Tack för att du besöker Nature.com.Du använder en webbläsarversion med begränsat CSS-stöd.För bästa upplevelse rekommenderar vi att du använder en uppdaterad webbläsare (eller inaktiverar kompatibilitetsläge i Internet Explorer).Dessutom, för att säkerställa löpande support, visar vi webbplatsen utan stilar och JavaScript.
Visar en karusell med tre bilder samtidigt.Använd knapparna Föregående och Nästa för att gå igenom tre bilder åt gången, eller använd skjutknapparna i slutet för att gå igenom tre bilder åt gången.
Med utvecklingen av nya ultramjuka material för medicintekniska produkter och biomedicinska applikationer är den omfattande karakteriseringen av deras fysiska och mekaniska egenskaper både viktig och utmanande.En modifierad atomkraftmikroskopi (AFM) nanoindentationsteknik användes för att karakterisera den extremt låga ytmodulen hos den nya lehfilcon A biomimetisk silikonhydrogelkontaktlins belagd med ett lager av grenade polymerborststrukturer.Denna metod tillåter exakt bestämning av kontaktpunkter utan effekterna av viskös extrudering när man närmar sig grenade polymerer.Dessutom gör det möjligt att bestämma de mekaniska egenskaperna hos enskilda borstelement utan inverkan av porelasticitet.Detta uppnås genom att välja en AFM-sond med en design (spetsstorlek, geometri och fjäderhastighet) som är särskilt lämpad för att mäta egenskaperna hos mjuka material och biologiska prover.Denna metod förbättrar känsligheten och noggrannheten för noggrann mätning av det mycket mjuka materialet lehfilcon A, som har en extremt låg elasticitetsmodul på ytan (upp till 2 kPa) och en extremt hög elasticitet i den inre (nästan 100 %) vattenhaltiga miljön .Resultaten av ytstudien avslöjade inte bara de ultramjuka ytegenskaperna hos lehfilcon A-linsen, utan visade också att modulen för de grenade polymerborstarna var jämförbar med den hos kisel-väte-substratet.Denna ytkarakteriseringsteknik kan appliceras på andra ultramjuka material och medicinsk utrustning.
De mekaniska egenskaperna hos material utformade för direktkontakt med levande vävnad bestäms ofta av den biologiska miljön.Den perfekta matchningen av dessa materialegenskaper hjälper till att uppnå de önskade kliniska egenskaperna hos materialet utan att orsaka negativa cellulära svar1,2,3.För homogena material i bulk är karakteriseringen av mekaniska egenskaper relativt lätt på grund av tillgången på standardförfaranden och testmetoder (t.ex. mikrointryck4,5,6).Men för ultramjuka material som geler, hydrogeler, biopolymerer, levande celler, etc., är dessa testmetoder i allmänhet inte tillämpliga på grund av begränsningar i mätupplösningen och inhomogeniteten hos vissa material7.Genom åren har traditionella indragningsmetoder modifierats och anpassats för att karakterisera ett brett utbud av mjuka material, men många metoder lider fortfarande av allvarliga brister som begränsar deras användning8,9,10,11,12,13.Bristen på specialiserade testmetoder som exakt och tillförlitligt kan karakterisera de mekaniska egenskaperna hos supermjuka material och ytskikt begränsar kraftigt deras användning i olika applikationer.
I vårt tidigare arbete introducerade vi kontaktlinsen lehfilcon A (CL), ett mjukt heterogent material med alla ultramjuka ytegenskaper som härrör från potentiellt biomimetiska mönster inspirerade av ytan på ögats hornhinna.Detta biomaterial utvecklades genom att ympa ett grenat, tvärbundet polymerskikt av poly(2-metakryloyloxietylfosforylkolin (MPC)) (PMPC) på en silikonhydrogel (SiHy) 15 designad för medicinsk utrustning baserad på.Denna ympningsprocess skapar ett lager på ytan som består av en mycket mjuk och mycket elastisk grenad polymerborststruktur.Vårt tidigare arbete har bekräftat att den biomimetiska strukturen hos lehfilcon A CL ger överlägsna ytegenskaper som förbättrat vätnings- och nedsmutsningsförebyggande, ökad smörjbarhet och minskad cell- och bakterievidhäftning15,16.Dessutom tyder användningen och utvecklingen av detta biomimetiska material också på ytterligare expansion till andra biomedicinska anordningar.Därför är det avgörande att karakterisera ytegenskaperna hos detta ultramjuka material och förstå dess mekaniska interaktion med ögat för att skapa en omfattande kunskapsbas för att stödja framtida utvecklingar och tillämpningar.De flesta kommersiellt tillgängliga SiHy-kontaktlinser är sammansatta av en homogen blandning av hydrofila och hydrofoba polymerer som bildar en enhetlig materialstruktur17.Flera studier har genomförts för att undersöka deras mekaniska egenskaper med hjälp av traditionella kompressions-, drag- och mikroindragningstestmetoder18,19,20,21.Den nya biomimetiska designen av lehfilcon A CL gör det emellertid till ett unikt heterogent material där de mekaniska egenskaperna hos de grenade polymerborststrukturerna skiljer sig väsentligt från de hos SiHy-bassubstratet.Därför är det mycket svårt att exakt kvantifiera dessa egenskaper med konventionella metoder och indragningsmetoder.En lovande metod använder testmetoden för nanoindentation implementerad i atomkraftmikroskopi (AFM), en metod som har använts för att bestämma de mekaniska egenskaperna hos mjuka viskoelastiska material som biologiska celler och vävnader, samt mjuka polymerer22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Inom AFM nanoindentation kombineras grunderna för nanoindentationstestning med de senaste framstegen inom AFM-teknik för att ge ökad mätkänslighet och testning av ett brett utbud av i sig supermjuka material31,32,33,34,35,36.Dessutom erbjuder tekniken andra viktiga fördelar genom användning av olika geometrier.indenter och sond samt möjlighet att testa i olika flytande media.
AFM nanoindentation kan villkorligt delas in i tre huvudkomponenter: (1) utrustning (sensorer, detektorer, sonder, etc.);(2) mätparametrar (såsom kraft, förskjutning, hastighet, rampstorlek, etc.);(3) Databehandling (baslinjekorrigering, beröringspunktsuppskattning, dataanpassning, modellering, etc.).Ett betydande problem med denna metod är att flera studier i litteraturen som använder AFM nanoindentation rapporterar mycket olika kvantitativa resultat för samma prov/cell/materialtyp37,38,39,40,41.Till exempel har Lekka et al.Inverkan av AFM-probgeometri på den uppmätta Youngs modul av prover av mekaniskt homogena hydrogel och heterogena celler studerades och jämfördes.De rapporterar att modulvärden är starkt beroende av val av fribärare och spetsform, med det högsta värdet för en pyramidformad sond och det lägsta värdet på 42 för en sfärisk sond.På liknande sätt har Selhuber-Unkel et al.Det har visats hur indenterhastigheten, indenterstorleken och tjockleken av polyakrylamid (PAAM) prover påverkar Youngs modul mätt med ACM43 nanoindentation.En annan komplicerande faktor är bristen på standardtestmaterial med extremt låg modul och fria testprocedurer.Detta gör det mycket svårt att få exakta resultat med tillförsikt.Metoden är dock mycket användbar för relativa mätningar och jämförande utvärderingar mellan liknande provtyper, till exempel med hjälp av AFM nanoindentation för att skilja normala celler från cancerceller 44, 45.
Vid testning av mjuka material med AFM nanoindentation är en allmän tumregel att använda en sond med en låg fjäderkonstant (k) som stämmer överens med provmodulen och en halvsfärisk/rund spets så att den första sonden inte tränger igenom provytorna på första kontakten med mjuka material.Det är också viktigt att avböjningssignalen som genereras av sonden är tillräckligt stark för att detekteras av laserdetektorsystemet24,34,46,47.När det gäller ultramjuka heterogena celler, vävnader och geler är en annan utmaning att övervinna den adhesiva kraften mellan sonden och provytan för att säkerställa reproducerbara och tillförlitliga mätningar48,49,50.Fram till nyligen har det mesta arbetet med AFM nanoindentation fokuserat på studiet av det mekaniska beteendet hos biologiska celler, vävnader, geler, hydrogeler och biomolekyler med hjälp av relativt stora sfäriska prober, vanligtvis kallade kolloidala prober (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Dessa spetsar har en radie på 1 till 50 µm och är vanligtvis gjorda av borosilikatglas, polymetylmetakrylat (PMMA), polystyren (PS), kiseldioxid (SiO2) och diamant- som kol (DLC).Även om CP-AFM nanoindentation ofta är förstahandsvalet för karakterisering av mjukt prov, har det sina egna problem och begränsningar.Användningen av stora sfäriska spetsar i mikron ökar spetsens totala kontaktyta med provet och resulterar i en betydande förlust av rumslig upplösning.För mjuka, inhomogena exemplar, där de mekaniska egenskaperna hos lokala element kan skilja sig avsevärt från genomsnittet över ett större område, kan CP-intryckning dölja eventuell inhomogenitet i egenskaper på lokal skala52.Kolloidala sonder tillverkas vanligtvis genom att fästa mikronstora kolloidala sfärer på spetslösa konsoler med hjälp av epoxilim.Själva tillverkningsprocessen är fylld med många problem och kan leda till inkonsekvenser i sondkalibreringsprocessen.Dessutom påverkar storleken och massan av kolloidala partiklar direkt de huvudsakliga kalibreringsparametrarna för fribäraren, såsom resonansfrekvens, fjäderstyvhet och avböjningskänslighet56,57,58.Således kanske vanliga metoder för konventionella AFM-sonder, såsom temperaturkalibrering, inte ger en exakt kalibrering för CP, och andra metoder kan krävas för att utföra dessa korrigeringar57, 59, 60, 61. Typiska CP-intryckningsexperiment använder stora avvikelser fribärande för att studera egenskaperna hos mjuka prover, vilket skapar ytterligare ett problem vid kalibrering av konsolens icke-linjära beteende vid relativt stora avvikelser62,63,64.Moderna metoder för indragning av kolloidal sond tar vanligtvis hänsyn till geometrin hos den fribärare som används för att kalibrera sonden, men ignorerar påverkan av kolloidala partiklar, vilket skapar ytterligare osäkerhet i metodens noggrannhet38,61.På liknande sätt är elasticitetsmoduler som beräknas genom kontaktmodellpassning direkt beroende av geometrin hos fördjupningsproben, och oöverensstämmelse mellan spets- och provytegenskaper kan leda till felaktigheter27, 65, 66, 67, 68. Några nyare arbeten av Spencer et al.De faktorer som bör beaktas när man karakteriserar mjuka polymerborstar med CP-AFM nanoindentationsmetoden är belysta.De rapporterade att kvarhållandet av en viskös vätska i polymerborstar som en funktion av hastigheten resulterar i en ökning av huvudbelastningen och följaktligen olika mätningar av hastighetsberoende egenskaper30,69,70,71.
I denna studie har vi karakteriserat ytmodulen för det ultramjuka högelastiska materialet lehfilcon A CL med hjälp av en modifierad AFM-nanoindentationsmetod.Med tanke på egenskaperna och den nya strukturen hos detta material är känslighetsintervallet för den traditionella indragningsmetoden helt klart otillräckligt för att karakterisera modulen för detta extremt mjuka material, så det är nödvändigt att använda en AFM nanoindenteringsmetod med högre känslighet och lägre känslighet.nivå.Efter att ha granskat bristerna och problemen med befintliga tekniker för kolloidal AFM-sonds nanoindentation, visar vi varför vi valde en mindre, specialdesignad AFM-sond för att eliminera känslighet, bakgrundsljud, exakt kontaktpunkt, mäta hastighetsmodulen för mjuka heterogena material som vätskeretention beroende.och korrekt kvantifiering.Dessutom kunde vi noggrant mäta formen och dimensionerna på fördjupningsspetsen, vilket gjorde det möjligt för oss att använda kon-sfärmodellen för att bestämma elasticitetsmodulen utan att bedöma spetsens kontaktyta med materialet.De två implicita antagandena som kvantifieras i detta arbete är de helt elastiska materialegenskaperna och den indragningsdjupoberoende modulen.Med denna metod testade vi först ultramjuka standarder med en känd modul för att kvantifiera metoden och använde sedan denna metod för att karakterisera ytorna på två olika kontaktlinsmaterial.Denna metod för att karakterisera AFM nanoindentationsytor med ökad känslighet förväntas vara tillämpbar på ett brett utbud av biomimetiska heterogena ultramjuka material med potentiell användning i medicinsk utrustning och biomedicinska applikationer.
Lehfilcon A-kontaktlinser (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) och deras silikonhydrogelsubstrat valdes för nanoindentationsexperiment.Ett specialdesignat linsfäste användes i experimentet.För att installera linsen för testning, placerades den försiktigt på det kupolformade stativet, för att säkerställa att inga luftbubblor kom in, och fixerades sedan med kanterna.Ett hål i fixturen längst upp på linshållaren ger tillgång till linsens optiska centrum för nanoindentationsexperiment samtidigt som vätskan hålls på plats.Detta håller linserna helt återfuktade.500 μl kontaktlinsförpackningslösning användes som testlösning.För att verifiera de kvantitativa resultaten framställdes kommersiellt tillgängliga icke-aktiverad polyakrylamid (PAAM) hydrogeler från en polyakrylamid-sam-metylen-bisakrylamidkomposition (100 mm Petrisoft Petri-skålar, Matrigen, Irvine, CA, USA), en känd elasticitetsmodul på 1 kPa.Använd 4-5 droppar (cirka 125 µl) fosfatbuffrad saltlösning (PBS från Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) och 1 droppe OPTI-FREE Puremoist kontaktlinslösning (Alcon, Vaud, TX, USA).) vid AFM-hydrogel-sondgränssnittet.
Prover av Lehfilcon A CL- och SiHy-substrat visualiserades med användning av ett FEI Quanta 250 fältemissionsscanningselektronmikroskopsystem (FEG SEM) utrustat med en skanningstransmissionselektronmikroskopdetektor (STEM).För att förbereda proverna tvättades linserna först med vatten och skars i pajformade klyftor.För att uppnå en differentiell kontrast mellan de hydrofila och hydrofoba komponenterna i proverna användes en 0,10 % stabiliserad lösning av RuO4 som färgämne, i vilken proverna nedsänktes i 30 minuter.Lehfilcon A CL RuO4-färgningen är viktig inte bara för att uppnå förbättrad differentialkontrast, utan hjälper också till att bevara strukturen hos de grenade polymerborstarna i sin ursprungliga form, som sedan syns på STEM-bilder.De tvättades sedan och dehydratiserades i en serie etanol/vattenblandningar med ökande etanolkoncentration.Proverna göts sedan med EMBed 812/Araldite-epoxi, som härdade över natten vid 70°C.Provblock erhållna genom hartspolymerisation skars med en ultramikrotom, och de resulterande tunna sektionerna visualiserades med en STEM-detektor i lågvakuumläge vid en accelererande spänning på 30 kV.Samma SEM-system användes för detaljerad karakterisering av PFQNM-LC-A-CAL AFM-sonden (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).SEM-bilder av AFM-sonden erhölls i ett typiskt högvakuumläge med en accelererande spänning på 30 kV.Skaffa bilder i olika vinklar och förstoringar för att registrera alla detaljer om formen och storleken på AFM-probspetsen.Alla spetsdimensioner av intresse i bilderna mättes digitalt.
Ett Dimension FastScan Bio Icon atomic force-mikroskop (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) med "PeakForce QNM in Fluid"-läge användes för att visualisera och nanoindentera lehfilcon A CL, SiHy-substrat och PAAm-hydrogelprover.För avbildningsexperiment användes en PEAKFORCE-HIRS-FA-sond (Bruker) med en nominell spetsradie på 1 nm för att fånga högupplösta bilder av provet med en skanningshastighet på 0,50 Hz.Alla bilder togs i vattenlösning.
AFM nanoindentationsexperiment utfördes med en PFQNM-LC-A-CAL-sond (Bruker).AFM-sonden har en kiselspets på en nitrid fribärande 345 nm tjock, 54 µm lång och 4,5 µm bred med en resonansfrekvens på 45 kHz.Den är speciellt utformad för att karakterisera och utföra kvantitativa nanomekaniska mätningar på mjuka biologiska prover.Givarna är individuellt kalibrerade på fabriken med förkalibrerade fjäderinställningar.Fjäderkonstanterna för sonderna som användes i denna studie låg i intervallet 0,05–0,1 N/m.För att exakt bestämma formen och storleken på spetsen karakteriserades sonden i detalj med hjälp av SEM.På fig.Figur 1a visar ett svepelektronmikrofotografi med hög upplösning och låg förstoring av PFQNM-LC-A-CAL-sonden, vilket ger en holistisk bild av sondens design.På fig.1b visar en förstorad vy av toppen av sondens spets, vilket ger information om formen och storleken på spetsen.I den yttersta änden är nålen en halvklot ca 140 nm i diameter (fig. 1c).Under detta avsmalnar spetsen till en konisk form och når en uppmätt längd på cirka 500 nm.Utanför det avsmalnande området är spetsen cylindrisk och slutar i en total spetslängd på 1,18 µm.Detta är den huvudsakliga funktionella delen av sondspetsen.Dessutom användes en stor sfärisk polystyren (PS)-sond (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) med en spetsdiameter på 45 µm och en fjäderkonstant på 2 N/m för testning som en kolloidal sond.med PFQNM-LC-A-CAL 140 nm sond för jämförelse.
Det har rapporterats att vätska kan fångas mellan AFM-sonden och polymerborstens struktur under nanoindentation, vilket kommer att utöva en uppåtriktad kraft på AFM-sonden innan den faktiskt vidrör ytan69.Denna viskösa extruderingseffekt på grund av vätskeretention kan ändra den skenbara kontaktpunkten och därigenom påverka ytmodulmätningarna.För att studera effekten av sondgeometri och intryckningshastighet på vätskeretention ritades intryckningskraftkurvor för lehfilcon A CL-prover med användning av en sond med en diameter på 140 nm vid konstanta förskjutningshastigheter på 1 µm/s och 2 µm/s.sonddiameter 45 µm, fast kraftinställning 6 nN uppnådd vid 1 µm/s.Experiment med en sond 140 nm i diameter utfördes med en intryckningshastighet på 1 µm/s och en inställd kraft på 300 pN, vald för att skapa ett kontakttryck inom det fysiologiska området (1–8 kPa) för det övre ögonlocket.tryck 72. Mjuka färdiga prover av PAA-hydrogel med ett tryck på 1 kPa testades för en intryckningskraft på 50 pN med en hastighet av 1 μm/s med hjälp av en sond med en diameter på 140 nm.
Eftersom längden på den koniska delen av spetsen av PFQNM-LC-A-CAL-sonden är ungefär 500 nm, för varje intryckningsdjup < 500 nm kan man säkert anta att sondens geometri under intryckningen kommer att förbli trogen sin konform.Dessutom antas det att ytan på materialet som testas kommer att uppvisa en reversibel elastisk respons, vilket också kommer att bekräftas i följande avsnitt.Därför, beroende på formen och storleken på spetsen, valde vi kon-sfärens passningsmodell utvecklad av Briscoe, Sebastian och Adams, som finns tillgänglig i leverantörens mjukvara, för att bearbeta våra AFM nanoindentationsexperiment (NanoScope).Separationsdataanalysmjukvara, Bruker) 73. Modellen beskriver kraft-förskjutningsförhållandet F(δ) för en kon med en sfärisk spetsdefekt.På fig.Figur 2 visar kontaktgeometrin under interaktionen av en stel kon med en sfärisk spets, där R är radien för den sfäriska spetsen, a är kontaktradien, b är kontaktradien i änden av den sfäriska spetsen, δ är kontaktradie.indragningsdjup, θ är konens halva vinkel.SEM-bilden av denna sond visar tydligt att den sfäriska spetsen med en diameter på 140 nm övergår tangentiellt till en kon, så här definieras b endast genom R, dvs b = R cos θ.Den leverantörslevererade programvaran tillhandahåller ett kon-sfär-förhållande för att beräkna Youngs modul (E)-värden från kraftseparationsdata under antagande av a > b.Relation:
där F är intryckningskraften, E är Youngs modul, ν är Poissons förhållande.Kontaktradien a kan uppskattas med:
Schema för kontaktgeometrin för en stel kon med en sfärisk spets pressad in i materialet i en Lefilcon-kontaktlins med ett ytskikt av grenade polymerborstar.
Om a ≤ b reduceras relationen till ekvationen för en konventionell sfärisk indenter;
Vi tror att interaktionen mellan indragningssonden och den grenade strukturen hos PMPC-polymerborsten kommer att göra att kontaktradien a blir större än den sfäriska kontaktradien b.Därför, för alla kvantitativa mätningar av elasticitetsmodulen utförda i denna studie, använde vi beroendet som erhölls för fallet a > b.
De ultramjuka biomimetiska materialen som studerades i denna studie avbildades omfattande med användning av skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) av provets tvärsnitt och atomkraftsmikroskopi (AFM) av ytan.Denna detaljerade ytkarakterisering utfördes som en förlängning av vårt tidigare publicerade arbete, där vi fastställde att den dynamiskt grenade polymera borststrukturen hos den PMPC-modifierade lehfilcon A CL-ytan uppvisade liknande mekaniska egenskaper som naturlig hornhinnevävnad 14 .Av denna anledning hänvisar vi till kontaktlinsytor som biomimetiska material14.På fig.Fig. 3a,b visar tvärsnitt av grenade PMPC-polymerborststrukturer på ytan av ett lehfilcon A CL-substrat respektive ett obehandlat SiHy-substrat.Ytorna på båda proverna analyserades ytterligare med högupplösta AFM-bilder, vilket ytterligare bekräftade resultaten av STEM-analysen (Fig. 3c, d).Sammantaget ger dessa bilder en ungefärlig längd på PMPC-polymerborstens struktur vid 300–400 nm, vilket är avgörande för att tolka AFM-nanoindentationsmätningar.En annan nyckelobservation som härrör från bilderna är att den övergripande ytstrukturen hos det biomimetiska CL-materialet är morfologiskt annorlunda än det för SiHy-substratmaterialet.Denna skillnad i deras ytmorfologi kan bli uppenbar under deras mekaniska interaktion med den indragande AFM-sonden och därefter i de uppmätta modulvärdena.
Tvärsnitts STEM-bilder av (a) lehfilcon A CL och (b) SiHy-substrat.Skalstång, 500 nm.AFM-bilder av ytan av lehfilcon A CL-substratet (c) och basen av SiHy-substratet (d) (3 µm × 3 µm).
Bioinspirerade polymerer och polymerborststrukturer är i sig mjuka och har studerats brett och använts i olika biomedicinska tillämpningar74,75,76,77.Därför är det viktigt att använda AFM-nanoindentationsmetoden, som exakt och tillförlitligt kan mäta deras mekaniska egenskaper.Men samtidigt gör de unika egenskaperna hos dessa ultramjuka material, såsom extremt låg elasticitetsmodul, högt vätskeinnehåll och hög elasticitet, det ofta svårt att välja rätt material, form och form på indragssonden.storlek.Detta är viktigt så att indentern inte tränger igenom den mjuka ytan av provet, vilket skulle leda till fel vid bestämning av kontaktpunkten med ytan och kontaktområdet.
För detta är en omfattande förståelse av morfologin hos ultramjuka biomimetiska material (lehfilcon A CL) väsentlig.Information om storleken och strukturen på de grenade polymerborstarna som erhålls med hjälp av bildbehandlingsmetoden utgör grunden för den mekaniska karakteriseringen av ytan med hjälp av AFM nanoindentationstekniker.Istället för mikronstora sfäriska kolloidala sonder valde vi PFQNM-LC-A-CAL kiselnitridprob (Bruker) med en spetsdiameter på 140 nm, speciellt utformad för kvantitativ kartläggning av de mekaniska egenskaperna hos biologiska prover 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Skälet för att använda relativt skarpa sonder jämfört med konventionella kolloidala sonder kan förklaras av materialets strukturella egenskaper.Om man jämför sondspetsens storlek (~140 nm) med de grenade polymerborstarna på ytan av CL lehfilcon A, som visas i fig. 3a, kan man dra slutsatsen att spetsen är tillräckligt stor för att komma i direkt kontakt med dessa borststrukturer, vilket minskar risken för att spetsen tränger igenom dem.För att illustrera denna punkt är i fig. 4 en STEM-bild av lehfilcon A CL och den indragna spetsen på AFM-sonden (ritad i skala).
Schematisk bild som visar STEM-bild av lehfilcon A CL och en ACM-intryckningssond (ritad i skala).
Dessutom är spetsstorleken 140 nm tillräckligt liten för att undvika risken för någon av de klibbiga extruderingseffekterna som tidigare rapporterats för polymerborstar producerade med CP-AFM nanoindentationsmetoden69,71.Vi antar att på grund av den speciella konsfäriska formen och den relativt lilla storleken på denna AFM-spets (Fig. 1), kommer karaktären av kraftkurvan som genereras av lehfilcon A CL nanointryckning inte att bero på intryckningshastigheten eller lastnings-/avlastningshastigheten .Därför påverkas den inte av porelastiska effekter.För att testa denna hypotes indragades lehfilcon A CL-prover med en fast maximal kraft med hjälp av en PFQNM-LC-A-CAL-sond, men med två olika hastigheter, och de resulterande drag- och indragningskraftskurvorna användes för att plotta kraften (nN) i separation (µm) visas i figur 5a.Det är tydligt att kraftkurvorna under lastning och lossning helt överlappar varandra, och det finns inga tydliga bevis för att kraftskjuvningen vid noll intryckningsdjup ökar med intryckningshastigheten i figuren, vilket tyder på att de enskilda borstelementen karakteriserades utan en porelastisk effekt.Däremot är vätskeretentionseffekter (viskösa extruderings- och porelasticitetseffekter) uppenbara för AFM-sonden med 45 µm diameter vid samma intryckningshastighet och framhävs av hysteresen mellan sträcknings- och indragskurvorna, som visas i figur 5b.Dessa resultat stöder hypotesen och tyder på att 140 nm diameter sonder är ett bra val för att karakterisera sådana mjuka ytor.
lehfilcon A CL intryckningskraftkurvor med ACM;(a) Användning av en sond med en diameter av 140 nm vid två laddningshastigheter, vilket visar frånvaron av en porelastisk effekt under ytintryckning;(b) med användning av sonder med en diameter på 45 µm och 140 nm.s visar effekterna av viskös extrudering och porelasticitet för stora prober jämfört med mindre prober.
För att karakterisera ultramjuka ytor måste AFM nanoindentationsmetoder ha den bästa sonden för att studera egenskaperna hos materialet som studeras.Förutom spetsformen och storleken spelar känsligheten hos AFM-detektorsystemet, känsligheten för spetsböjning i testmiljön och fribärande styvhet en viktig roll för att bestämma noggrannheten och tillförlitligheten av nanointryckning.mätningar.För vårt AFM-system är detektionsgränsen för positionskänslig detektor (PSD) cirka 0,5 mV och baseras på den förkalibrerade fjäderhastigheten och den beräknade vätskeavböjningskänsligheten för PFQNM-LC-A-CAL-sonden, vilket motsvarar teoretisk belastningskänslighet.är mindre än 0,1 pN.Därför tillåter denna metod mätning av en minsta intryckningskraft ≤ 0,1 pN utan någon perifert bruskomponent.Det är dock nästan omöjligt för ett AFM-system att reducera perifert buller till denna nivå på grund av faktorer som mekaniska vibrationer och vätskedynamik.Dessa faktorer begränsar den övergripande känsligheten hos AFM nanoindentationsmetoden och resulterar också i en bakgrundsbrussignal på ungefär ≤ 10 pN.För ytkarakterisering indragades lehfilcon A CL- och SiHy-substratprover under helt hydratiserade förhållanden med användning av en 140 nm-sond för SEM-karakterisering, och de resulterande kraftkurvorna överlagrades mellan kraft (pN) och tryck.Separationsdiagrammet (µm) visas i figur 6a.Jämfört med SiHy-bassubstratet visar lehfilcon A CL-kraftkurvan tydligt en övergångsfas som börjar vid kontaktpunkten med den gaffelformade polymerborsten och slutar med en skarp förändring i lutningsmarkeringskontakten mellan spetsen och det underliggande materialet.Denna övergångsdel av kraftkurvan framhäver det verkligt elastiska beteendet hos den grenade polymerborsten på ytan, vilket framgår av kompressionskurvan som följer spänningskurvan och kontrasten i mekaniska egenskaper mellan borststrukturen och skrymmande SiHy-material.När man jämför lefilcon.Separation av medellängden av en grenad polymerborste i STEM-bilden av PCS (fig. 3a) och dess kraftkurva längs abskissan i fig. 3a.6a visar att metoden kan detektera spetsen och den grenade polymeren som når toppen av ytan.Kontakt mellan borststrukturer.Dessutom indikerar tät överlappning av kraftkurvorna ingen vätskeretentionseffekt.I det här fallet finns det absolut ingen vidhäftning mellan nålen och ytan på provet.De översta sektionerna av kraftkurvorna för de två proverna överlappar varandra, vilket återspeglar likheten mellan de mekaniska egenskaperna hos substratmaterialen.
(a) AFM nanoindentationskraftkurvor för lehfilcon A CL-substrat och SiHy-substrat, (b) kraftkurvor som visar kontaktpunktsuppskattning med användning av bakgrundsbrus-tröskelmetoden.
För att studera de finare detaljerna i kraftkurvan, ritas spänningskurvan för lehfilcon A CL-provet om i fig. 6b med en maximal kraft på 50 pN längs y-axeln.Denna graf ger viktig information om det ursprungliga bakgrundsljudet.Bruset ligger inom intervallet ±10 pN, vilket används för att exakt bestämma kontaktpunkten och beräkna intryckningsdjupet.Som rapporterats i litteraturen är identifieringen av kontaktpunkter avgörande för att korrekt bedöma materialegenskaper såsom modul85.Ett tillvägagångssätt som involverar automatisk bearbetning av kraftkurvdata har visat en förbättrad anpassning mellan dataanpassning och kvantitativa mätningar för mjuka material86.I detta arbete är vårt val av kontaktpunkter relativt enkelt och objektivt, men det har sina begränsningar.Vårt konservativa tillvägagångssätt för att bestämma kontaktpunkten kan resultera i något överskattade modulvärden för mindre intryckningsdjup (< 100 nm).Användningen av algoritmbaserad beröringspunktsdetektering och automatiserad databehandling kan vara en fortsättning på detta arbete i framtiden för att ytterligare förbättra vår metod.Sålunda, för inneboende bakgrundsbrus i storleksordningen ±10 pN, definierar vi kontaktpunkten som den första datapunkten på x-axeln i figur 6b med ett värde på ≥10 pN.Sedan, i enlighet med bruströskeln på 10 pN, markerar en vertikal linje på nivån ~0,27 µm kontaktpunkten med ytan, varefter sträckningskurvan fortsätter tills substratet når intryckningsdjupet på ~270 nm.Intressant nog, baserat på storleken på de grenade polymerborstegenskaperna (300–400 nm) mätt med bildbehandlingsmetoden, är intryckningsdjupet för CL lehfilcon. Ett prov som observerats med hjälp av bakgrundsbrus-tröskelmetoden cirka 270 nm, vilket är mycket nära mätstorleken med STEM.Dessa resultat bekräftar ytterligare kompatibiliteten och tillämpbarheten av formen och storleken på AFM-probspetsen för fördjupning av denna mycket mjuka och mycket elastiska grenade polymerborststruktur.Dessa data ger också starka bevis för att stödja vår metod att använda bakgrundsljud som en tröskel för att lokalisera kontaktpunkter.Således bör alla kvantitativa resultat som erhålls från matematisk modellering och kraftkurvanpassning vara relativt exakta.
Kvantitativa mätningar med AFM nanoindentationsmetoder är helt beroende av de matematiska modeller som används för dataurval och efterföljande analys.Därför är det viktigt att överväga alla faktorer relaterade till valet av indenter, materialegenskaper och mekaniken för deras interaktion innan du väljer en viss modell.I det här fallet karakteriserades spetsgeometrin noggrant med hjälp av SEM-mikrografer (Fig. 1), och baserat på resultaten är AFM nanoindenting-sonden med en diameter på 140 nm med en hård kon och sfärisk spetsgeometri ett bra val för att karakterisera lehfilcon A CL79-prover .En annan viktig faktor som måste utvärderas noggrant är elasticiteten hos polymermaterialet som testas.Även om de initiala uppgifterna för nanointryckning (fig. 5a och 6a) tydligt beskriver egenskaperna hos överlappningen av spännings- och kompressionskurvorna, dvs. den fullständiga elastiska återhämtningen av materialet, är det extremt viktigt att bekräfta kontakternas rent elastiska karaktär. .För detta ändamål utfördes två på varandra följande intryckningar på samma plats på ytan av lehfilcon A CL-provet med en intryckningshastighet av 1 µm/s under betingelser för full hydratisering.Den resulterande kraftkurvans data visas i fig.7 och, som förväntat, är expansions- och kompressionskurvorna för de två trycken nästan identiska, vilket framhäver den höga elasticiteten hos den grenade polymerborstens struktur.
Två intryckningskraftkurvor på samma plats på ytan av lehfilcon A CL indikerar den ideala elasticiteten hos linsytan.
Baserat på information erhållen från SEM- och STEM-bilder av probespetsen respektive lehfilcon A CL-ytan är kon-sfärmodellen en rimlig matematisk representation av interaktionen mellan AFM-probspetsen och det mjuka polymermaterialet som testas.Dessutom, för denna kon-sfärmodell, gäller de grundläggande antagandena om de elastiska egenskaperna hos det präglade materialet för detta nya biomimetiska material och används för att kvantifiera elasticitetsmodulen.
Efter en omfattande utvärdering av AFM-nanoindentationsmetoden och dess komponenter, inklusive egenskaper för intryckningssond (form, storlek och fjäderstyvhet), känslighet (uppskattning av bakgrundsljud och kontaktpunkt) och dataanpassningsmodeller (kvantitativa modulmätningar), var metoden Begagnade.karakterisera kommersiellt tillgängliga ultramjuka prover för att verifiera kvantitativa resultat.En kommersiell polyakrylamid (PAAM) hydrogel med en elasticitetsmodul på 1 kPa testades under hydratiserade betingelser med användning av en 140 nm sond.Detaljer om modultestning och beräkningar finns i den kompletterande informationen.Resultaten visade att den uppmätta medelmodulen var 0,92 kPa, och %RSD och procentuell (%) avvikelse från den kända modulen var mindre än 10 %.Dessa resultat bekräftar noggrannheten och reproducerbarheten hos AFM nanoindentationsmetoden som används i detta arbete för att mäta modulerna för ultramjuka material.Ytorna på lehfilcon A CL-proverna och SiHy-bassubstratet karakteriserades ytterligare med användning av samma AFM-nanoindentationsmetod för att studera den skenbara kontaktmodulen för den ultramjuka ytan som en funktion av intryckningsdjupet.Separationskurvor för intryckningskraft genererades för tre prover av varje typ (n = 3; en fördjupning per prov) vid en kraft av 300 pN, en hastighet av 1 µm/s och full hydratisering.Intryckningskraftsdelningskurvan approximerades med användning av en kon-sfärmodell.För att erhålla modul beroende på intryckningsdjup, sattes en 40 nm bred del av kraftkurvan vid varje steg om 20 nm med början från kontaktpunkten, och uppmätta värden på modulen vid varje steg av kraftkurvan.Spin Cy et al.Ett liknande tillvägagångssätt har använts för att karakterisera modulgradienten för poly(laurylmetakrylat) (P12MA) polymerborstar med kolloidal AFM-sondsnanoindentation, och de överensstämmer med data som använder Hertz-kontaktmodellen.Detta tillvägagångssätt tillhandahåller ett diagram av skenbar kontaktmodul (kPa) kontra indragningsdjup (nm), som visas i figur 8, som illustrerar den skenbara kontaktmodulen/djupgradienten.Den beräknade elasticitetsmodulen för CL lehfilcon A-provet ligger i intervallet 2–3 kPa inom de övre 100 nm av provet, bortom vilken den börjar öka med djupet.Å andra sidan, när man testar SiHy-bassubstratet utan en borstliknande film på ytan, är det maximala intryckningsdjupet som uppnås vid en kraft på 300 pN mindre än 50 nm, och modulvärdet som erhålls från data är cirka 400 kPa , vilket är jämförbart med värdena för Youngs modul för bulkmaterial.
Skenbar kontaktmodul (kPa) kontra indragningsdjup (nm) för lehfilcon A CL- och SiHy-substrat med användning av AFM-nanoindentationsmetod med kon-sfärgeometri för att mäta modul.
Den översta ytan av den nya biomimetiska grenade polymerborstens struktur uppvisar en extremt låg elasticitetsmodul (2–3 kPa).Detta kommer att matcha den fritt hängande änden av den gaffelformade polymerborsten som visas i STEM-bilden.Även om det finns vissa bevis på en modulgradient vid den yttre kanten av CL, är det huvudsakliga högmodulsubstratet mer inflytelserik.De översta 100 nm av ytan är dock inom 20 % av den totala längden av den grenade polymerborsten, så det är rimligt att anta att de uppmätta värdena för modulen i detta intryckningsdjupintervall är relativt exakta och inte starkt beror på effekten av bottenobjektet.
På grund av den unika biomimetiska designen av lehfilcon A-kontaktlinser, bestående av grenade PMPC-polymerborststrukturer ympade på ytan av SiHy-substrat, är det mycket svårt att tillförlitligt karakterisera de mekaniska egenskaperna hos deras ytstrukturer med traditionella mätmetoder.Här presenterar vi en avancerad AFM nanoindentationsmetod för att noggrant karakterisera ultramjuka material som lefilcon A med hög vattenhalt och extremt hög elasticitet.Denna metod är baserad på användningen av en AFM-sond vars spetsstorlek och geometri är noggrant utvalda för att matcha de strukturella dimensionerna hos de ultramjuka ytegenskaperna som ska tryckas.Denna kombination av dimensioner mellan sond och struktur ger ökad känslighet, vilket gör att vi kan mäta den låga modulen och de inneboende elastiska egenskaperna hos grenade polymerborstelement, oavsett porelastiska effekter.Resultaten visade att de unika grenade PMPC-polymerborstarna som är karakteristiska för linsytan hade en extremt låg elasticitetsmodul (upp till 2 kPa) och mycket hög elasticitet (nästan 100%) när de testades i en vattenhaltig miljö.Resultaten av AFM nanoindentation tillät oss också att karakterisera den skenbara kontaktmodulen/djupgradienten (30 kPa/200 nm) för den biomimetiska linsens yta.Denna gradient kan bero på modulskillnaden mellan de grenade polymerborstarna och SiHy-substratet, eller den grenade strukturen/densiteten hos polymerborstarna, eller en kombination därav.Det behövs dock ytterligare djupgående studier för att till fullo förstå sambandet mellan struktur och egenskaper, särskilt effekten av borstförgrening på mekaniska egenskaper.Liknande mätningar kan hjälpa till att karakterisera de mekaniska egenskaperna hos ytan hos andra ultramjuka material och medicintekniska produkter.
Datauppsättningar som genereras och/eller analyseras under den aktuella studien är tillgängliga från respektive författare på rimlig begäran.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. och Haugen, HJ Biologiska reaktioner på fysikaliska och kemiska egenskaper hos ytor av biomaterial.Kemisk.samhälle.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM och Liu, X. Förbättring av mänskligt härledda biomaterial för vävnadsteknik.programmering.polymer.vetenskapen.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Design, klinisk implementering och immunsvar av biomaterial i regenerativ medicin.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK och Farr GM En förbättrad metod för att bestämma hårdhet och elasticitetsmodul med hjälp av intryckningsexperiment med belastnings- och förskjutningsmätningar.J. Alma mater.lagringstank.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Historiskt ursprung för testning av indragshårdhet.alma mater.vetenskapen.tekniker.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Indrag hårdhetsmätningar på makro-, mikro- och nanoskala: en kritisk granskning.stam.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD och Clapperich, SM Ytdetekteringsfel leder till modulöverskattning vid nanointryckning av mjuka material.J. Mecha.Beteende.Biomedicinsk vetenskap.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR och Yahya M.Yu.Utvärdering av nanoindentationsmetoden för att bestämma de mekaniska egenskaperna hos heterogena nanokompositer med hjälp av experimentella och beräkningsmetoder.vetenskapen.Hus 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR och Owart, TS Mekanisk karakterisering av mjuka viskoelastiska geler genom indragning och optimeringsbaserad analys av omvänd finita element.J. Mecha.Beteende.Biomedicinsk vetenskap.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J och Chaneler D. Optimering av viskoelasticitetsbestämning med hjälp av kompatibla mätsystem.Soft Matter 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. och Pellillo, E. Nanoindentation av polymera ytor.J. Physics.D. Ansök till fysik.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. och Van Vliet KJ Karakterisering av viskoelastiska mekaniska egenskaper hos högelastiska polymerer och biologiska vävnader med hjälp av stötintryck.Journal of Biomaterials.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Utvärdering av elasticitetsmodulen och vidhäftningsarbetet hos mjuka material med hjälp av den utökade Borodich-Galanov (BG) metoden och djup indragning.päls.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Nanoskala morfologi och mekaniska egenskaper av biomimetiska polymera ytor av silikon hydrogel kontaktlinser.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).