Спасибо, что посетили Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, чтобы обеспечить постоянную поддержку, мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Отображает карусель из трех слайдов одновременно.Используйте кнопки «Назад» и «Далее», чтобы перемещаться по трем слайдам за раз, или используйте кнопки ползунка в конце, чтобы перемещаться по трем слайдам за раз.
С разработкой новых сверхмягких материалов для медицинских устройств и биомедицинских приложений всесторонняя характеристика их физических и механических свойств является одновременно важной и сложной задачей.Метод модифицированной атомно-силовой микроскопии (АСМ) наноиндентирования был применен для характеристики чрезвычайно низкого поверхностного модуля новой биомиметической силикон-гидрогелевой контактной линзы lehfilcon A, покрытой слоем разветвленных полимерных щеточных структур.Этот метод позволяет точно определить точки контакта без эффектов вязкой экструзии при приближении к разветвленным полимерам.Кроме того, он позволяет определять механические характеристики отдельных элементов щетки без учета эффекта пороупругости.Это достигается за счет выбора датчика АСМ с конструкцией (размер наконечника, геометрия и жесткость пружины), которая особенно подходит для измерения свойств мягких материалов и биологических образцов.Этот метод повышает чувствительность и точность для точного измерения очень мягкого материала lehfilcon A, который имеет чрезвычайно низкий модуль упругости на площади поверхности (до 2 кПа) и чрезвычайно высокую эластичность во внутренней (почти 100%) водной среде. .Результаты исследования поверхности не только выявили сверхмягкие свойства поверхности линзы lehfilcon A, но и показали, что модуль разветвленных полимерных щеток сравним с модулем кремний-водородной подложки.Этот метод характеристики поверхности может быть применен к другим сверхмягким материалам и медицинским устройствам.
Механические свойства материалов, предназначенных для прямого контакта с живой тканью, часто определяются биологической средой.Идеальное сочетание этих свойств материала помогает достичь желаемых клинических характеристик материала, не вызывая неблагоприятных клеточных реакций1,2,3.Для сыпучих однородных материалов характеристика механических свойств относительно проста благодаря наличию стандартных процедур и методов испытаний (например, микроиндентирование4,5,6).Однако для сверхмягких материалов, таких как гели, гидрогели, биополимеры, живые клетки и т. д., эти методы испытаний, как правило, неприменимы из-за ограничений разрешающей способности измерений и неоднородности некоторых материалов7.За прошедшие годы традиционные методы индентирования были модифицированы и адаптированы для определения характеристик широкого спектра мягких материалов, но многие методы по-прежнему страдают серьезными недостатками, которые ограничивают их использование8,9,10,11,12,13.Отсутствие специализированных методов испытаний, позволяющих точно и надежно характеризовать механические свойства сверхмягких материалов и поверхностных слоев, сильно ограничивает их использование в различных областях применения.
В нашей предыдущей работе мы представили контактную линзу lehfilcon A (CL), мягкий гетерогенный материал со всеми свойствами сверхмягкой поверхности, полученными из потенциально биомиметических конструкций, вдохновленных поверхностью роговицы глаза.Этот биоматериал был разработан путем прививки разветвленного сшитого полимерного слоя поли(2-метакрилоилоксиэтилфосфорилхолина (МФХ)) (ПМФХ) на силикон-гидрогель (SiHy) 15, предназначенный для медицинских устройств на основе.Этот процесс прививки создает на поверхности слой, состоящий из очень мягкой и высокоэластичной разветвленной полимерной щеточной структуры.Наша предыдущая работа подтвердила, что биомиметическая структура lehfilcon A CL обеспечивает превосходные свойства поверхности, такие как улучшение смачивания и предотвращения обрастания, повышенная смазывающая способность и снижение адгезии клеток и бактерий15,16.Кроме того, использование и разработка этого биомиметического материала также предполагает дальнейшее распространение на другие биомедицинские устройства.Поэтому очень важно охарактеризовать свойства поверхности этого ультрамягкого материала и понять его механическое взаимодействие с глазом, чтобы создать всеобъемлющую базу знаний для поддержки будущих разработок и приложений.Большинство коммерчески доступных контактных линз SiHy состоят из гомогенной смеси гидрофильных и гидрофобных полимеров, образующих однородную структуру материала17.Было проведено несколько исследований для изучения их механических свойств с использованием традиционных методов испытаний на сжатие, растяжение и микровдавливание18,19,20,21.Однако новый биомиметический дизайн lehfilcon A CL делает его уникальным гетерогенным материалом, в котором механические свойства разветвленных полимерных щеточных структур значительно отличаются от свойств базовой подложки SiHy.Поэтому очень сложно точно количественно оценить эти свойства с помощью обычных методов и методов индентирования.Перспективный метод использует метод испытаний наноиндентирования, реализованный в атомно-силовой микроскопии (АСМ), метод, который использовался для определения механических свойств мягких вязкоупругих материалов, таких как биологические клетки и ткани, а также мягких полимеров22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.В наноиндентировании АСМ основы тестирования наноиндентирования сочетаются с последними достижениями в технологии АСМ, чтобы обеспечить повышенную чувствительность измерения и тестирование широкого спектра изначально сверхмягких материалов31,32,33,34,35,36.Кроме того, технология предлагает другие важные преимущества за счет использования различных геометрий.индентор и зонд и возможность проведения испытаний в различных жидких средах.
Наноиндентирование АСМ можно условно разделить на три основных компонента: (1) оборудование (сенсоры, детекторы, зонды и т. д.);(2) параметры измерения (такие как сила, смещение, скорость, размер рампы и т. д.);(3) Обработка данных (коррекция базовой линии, оценка точки касания, подбор данных, моделирование и т. д.).Существенная проблема с этим методом заключается в том, что несколько исследований в литературе с использованием наноиндентирования АСМ сообщают о очень разных количественных результатах для одного и того же типа образца / клетки / материала37,38,39,40,41.Например, Лекка и др.Исследовано и сопоставлено влияние геометрии зонда АСМ на измеряемый модуль Юнга образцов механически однородного гидрогеля и гетерогенных ячеек.Они сообщают, что значения модуля сильно зависят от выбора кантилевера и формы наконечника, причем наибольшее значение имеет зонд в форме пирамиды, а наименьшее значение 42 — для сферического зонда.Точно так же Selhuber-Unkel et al.Было показано, как скорость индентора, размер индентора и толщина образцов полиакриламида (ПААМ) влияют на модуль Юнга, измеренный с помощью наноиндентирования ACM43.Еще одним осложняющим фактором является отсутствие стандартных испытательных материалов с чрезвычайно низким модулем и бесплатных процедур испытаний.Это очень затрудняет получение точных результатов с уверенностью.Тем не менее, метод очень полезен для относительных измерений и сравнительных оценок между подобными типами образцов, например, с использованием наноиндентирования АСМ, чтобы отличить нормальные клетки от раковых клеток 44, 45 .
При испытании мягких материалов с помощью наноиндентирования АСМ общее эмпирическое правило заключается в использовании зонда с низкой жесткостью пружины (k), близкой к модулю образца, и полусферическим/круглым наконечником, чтобы первый зонд не прокалывал поверхности образца на первый контакт с мягкими материалами.Также важно, чтобы сигнал отклонения, генерируемый зондом, был достаточно сильным, чтобы его могла обнаружить система лазерного детектора24,34,46,47.В случае сверхмягких гетерогенных клеток, тканей и гелей еще одной проблемой является преодоление силы сцепления между зондом и поверхностью образца для обеспечения воспроизводимых и надежных измерений48,49,50.До недавнего времени большая часть работ по наноиндентированию АСМ была сосредоточена на изучении механического поведения биологических клеток, тканей, гелей, гидрогелей и биомолекул с использованием относительно больших сферических зондов, обычно называемых коллоидными зондами (КП)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Эти наконечники имеют радиус от 1 до 50 мкм и обычно изготавливаются из боросиликатного стекла, полиметилметакрилата (ПММА), полистирола (ПС), диоксида кремния (SiO2) и алмазо- как углерод (DLC).Хотя наноиндентирование CP-AFM часто является первым выбором для определения характеристик мягких образцов, оно имеет свои проблемы и ограничения.Использование крупных сферических игл микронного размера увеличивает общую площадь контакта иглы с образцом и приводит к значительной потере пространственного разрешения.Для мягких, неоднородных образцов, где механические свойства локальных элементов могут значительно отличаться от средних по более широкой области, вдавливание CP может скрыть любую неоднородность свойств в локальном масштабе52.Коллоидные зонды обычно изготавливаются путем прикрепления коллоидных сфер микронного размера к кантилеверам без наконечников с использованием эпоксидных клеев.Сам производственный процесс сопряжен со многими проблемами и может привести к несоответствиям в процессе калибровки датчика.Кроме того, размер и масса коллоидных частиц напрямую влияют на основные калибровочные параметры кантилевера, такие как резонансная частота, жесткость пружины и чувствительность к отклонению56,57,58.Таким образом, обычно используемые методы для обычных АСМ-датчиков, такие как температурная калибровка, могут не обеспечивать точную калибровку CP, и для выполнения этих поправок могут потребоваться другие методы57, 59, 60, 61. изучить свойства мягких образцов, что создает еще одну проблему при калибровке нелинейного поведения кантилевера при относительно больших отклонениях62,63,64.Современные методы вдавливания коллоидного зонда обычно учитывают геометрию кантилевера, используемого для калибровки зонда, но игнорируют влияние коллоидных частиц, что создает дополнительную неопределенность в точности метода38,61.Точно так же модули упругости, рассчитанные с помощью подбора контактной модели, напрямую зависят от геометрии зонда для вдавливания, и несоответствие между характеристиками поверхности наконечника и образца может привести к неточностям27, 65, 66, 67, 68. В некоторых недавних работах Spencer et al.Выделены факторы, которые необходимо учитывать при характеристике мягких полимерных щеток методом наноиндентирования CP-AFM.Они сообщили, что сохранение вязкой жидкости в полимерных щетках в зависимости от скорости приводит к увеличению нагрузки на головку и, следовательно, к различным измерениям свойств, зависящих от скорости30,69,70,71.
В данном исследовании мы охарактеризовали модуль поверхности сверхмягкого высокоэластичного материала lehfilcon A CL с использованием модифицированного метода наноиндентирования АСМ.Учитывая свойства и новую структуру этого материала, диапазон чувствительности традиционного метода индентирования явно недостаточен для характеристики модуля этого чрезвычайно мягкого материала, поэтому необходимо использовать метод наноиндентирования АСМ с более высокой чувствительностью и меньшей чувствительностью.уровень.После рассмотрения недостатков и проблем существующих методов наноиндентирования с коллоидным зондом АСМ мы показываем, почему мы выбрали меньший, специально разработанный зонд АСМ для устранения чувствительности, фонового шума, точной точки контакта, измерения модуля скорости мягких гетерогенных материалов, таких как задержка жидкости. зависимость.и точной количественной оценки.Кроме того, мы смогли точно измерить форму и размеры индентирующего наконечника, что позволило нам использовать модель подгонки конус-сфера для определения модуля упругости без оценки площади контакта наконечника с материалом.Два неявных допущения, которые количественно оцениваются в этой работе, — это полностью эластичные свойства материала и модуль, независимый от глубины вдавливания.Используя этот метод, мы сначала протестировали сверхмягкие стандарты с известным модулем для количественной оценки метода, а затем использовали этот метод для характеристики поверхностей двух разных материалов для контактных линз.Ожидается, что этот метод характеристики поверхностей наноиндентирования АСМ с повышенной чувствительностью будет применим к широкому спектру биомиметических гетерогенных ультрамягких материалов с потенциальным использованием в медицинских устройствах и биомедицинских приложениях.
Для экспериментов по наноиндентированию были выбраны контактные линзы Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) и их силикон-гидрогелевые подложки.В эксперименте использовалась специально разработанная оправа объектива.Для установки объектива для тестирования его аккуратно уложили на куполообразную подставку, следя за тем, чтобы внутрь не попали пузырьки воздуха, а затем зафиксировали краями.Отверстие в приспособлении в верхней части держателя линзы обеспечивает доступ к оптическому центру линзы для экспериментов по наноиндентированию, удерживая жидкость на месте.Это обеспечивает полное увлажнение линз.В качестве тестового раствора использовали 500 мкл раствора упаковки для контактных линз.Для проверки количественных результатов были приготовлены коммерчески доступные гидрогели неактивированного полиакриламида (ПААМ) из композиции полиакриламид-со-метилен-бисакриламид (чашки Петрисофт 100 мм, Matrigen, Ирвин, Калифорния, США), известный модуль упругости 1 кПа.Используйте 4–5 капель (примерно 125 мкл) фосфатно-солевого буфера (PBS от Corning Life Sciences, Тьюксбери, Массачусетс, США) и 1 каплю раствора для контактных линз OPTI-FREE Puremoist (Alcon, Во, Техас, США).) на границе гидрогель-зонд АСМ.
Образцы подложек Lehfilcon A CL и SiHy визуализировали с использованием системы автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа FEI Quanta 250 (FEG SEM), оснащенной детектором сканирующего просвечивающего электронного микроскопа (STEM).Для приготовления образцов линзы сначала промывали водой и разрезали на дольки в форме пирога.Для достижения дифференциального контраста между гидрофильной и гидрофобной составляющими образцов в качестве красителя использовали 0,10%-ный стабилизированный раствор RuO4, в который образцы погружали на 30 мин.Окрашивание lehfilcon A CL RuO4 важно не только для достижения улучшенного дифференциального контраста, но и помогает сохранить в исходном виде структуру разветвленных полимерных щеточек, которые затем видны на STEM-изображениях.Затем их промывали и обезвоживали в серии смесей этанол/вода с возрастающей концентрацией этанола.Затем образцы были отлиты из эпоксидной смолы EMBed 812/Araldite, которая отверждалась в течение ночи при 70°C.Блоки образцов, полученные в результате полимеризации смолы, разрезали на ультрамикротоме, а полученные тонкие срезы визуализировали с помощью STEM-детектора в режиме низкого вакуума при ускоряющем напряжении 30 кВ.Та же система СЭМ использовалась для детальной характеристики АСМ-зонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker Nano, Санта-Барбара, Калифорния, США).СЭМ-изображения зонда АСМ были получены в типичном режиме высокого вакуума с ускоряющим напряжением 30 кВ.Получите изображения под разными углами и увеличениями, чтобы записать все детали формы и размера наконечника зонда АСМ.Все интересующие размеры наконечника на изображениях измерялись в цифровом виде.
Атомно-силовой микроскоп Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Санта-Барбара, Калифорния, США) с режимом «PeakForce QNM in Fluid» использовали для визуализации и наноиндентирования lehfilcon A CL, субстрата SiHy и образцов гидрогеля PAAm.Для экспериментов по визуализации использовался зонд PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) с номинальным радиусом кончика 1 нм для захвата изображений образца с высоким разрешением при частоте сканирования 0,50 Гц.Все изображения были сделаны в водном растворе.
Эксперименты по наноиндентированию АСМ проводились с использованием зонда PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Зонд АСМ имеет кремниевый наконечник на нитридном кантилевере толщиной 345 нм, длиной 54 мкм и шириной 4,5 мкм с резонансной частотой 45 кГц.Он специально разработан для характеристики и выполнения количественных наномеханических измерений на мягких биологических образцах.Датчики индивидуально откалиброваны на заводе с предварительно откалиброванными настройками пружины.Пружинные константы зондов, использованных в этом исследовании, находились в диапазоне 0,05–0,1 Н/м.Для точного определения формы и размера наконечника зонд был подробно охарактеризован с помощью СЭМ.На рис.На рис. 1а показана сканирующая электронная микрофотография зонда PFQNM-LC-A-CAL с высоким разрешением и малым увеличением, обеспечивающая целостное представление о конструкции зонда.На рис.1b показан увеличенный вид верхней части наконечника зонда, дающий информацию о форме и размере наконечника.На крайнем конце игла представляет собой полусферу диаметром около 140 нм (рис. 1в).Ниже этого кончик сужается в коническую форму, достигая измеренной длины примерно 500 нм.За пределами сужающейся области наконечник имеет цилиндрическую форму и заканчивается общей длиной 1,18 мкм.Это основная функциональная часть наконечника зонда.Кроме того, для испытаний в качестве коллоидного зонда также использовали большой сферический зонд из полистирола (PS) (Novascan Technologies, Inc., Бун, Айова, США) с диаметром наконечника 45 мкм и жесткостью пружины 2 Н/м.с зондом PFQNM-LC-A-CAL 140 нм для сравнения.
Сообщалось, что жидкость может быть захвачена между зондом АСМ и структурой полимерной щетки во время наноиндентирования, что будет оказывать направленное вверх усилие на зонд АСМ до того, как он фактически коснется поверхности69.Этот эффект вязкой экструзии из-за задержки жидкости может изменить видимую точку контакта, тем самым влияя на измерения поверхностного модуля.Для изучения влияния геометрии зонда и скорости вдавливания на задержку жидкости были построены кривые силы вдавливания для образцов lehfilcon A CL с использованием зонда диаметром 140 нм при постоянных скоростях смещения 1 мкм/с и 2 мкм/с.диаметр зонда 45 мкм, фиксированная установка усилия 6 нН, достигаемая при скорости 1 мкм/с.Эксперименты с зондом диаметром 140 нм проводили при скорости вдавливания 1 мкм/с и заданном усилии 300 пН, выбранном для создания контактного давления в пределах физиологического диапазона (1–8 кПа) верхнего века.давление 72. Мягкие готовые образцы гидрогеля ПАК при давлении 1 кПа испытывали на усилие вдавливания 50 пН со скоростью 1 мкм/с с использованием зонда диаметром 140 нм.
Поскольку длина конической части острия зонда PFQNM-LC-A-CAL составляет примерно 500 нм, то при любой глубине вдавливания < 500 нм можно с уверенностью предположить, что геометрия зонда при вдавливании останется верной своей форма конуса.Кроме того, предполагается, что поверхность испытуемого материала будет проявлять обратимую упругую реакцию, что также будет подтверждено в следующих разделах.Поэтому, в зависимости от формы и размера наконечника, мы выбрали модель подгонки конус-сфера, разработанную Бриско, Себастьяном и Адамсом, которая доступна в программном обеспечении поставщика, для обработки наших экспериментов по наноиндентированию АСМ (NanoScope).Программное обеспечение для анализа данных разделения, Bruker) 73. Модель описывает соотношение силы и смещения F(δ) для конуса со сферическим дефектом на вершине.На рис.На рис. 2 представлена ​​геометрия контакта при взаимодействии жесткого конуса со сферическим наконечником, где R — радиус сферического наконечника, а — радиус контакта, b — радиус контакта на конце сферического наконечника, δ — радиус контакта. контактный радиус.глубина вдавливания, θ — полуугол конуса.СЭМ-изображение этого зонда ясно показывает, что сферический наконечник диаметром 140 нм тангенциально переходит в конус, поэтому здесь b определяется только через R, т.е. b = R cos θ.Программное обеспечение, поставляемое поставщиком, обеспечивает соотношение конус-сфера для расчета значений модуля Юнга (E) на основе данных о силовом разделении, предполагая, что a > b.Отношение:
где F — сила вдавливания, E — модуль Юнга, ν — коэффициент Пуассона.Радиус контакта a можно оценить, используя:
Схема контактной геометрии жесткого конуса со сферическим наконечником, запрессованного в материал контактной линзы Lefilcon с поверхностным слоем разветвленных полимерных щеток.
Если a ≤ b, соотношение сводится к уравнению для обычного сферического индентора;
Мы полагаем, что взаимодействие вдавливающего зонда с разветвленной структурой полимерной щетки из ПМПК приведет к тому, что радиус контакта a будет больше сферического радиуса контакта b.Поэтому для всех количественных измерений модуля упругости, выполненных в данной работе, использовалась зависимость, полученная для случая a > b.
Ультрамягкие биомиметические материалы, изученные в этом исследовании, были всесторонне визуализированы с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) поперечного сечения образца и атомно-силовой микроскопии (АСМ) поверхности.Эта подробная характеристика поверхности была выполнена в качестве расширения нашей ранее опубликованной работы, в которой мы определили, что динамически разветвленная полимерная щеточная структура поверхности lehfilcon A CL, модифицированной PMPC, проявляет механические свойства, сходные с нативной тканью роговицы 14 .По этой причине мы называем поверхности контактных линз биомиметическими материалами14.На рис.3a,b показаны поперечные сечения разветвленных полимерных щеточных структур из ПМПК на поверхности подложки lehfilcon A CL и необработанной подложки SiHy соответственно.Поверхности обоих образцов были дополнительно проанализированы с использованием изображений АСМ высокого разрешения, что дополнительно подтвердило результаты STEM-анализа (рис. 3в, г).В совокупности эти изображения дают приблизительную длину структуры разветвленной полимерной щетки ПМПК на уровне 300–400 нм, что имеет решающее значение для интерпретации измерений наноиндентирования АСМ.Еще одно ключевое наблюдение, полученное из изображений, заключается в том, что общая структура поверхности биомиметического материала CL морфологически отличается от структуры материала подложки SiHy.Это различие в морфологии их поверхности может проявляться при их механическом взаимодействии с вдавливающим зондом АСМ и впоследствии в измеренных значениях модуля.
Изображения STEM в поперечном сечении (а) lehfilcon A CL и (б) подложки SiHy.Масштабная линейка, 500 нм.АСМ-изображения поверхности подложки lehfilcon A CL (c) и базовой подложки SiHy (d) (3 мкм × 3 мкм).
Биоинспирированные полимеры и структуры полимерных щеток по своей природе мягкие и широко изучались и использовались в различных биомедицинских приложениях74,75,76,77.Поэтому важно использовать метод наноиндентирования АСМ, который позволяет точно и надежно измерить их механические свойства.Но в то же время уникальные свойства этих сверхмягких материалов, такие как чрезвычайно низкий модуль упругости, высокое содержание жидкости и высокая эластичность, часто затрудняют выбор правильного материала, формы и формы индентирующего зонда.размер.Это важно для того, чтобы индентор не проткнул мягкую поверхность образца, что привело бы к ошибкам в определении точки контакта с поверхностью и площади контакта.
Для этого необходимо всестороннее понимание морфологии ультрамягких биомиметических материалов (lehfilcon A CL).Информация о размере и структуре разветвленных полимерных щеток, полученная с помощью метода визуализации, служит основой для механической характеристики поверхности с использованием методов наноиндентирования АСМ.Вместо сферических коллоидных зондов микронного размера мы выбрали зонд из нитрида кремния PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) с диаметром кончика 140 нм, специально разработанный для количественного картирования механических свойств биологических образцов 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Обоснование использования относительно острых зондов по сравнению с обычными коллоидными зондами можно объяснить структурными особенностями материала.Сравнивая размер кончика зонда (~140 нм) с разветвленными полимерными щетками на поверхности КЛ lehfilcon A, показанными на рис. 3а, можно сделать вывод, что кончик достаточно велик, чтобы вступить в непосредственный контакт с этими щеточными структурами, которые уменьшает вероятность прокола наконечника через них.Чтобы проиллюстрировать этот момент, на рис. 4 представлено STEM-изображение lehfilcon A CL и вдавливающего наконечника зонда АСМ (нарисовано в масштабе).
Схема, показывающая STEM-изображение lehfilcon A CL и зонда для вдавливания ACM (нарисовано в масштабе).
Кроме того, размер кончика 140 нм достаточно мал, чтобы избежать риска любого из эффектов липкой экструзии, о которых ранее сообщалось для полимерных щеток, полученных методом наноиндентирования CP-AFM69,71.Мы предполагаем, что из-за особой конусо-сферической формы и относительно небольшого размера этого наконечника АСМ (рис. 1) характер силовой кривой, создаваемой наноиндентированием lehfilcon A CL, не будет зависеть от скорости индентирования или скорости загрузки/разгрузки. .Следовательно, на него не влияют пороупругие эффекты.Для проверки этой гипотезы образцы lehfilcon A CL подвергались вдавливанию при фиксированном максимальном усилии с использованием зонда PFQNM-LC-A-CAL, но при двух разных скоростях, и полученные кривые растягивающей и втягивающей силы использовались для построения графика силы (нН). в разделении (мкм) показано на рисунке 5а.Ясно, что кривые силы во время нагрузки и разгрузки полностью перекрываются, и нет четких доказательств того, что сила сдвига при нулевой глубине вдавливания увеличивается со скоростью вдавливания на рисунке, что позволяет предположить, что отдельные элементы щетки характеризовались отсутствием пороупругого эффекта.Напротив, эффекты удержания жидкости (эффекты вязкой экструзии и пороупругости) очевидны для зонда АСМ диаметром 45 мкм при той же скорости вдавливания и выделяются гистерезисом между кривыми растяжения и втягивания, как показано на рисунке 5b.Эти результаты подтверждают гипотезу и предполагают, что зонды диаметром 140 нм являются хорошим выбором для определения характеристик таких мягких поверхностей.
кривые силы вдавливания lehfilcon A CL с использованием ACM;(а) использование зонда диаметром 140 нм при двух скоростях нагружения, демонстрирующее отсутствие пороупругого эффекта при вдавливании поверхности;б) с использованием зондов диаметром 45 мкм и 140 нм.s показывают влияние вязкой экструзии и пороупругости для больших зондов по сравнению с меньшими зондами.
Для характеристики сверхмягких поверхностей методы наноиндентирования АСМ должны иметь лучший зонд для изучения свойств исследуемого материала.В дополнение к форме и размеру наконечника важную роль в определении точности и надежности наноиндентирования играют чувствительность детекторной системы АСМ, чувствительность к отклонению наконечника в тестовой среде и жесткость кантилевера.измерения.Для нашей системы АСМ предел обнаружения позиционно-чувствительного детектора (PSD) составляет приблизительно 0,5 мВ и основан на предварительно откалиброванной жесткости пружины и расчетной чувствительности датчика PFQNM-LC-A-CAL к отклонению жидкости, что соответствует теоретическая чувствительность к нагрузке.составляет менее 0,1 пН.Таким образом, этот метод позволяет измерять минимальную силу вдавливания ≤ 0,1 пН без какой-либо составляющей периферийного шума.Однако для системы АСМ почти невозможно снизить периферийный шум до этого уровня из-за таких факторов, как механическая вибрация и гидродинамика.Эти факторы ограничивают общую чувствительность метода наноиндентирования АСМ, а также приводят к фоновому шумовому сигналу примерно ≤ 10 пН.Для определения характеристик поверхности образцы подложки lehfilcon A CL и SiHy подвергали вдавливанию в условиях полной гидратации с использованием зонда с длиной волны 140 нм для характеристики СЭМ, а полученные кривые силы накладывали между силой (pN) и давлением.График разделения (мкм) показан на рисунке 6а.По сравнению с базовой подложкой SiHy кривая силы lehfilcon A CL четко показывает переходную фазу, начинающуюся в точке контакта с раздвоенной полимерной щеткой и заканчивающуюся резким изменением наклона, отмечающим контакт наконечника с подстилающим материалом.Эта переходная часть кривой усилия подчеркивает действительно упругое поведение разветвленной полимерной щетки на поверхности, о чем свидетельствует кривая сжатия, близко повторяющая кривую растяжения, и контраст механических свойств между структурой щетки и объемным материалом SiHy.При сравнении лефилкон.Разделение средней длины разветвленной полимерной щетки на STEM-изображении ПКС (рис. 3а) и ее силовой кривой по оси абсцисс на рис. 3а.6а показано, что этот метод способен обнаруживать кончик и разветвленный полимер, достигающий самого верха поверхности.Контакт между щеточными структурами.Кроме того, близкое перекрытие кривых усилия указывает на отсутствие эффекта удержания жидкости.В этом случае абсолютно отсутствует сцепление между иглой и поверхностью образца.Самые верхние участки силовых кривых для двух образцов перекрываются, что отражает сходство механических свойств материалов подложки.
(а) Кривые силы наноиндентирования АСМ для подложек lehfilcon A CL и подложек SiHy, (б) кривые силы, показывающие оценку точки контакта с использованием метода порога фонового шума.
Чтобы изучить более тонкие детали кривой силы, кривая растяжения образца lehfilcon A CL повторно построена на рис. 6b с максимальной силой 50 пН по оси ординат.Этот график предоставляет важную информацию об исходном фоновом шуме.Шум находится в диапазоне ±10 пН, что используется для точного определения точки контакта и расчета глубины вдавливания.Как сообщается в литературе, идентификация точек контакта имеет решающее значение для точной оценки свойств материала, таких как модуль85.Подход, включающий автоматическую обработку данных кривой силы, показал лучшее соответствие между подгонкой данных и количественными измерениями для мягких материалов86.В этой работе наш выбор точек соприкосновения относительно прост и объективен, но имеет свои ограничения.Наш консервативный подход к определению точки контакта может привести к несколько завышенным значениям модуля для меньших глубин вдавливания (< 100 нм).Использование обнаружения точек соприкосновения на основе алгоритмов и автоматизированной обработки данных может стать продолжением этой работы в будущем для дальнейшего улучшения нашего метода.Таким образом, для собственного фонового шума порядка ±10 пН мы определяем точку контакта как первую точку данных на оси x на рисунке 6b со значением ≥10 пН.Затем, в соответствии с шумовым порогом 10 пН, вертикальная линия на уровне ~0,27 мкм отмечает точку контакта с поверхностью, после чего кривая растяжения продолжается до тех пор, пока подложка не достигнет глубины вдавливания ~270 нм.Интересно, что, исходя из размера элементов разветвленной полимерной щетки (300–400 нм), измеренных методом визуализации, глубина вдавливания образца CL lehfilcon A, наблюдаемая с помощью метода порога фонового шума, составляет около 270 нм, что очень близко к размер измерения с STEM.Эти результаты дополнительно подтверждают совместимость и применимость формы и размера наконечника зонда АСМ для индентирования этой очень мягкой и высокоэластичной разветвленной полимерной щеточной структуры.Эти данные также дают убедительные доказательства в поддержку нашего метода использования фонового шума в качестве порога для точного определения точек контакта.Таким образом, любые количественные результаты, полученные в результате математического моделирования и подгонки силовой кривой, должны быть относительно точными.
Количественные измерения методами наноиндентирования АСМ полностью зависят от математических моделей, используемых для отбора данных и последующего анализа.Поэтому важно учитывать все факторы, связанные с выбором индентора, свойствами материала и механикой их взаимодействия перед выбором той или иной модели.В этом случае геометрия иглы была тщательно охарактеризована с помощью микрофотографий СЭМ (рис. 1), и на основании результатов можно сделать вывод, что АСМ-наноиндентирующий зонд диаметром 140 нм с твердым конусом и сферической геометрией иглы является хорошим выбором для характеристики образцов lehfilcon A CL79. .Еще одним важным фактором, который необходимо тщательно оценить, является эластичность испытуемого полимерного материала.Хотя исходные данные наноиндентирования (рис. 5а и 6а) четко очерчивают особенности наложения кривых растяжения и сжатия, т. е. полного упругого восстановления материала, крайне важно подтвердить чисто упругий характер контактов .С этой целью в одном и том же месте на поверхности образца lehfilcon A CL были выполнены два последовательных вдавливания со скоростью вдавливания 1 мкм/с в условиях полной гидратации.Результирующие данные кривой силы показаны на рис.7, и, как и ожидалось, кривые расширения и сжатия двух отпечатков почти идентичны, что подчеркивает высокую эластичность разветвленной полимерной структуры щетки.
Две кривые силы вдавливания в одном и том же месте на поверхности lehfilcon A CL указывают на идеальную эластичность поверхности линзы.
Основываясь на информации, полученной из изображений SEM и STEM наконечника зонда и поверхности lehfilcon A CL, соответственно, модель конус-сфера является разумным математическим представлением взаимодействия между наконечником зонда AFM и тестируемым мягким полимерным материалом.Кроме того, для этой модели конус-сфера фундаментальные предположения об упругих свойствах отпечатанного материала остаются верными для этого нового биомиметического материала и используются для количественной оценки модуля упругости.
После всесторонней оценки метода наноиндентирования АСМ и его компонентов, включая свойства индентирующего зонда (форма, размер и жесткость пружины), чувствительность (фоновый шум и оценка точки контакта) и модели подбора данных (количественные измерения модуля), метод был использовал.охарактеризовать имеющиеся в продаже сверхмягкие образцы для проверки количественных результатов.Коммерческий полиакриламидный (ПААМ) гидрогель с модулем упругости 1 кПа тестировали в условиях гидратации с использованием зонда с длиной волны 140 нм.Подробная информация о тестировании модуля и расчетах представлена ​​в дополнительной информации.Результаты показали, что средний измеренный модуль составил 0,92 кПа, а %RSD и процентное (%) отклонение от известного модуля составили менее 10%.Эти результаты подтверждают точность и воспроизводимость используемого в данной работе метода наноиндентирования АСМ для измерения модулей сверхмягких материалов.Поверхности образцов lehfilcon A CL и базовой подложки SiHy были дополнительно охарактеризованы с использованием того же метода наноиндентирования АСМ для изучения кажущегося контактного модуля сверхмягкой поверхности в зависимости от глубины индентирования.Кривые разделения силы вдавливания были построены для трех образцов каждого типа (n = 3; одно вдавливание на образец) при силе 300 пН, скорости 1 мкм/с и полной гидратации.Кривая распределения силы вдавливания была аппроксимирована с использованием модели конус-сфера.Чтобы получить модуль, зависящий от глубины вдавливания, участок кривой силы шириной 40 нм устанавливали с каждым шагом 20 нм, начиная с точки контакта, и измеряли значения модуля на каждом шаге кривой силы.Спин Сай и др.Аналогичный подход был использован для характеристики градиента модуля полимерных щеток из поли(лаурилметакрилата) (P12MA) с использованием наноиндентирования коллоидным зондом АСМ, и они согласуются с данными, полученными с использованием контактной модели Герца.Этот подход обеспечивает график кажущегося контактного модуля (кПа) в зависимости от глубины вдавливания (нм), как показано на рисунке 8, который иллюстрирует градиент кажущегося контактного модуля/глубины.Расчетный модуль упругости образца CL lehfilcon A находится в пределах 2–3 кПа в пределах верхних 100 нм образца, за пределами которых он начинает увеличиваться с глубиной.С другой стороны, при испытании базовой подложки SiHy без щеткообразной пленки на поверхности максимальная глубина вдавливания, достигаемая при усилии 300 пН, составляет менее 50 нм, а значение модуля, полученное из данных, составляет около 400 кПа. , что сравнимо со значениями модуля Юнга для сыпучих материалов.
Кажущийся контактный модуль (кПа) в зависимости от глубины вдавливания (нм) для подложек lehfilcon A CL и SiHy с использованием метода наноиндентирования АСМ с геометрией конус-сфера для измерения модуля.
Самая верхняя поверхность новой биомиметической разветвленной полимерной щеточной структуры демонстрирует чрезвычайно низкий модуль упругости (2–3 кПа).Это будет соответствовать свободному концу раздвоенной полимерной щетки, как показано на изображении STEM.Хотя есть некоторые свидетельства градиента модуля на внешнем краю CL, основное влияние имеет основная высокомодульная подложка.Однако верхние 100 нм поверхности находятся в пределах 20 % от общей длины разветвленной полимерной щетки, поэтому разумно предположить, что измеренные значения модуля в этом диапазоне глубин вдавливания являются относительно точными и не сильно зависит от эффекта нижнего объекта.
Из-за уникальной биомиметической конструкции контактных линз lehfilcon A, состоящей из разветвленных полимерных щеточных структур PMPC, привитых к поверхности подложек SiHy, очень сложно надежно охарактеризовать механические свойства их поверхностных структур с использованием традиционных методов измерения.Здесь мы представляем передовой метод наноиндентирования АСМ для точной характеристики сверхмягких материалов, таких как лефилкон А, с высоким содержанием воды и чрезвычайно высокой эластичностью.Этот метод основан на использовании зонда АСМ, размер и геометрия наконечника которого тщательно подобраны, чтобы соответствовать структурным размерам ультрамягких поверхностных элементов, на которые необходимо нанести отпечаток.Такое сочетание размеров между зондом и структурой обеспечивает повышенную чувствительность, позволяя нам измерять низкий модуль и присущие им упругие свойства разветвленных полимерных щеточных элементов, независимо от пороупругих эффектов.Результаты показали, что уникальные разветвленные полимерные щетки из ПМПК, характерные для поверхности линзы, имели чрезвычайно низкий модуль упругости (до 2 кПа) и очень высокую эластичность (почти 100%) при испытаниях в водной среде.Результаты наноиндентирования АСМ также позволили нам охарактеризовать кажущийся градиент контактного модуля/глубины (30 кПа/200 нм) поверхности биомиметической линзы.Этот градиент может быть обусловлен разницей модулей разветвленных полимерных щеток и подложки SiHy, или разветвленной структурой/плотностью полимерных щеток, или их комбинацией.Однако необходимы дальнейшие углубленные исследования, чтобы полностью понять взаимосвязь между структурой и свойствами, особенно влияние разветвления щеток на механические свойства.Подобные измерения могут помочь охарактеризовать механические свойства поверхности других сверхмягких материалов и медицинских устройств.
Наборы данных, созданные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующих авторов по обоснованному запросу.
Рахмати М., Сильва Э.А., Резеланд Дж.Э., Хейворд К. и Хауген Х.Дж. Биологические реакции на физические и химические свойства поверхностей биоматериалов.Химический.общество.Эд.49, 5178–5224 (2020).
Чен, Ф. М. и Лю, X. Улучшение биоматериалов человеческого происхождения для тканевой инженерии.программирование.полимер.наука.53, 86 (2016).
Садтлер, К. и др.Дизайн, клиническая реализация и иммунный ответ биоматериалов в регенеративной медицине.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Оливер В.К. и Фарр Г.М. Усовершенствованный метод определения твердости и модуля упругости с использованием экспериментов по вдавливанию с измерением нагрузки и смещения.Дж. Альма-матер.резервуар.7, 1564–1583 (2011).
Уолли, С.М. Историческое происхождение испытаний на твердость при вдавливании.альма-матер.наука.технологии.28, 1028–1044 (2012).
Бройтман, Э. Измерения твердости при вдавливании на макро-, микро- и наноуровне: критический обзор.племя.Райт.65, 1–18 (2017).
Кауфман, Дж. Д. и Клапперих, С. М. Ошибки обнаружения поверхности приводят к переоценке модуля при наноиндентировании мягких материалов.Дж. Меха.Поведение.Биомедицинская наука.альма-матер.2, 312–317 (2009).
Каримзаде А., Колоор ССР, Аятоллахи М.Р., Бушроа А.Р. и Яхья М.Ю.Оценка метода наноиндентирования для определения механических характеристик гетерогенных нанокомпозитов с использованием экспериментальных и расчетных методов.наука.Дом 9, 15763 (2019).
Лю, К., Ван Лендингем, М. Р., и Оварт, Т. С. Механическая характеристика мягких вязкоупругих гелей с помощью вдавливания и обратного анализа методом конечных элементов на основе оптимизации.Дж. Меха.Поведение.Биомедицинская наука.альма-матер.2, 355–363 (2009).
Эндрюс Дж.В., Боуэн Дж. и Шанелер Д. Оптимизация определения вязкоупругости с использованием совместимых измерительных систем.Мягкая материя 9, 5581–5593 (2013).
Бриско Б.Дж., Фиори Л. и Пеллилло Э. Наноиндентирование полимерных поверхностей.Дж. Физика.D. Подать заявку на физику.31, 2395 (1998).
Мияилович А.С., Цин Б., Фортунато Д. и Ван Влит К.Дж. Характеристика вязкоупругих механических свойств высокоэластичных полимеров и биологических тканей методом ударного вдавливания.Журнал биоматериалов.71, 388–397 (2018).
Перепелкин Н.В., Ковалев А.Е., Горб С.Н., Бородич Ф.М. Оценка модуля упругости и работы адгезии мягких материалов с использованием расширенного метода Бородича-Галанова (БГ) и глубокого индентирования.шерсть.альма-матер.129, 198–213 (2019).
Ши, X. и др.Наноразмерная морфология и механические свойства биомиметических полимерных поверхностей силикон-гидрогелевых контактных линз.Ленгмюр 37, 13961–13967 (2021).