამ ნამუშევარში ულტრასოფტი მასალების მოდულების გასაზომად.lehfilcon A CL ნიმუშების ზედაპირები და SiHy საბაზისო სუბსტრატი შემდგომში დახასიათდა იმავე AFM ნანოჩაღების მეთოდის გამოყენებით ულტრასოფტი ზედაპირის აშკარა კონტაქტის მოდულის შესასწავლად ჩაღრმავების სიღრმის მიხედვით.ჩაღრმავების ძალის განცალკევების მრუდები შეიქმნა თითოეული ტიპის სამი ნიმუშისთვის (n = 3; თითო ჩაღრმავება თითო ნიმუშზე) 300 pN ძალით, 1 μm/s სიჩქარით და სრული დატენიანებით.შეწევის ძალის გაზიარების მრუდი დაახლოებულია კონუს-სფერული მოდელის გამოყენებით.ჩაღრმავების სიღრმეზე დამოკიდებული მოდულის მისაღებად, ძალის მრუდის 40 ნმ სიგანის ნაწილი დაყენებული იყო 20 ნმ-ის ყოველ ნამატზე დაწყებული კონტაქტის წერტილიდან და გაზომილი იყო მოდულის მნიშვნელობები ძალის მრუდის თითოეულ საფეხურზე.Spin Cy და სხვ.მსგავსი მიდგომა იქნა გამოყენებული პოლი(ლაურილ მეთაკრილატის) (P12MA) პოლიმერული ჯაგრისების მოდულის გრადიენტის დასახასიათებლად კოლოიდური AFM ​​ზონდის ნანო ჩაღრმავების გამოყენებით და ისინი შეესაბამება მონაცემებს ჰერცის საკონტაქტო მოდელის გამოყენებით.ეს მიდგომა უზრუნველყოფს ხილული კონტაქტის მოდულის (kPa) შეწევის სიღრმის (ნმ) დიაგრამას, როგორც ნაჩვენებია 8-ში, რომელიც ასახავს აშკარა კონტაქტის მოდულს/სიღრმის გრადიენტს.CL lehfilcon A ნიმუშის გამოთვლილი ელასტიურობის მოდული არის 2-3 კპა დიაპაზონში ნიმუშის ზედა 100 ნმ-ში, რომლის მიღმაც იგი იწყებს ზრდას სიღრმესთან ერთად.მეორეს მხრივ, SiHy საბაზისო სუბსტრატის ტესტირებისას ზედაპირზე ჯაგრისის მსგავსი ფირის გარეშე, 300 pN ძალით მიღწეული მაქსიმალური ჩაღრმავების სიღრმე არის 50 ნმ-ზე ნაკლები, ხოლო მონაცემებიდან მიღებული მოდულის მნიშვნელობა არის დაახლოებით 400 კპა. , რომელიც შედარებულია იანგის მოდულის მნიშვნელობებთან ნაყარი მასალებისთვის.
მოჩვენებითი კონტაქტის მოდული (kPa) და ჩაღრმავების სიღრმე (ნმ) lehfilcon A CL და SiHy სუბსტრატებისთვის AFM ნანოჩაღების მეთოდით, კონუსის სფეროს გეომეტრიით მოდულის გასაზომად.
ახალი ბიომიმეტური განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისის სტრუქტურის ზედა ზედაპირი ავლენს ელასტიურობის უკიდურესად დაბალ მოდულს (2-3 კპა).ეს ემთხვევა ჩანგალი პოლიმერული ფუნჯის თავისუფალ დაკიდებულ ბოლოს, როგორც ნაჩვენებია STEM სურათზე.მიუხედავად იმისა, რომ არსებობს გარკვეული მტკიცებულება მოდულის გრადიენტის შესახებ CL-ის გარე კიდეზე, მთავარი მაღალი მოდულის სუბსტრატი უფრო გავლენიანია.თუმცა, ზედაპირის ზედა 100 ნმ არის განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისის მთლიანი სიგრძის 20%-ის ფარგლებში, ამიტომ მიზანშეწონილია ვივარაუდოთ, რომ მოდულის გაზომილი მნიშვნელობები ჩაღრმავების სიღრმის დიაპაზონში შედარებით ზუსტია და არ არის ძლიერად. დამოკიდებულია ქვედა ობიექტის ეფექტზე.
lehfilcon A კონტაქტური ლინზების უნიკალური ბიომიმეტური დიზაინის გამო, რომელიც შედგება განშტოებული PMPC პოლიმერული ფუნჯის სტრუქტურებისგან, ნამყენი SiHy სუბსტრატების ზედაპირზე, ძალიან რთულია მათი ზედაპირის სტრუქტურების მექანიკური თვისებების საიმედოდ დახასიათება გაზომვის ტრადიციული მეთოდების გამოყენებით.აქ წარმოგიდგენთ AFM ნანო ჩაღრმავების მოწინავე მეთოდს ულტრა რბილი მასალების ზუსტად დასახასიათებლად, როგორიცაა lefilcon A მაღალი წყლის შემცველობით და უკიდურესად მაღალი ელასტიურობით.ეს მეთოდი ეფუძნება AFM ზონდის გამოყენებას, რომლის წვერის ზომა და გეომეტრია საგულდაგულოდ არის შერჩეული, რათა შეესაბამებოდეს ულტრა რბილი ზედაპირის მახასიათებლების სტრუქტურულ ზომებს, რომლებიც უნდა იყოს აღბეჭდილი.ზონდსა და სტრუქტურას შორის განზომილებების ეს კომბინაცია უზრუნველყოფს გაზრდილ მგრძნობელობას, რაც საშუალებას გვაძლევს გავზომოთ განშტოებული პოლიმერული ფუნჯის ელემენტების დაბალი მოდული და თანდაყოლილი ელასტიური თვისებები, მიუხედავად პოროელასტიური ეფექტისა.შედეგებმა აჩვენა, რომ უნიკალური განშტოებული PMPC პოლიმერული ჯაგრისები, რომლებიც დამახასიათებელია ლინზის ზედაპირისთვის, ჰქონდათ უკიდურესად დაბალი ელასტიურობის მოდული (2 კპა-მდე) და ძალიან მაღალი ელასტიურობა (დაახლოებით 100%) წყალ გარემოში ტესტირებისას.AFM ნანო ჩაღრმავების შედეგებმა ასევე მოგვცა საშუალება დაგვეხასიათებინა ბიომიმეტური ლინზის ზედაპირის აშკარა კონტაქტის მოდული/სიღრმის გრადიენტი (30 კპა/200 ნმ).ეს გრადიენტი შეიძლება გამოწვეული იყოს განშტოებული პოლიმერული ჯაგრისების და SiHy სუბსტრატს შორის მოდულის სხვაობით, ან პოლიმერული ჯაგრისების განშტოებული სტრუქტურით/სიმკვრივით, ან მათი კომბინაციით.თუმცა, საჭიროა შემდგომი სიღრმისეული კვლევები სტრუქტურასა და თვისებებს შორის კავშირის სრულად გასაგებად, განსაკუთრებით ფუნჯის განშტოების ეფექტის მექანიკურ თვისებებზე.მსგავსი გაზომვები შეიძლება დაეხმაროს სხვა ულტრა რბილი მასალებისა და სამედიცინო მოწყობილობების ზედაპირის მექანიკური თვისებების დახასიათებას.
მიმდინარე კვლევის დროს გენერირებული და/ან გაანალიზებული მონაცემთა ნაკრები ხელმისაწვდომია შესაბამისი ავტორებისგან გონივრული მოთხოვნით.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. and Haugen, HJ ბიოლოგიური რეაქციები ბიომასალების ზედაპირის ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებზე.ქიმიური.საზოგადოება.რედ.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM და Liu, X. ქსოვილის ინჟინერიისთვის ადამიანისგან მიღებული ბიომასალების გაუმჯობესება.პროგრამირება.პოლიმერი.მეცნიერება.53, 86 (2016).
სადტლერი, კ. და სხვ.ბიომასალის დიზაინი, კლინიკური განხორციელება და იმუნური პასუხი რეგენერაციულ მედიცინაში.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK და Farr GM გაუმჯობესებული მეთოდი სიხისტისა და დრეკადობის მოდულის დასადგენად ჩაღრმავების ექსპერიმენტების გამოყენებით დატვირთვისა და გადაადგილების გაზომვით.J. Alma Mater.შენახვის ავზი.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM ჩაღრმავების სიხისტის ტესტირების ისტორიული წარმოშობა.ალმა მატერი.მეცნიერება.ტექნოლოგიები.28, 1028–1044 (2012).
ბროიტმენი, E. ჩაღრმავების სიხისტის გაზომვები მაკრო, მიკრო და ნანო მასშტაბებში: კრიტიკული მიმოხილვა.ტომი.რაიტი.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD და Clapperich, SM ზედაპირის გამოვლენის შეცდომები იწვევს რბილი მასალების ნანო ჩაღრმავებაში მოდულის გადაჭარბებულ შეფასებას.ჯ.მეჩა.Მოქმედება.Ბიოსამედიცინო მეცნიერება.ალმა მატერი.2, 312–317 (2009).
კარიმზადე ა., კოლოორ სსრ, აიათოლახი მ.რ., ბუშროა AR და იაჰია მ.იუ.ჰეტეროგენული ნანოკომპოზიტების მექანიკური მახასიათებლების დასადგენად ნანოინდენტაციის მეთოდის შეფასება ექსპერიმენტული და გამოთვლითი მეთოდების გამოყენებით.მეცნიერება.სახლი 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, and Owart, TS რბილი ვისკოელასტიური გელების მექანიკური დახასიათება ჩაღრმავება და ოპტიმიზაციაზე დაფუძნებული შებრუნებული სასრულ ელემენტების ანალიზით.ჯ.მეჩა.Მოქმედება.Ბიოსამედიცინო მეცნიერება.ალმა მატერი.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J და Chaneler D. ვისკოელასტიურობის განსაზღვრის ოპტიმიზაცია თავსებადი საზომი სისტემების გამოყენებით.რბილი მატერია 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. and Pellillo, E. პოლიმერული ზედაპირების ნანოინდენტაცია.ჯ.ფიზიკა.დ. მიმართეთ ფიზიკას.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. and Van Vliet KJ მაღალი ელასტიური პოლიმერების და ბიოლოგიური ქსოვილების ვიზოელასტიური მექანიკური თვისებების დახასიათება დარტყმითი ჩაღრმავების გამოყენებით.ჟურნალი ბიომასალები.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM რბილი მასალების დრეკადობის მოდულისა და ადჰეზიის მუშაობის შეფასება გაფართოებული ბოროდიჩ-გალანოვის (BG) მეთოდით და ღრმა ჩაღრმავებით.ბეწვი.ალმა მატერი.129, 198–213 (2019).
ში, X. და სხვ.სილიკონის ჰიდროგელის საკონტაქტო ლინზების ბიომიმეტური პოლიმერული ზედაპირების ნანომასშტაბიანი მორფოლოგია და მექანიკური თვისებები.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).