Terima kasih telah mengunjungi Alam.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau nonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk menelusuri tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di bagian akhir untuk menelusuri tiga slide sekaligus.
Dengan pengembangan bahan ultra-lunak baru untuk perangkat medis dan aplikasi biomedis, karakterisasi komprehensif dari sifat fisik dan mekaniknya menjadi penting dan menantang.Teknik nanoindentasi mikroskop gaya atom (AFM) yang dimodifikasi diterapkan untuk mengkarakterisasi modulus permukaan yang sangat rendah dari lehfilcon baru Lensa kontak hidrogel silikon biomimetik yang dilapisi dengan lapisan struktur sikat polimer bercabang.Metode ini memungkinkan penentuan titik kontak yang tepat tanpa efek ekstrusi kental saat mendekati polimer bercabang.Selain itu, memungkinkan untuk menentukan karakteristik mekanis elemen sikat individu tanpa efek poroelastisitas.Ini dicapai dengan memilih probe AFM dengan desain (ukuran ujung, geometri, dan laju pegas) yang sangat cocok untuk mengukur sifat bahan lunak dan sampel biologis.Metode ini meningkatkan sensitivitas dan akurasi untuk pengukuran yang akurat dari bahan lehfilcon A yang sangat lembut, yang memiliki modulus elastisitas sangat rendah pada luas permukaan (hingga 2 kPa) dan elastisitas sangat tinggi pada lingkungan berair internal (hampir 100%). .Hasil studi permukaan tidak hanya mengungkapkan sifat permukaan lensa lehfilcon A yang sangat lembut, tetapi juga menunjukkan bahwa modulus sikat polimer bercabang sebanding dengan modulus substrat silikon-hidrogen.Teknik karakterisasi permukaan ini dapat diterapkan pada bahan ultra-lunak dan perangkat medis lainnya.
Sifat mekanis bahan yang dirancang untuk kontak langsung dengan jaringan hidup seringkali ditentukan oleh lingkungan biologis.Kecocokan sempurna dari sifat material ini membantu mencapai karakteristik klinis yang diinginkan dari material tanpa menyebabkan respons seluler yang merugikan1,2,3.Untuk bahan homogen curah, karakterisasi sifat mekanik relatif mudah karena tersedianya prosedur standar dan metode uji (misalnya, microindentation4,5,6).Namun, untuk bahan ultra-lunak seperti gel, hidrogel, biopolimer, sel hidup, dll., metode pengujian ini umumnya tidak berlaku karena keterbatasan resolusi pengukuran dan ketidakhomogenan beberapa bahan7.Selama bertahun-tahun, metode indentasi tradisional telah dimodifikasi dan diadaptasi untuk mengkarakterisasi berbagai bahan lunak, tetapi banyak metode masih mengalami kekurangan serius yang membatasi penggunaannya8,9,10,11,12,13.Kurangnya metode pengujian khusus yang dapat secara akurat dan andal mengkarakterisasi sifat mekanik material supersoft dan lapisan permukaan sangat membatasi penggunaannya dalam berbagai aplikasi.
Dalam pekerjaan kami sebelumnya, kami memperkenalkan lensa kontak lehfilcon A (CL), bahan heterogen yang lembut dengan semua sifat permukaan ultra-lembut yang berasal dari desain berpotensi biomimetik yang terinspirasi oleh permukaan kornea mata.Biomaterial ini dikembangkan dengan mencangkokkan lapisan polimer poli(2-metakriloiloksietilfosforilkolin (MPC)) (PMPC) bercabang dan saling terkait silang ke dalam hidrogel silikon (SiHy) 15 yang dirancang untuk perangkat medis berdasarkan.Proses pencangkokan ini menciptakan lapisan pada permukaan yang terdiri dari struktur sikat polimer bercabang yang sangat lembut dan sangat elastis.Pekerjaan kami sebelumnya telah mengkonfirmasi bahwa struktur biomimetik lehfilcon A CL memberikan sifat permukaan yang unggul seperti peningkatan pencegahan pembasahan dan pengotoran, peningkatan pelumasan, dan pengurangan adhesi sel dan bakteri15,16.Selain itu, penggunaan dan pengembangan bahan biomimetik ini juga menunjukkan perluasan lebih lanjut ke perangkat biomedis lainnya.Oleh karena itu, sangat penting untuk mengkarakterisasi sifat permukaan dari bahan yang sangat lembut ini dan memahami interaksi mekanisnya dengan mata untuk menciptakan basis pengetahuan yang komprehensif untuk mendukung pengembangan dan aplikasi di masa depan.Sebagian besar lensa kontak SiHy yang tersedia secara komersial terdiri dari campuran homogen polimer hidrofilik dan hidrofobik yang membentuk struktur material yang seragam17.Beberapa penelitian telah dilakukan untuk menyelidiki sifat mekaniknya menggunakan metode uji kompresi, tarik dan mikroindentasi tradisional18,19,20,21.Namun, desain biomimetik baru dari lehfilcon A CL membuatnya menjadi bahan heterogen yang unik di mana sifat mekanik dari struktur sikat polimer bercabang berbeda secara signifikan dari substrat dasar SiHy.Oleh karena itu, sangat sulit untuk mengukur secara akurat sifat-sifat ini menggunakan metode konvensional dan indentasi.Metode yang menjanjikan menggunakan metode pengujian indentasi nano yang diimplementasikan dalam mikroskop kekuatan atom (AFM), metode yang telah digunakan untuk menentukan sifat mekanik bahan viskoelastik lunak seperti sel dan jaringan biologis, serta polimer lunak22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Dalam nanoindentasi AFM, dasar-dasar pengujian nanoindentasi digabungkan dengan kemajuan terbaru dalam teknologi AFM untuk memberikan peningkatan sensitivitas pengukuran dan pengujian berbagai bahan supersoft inheren31,32,33,34,35,36.Selain itu, teknologi ini menawarkan keunggulan penting lainnya melalui penggunaan geometri yang berbeda.indenter dan probe dan kemungkinan pengujian di berbagai media cair.
Nanoindentasi AFM dapat dibagi secara kondisional menjadi tiga komponen utama: (1) peralatan (sensor, detektor, probe, dll.);(2) parameter pengukuran (seperti gaya, perpindahan, kecepatan, ukuran tanjakan, dll.);(3) Pemrosesan data (koreksi baseline, estimasi titik sentuh, pemasangan data, pemodelan, dll.).Masalah yang signifikan dengan metode ini adalah bahwa beberapa penelitian dalam literatur menggunakan AFM nanoindentation melaporkan hasil kuantitatif yang sangat berbeda untuk jenis sampel/sel/bahan yang sama37,38,39,40,41.Misalnya, Lekka et al.Pengaruh geometri probe AFM pada modulus Young yang diukur dari sampel hidrogel homogen mekanis dan sel heterogen dipelajari dan dibandingkan.Mereka melaporkan bahwa nilai modulus sangat bergantung pada pemilihan kantilever dan bentuk ujung, dengan nilai tertinggi untuk probe berbentuk piramida dan nilai terendah 42 untuk probe berbentuk bola.Demikian pula, Selhuber-Unkel et al.Telah ditunjukkan bagaimana kecepatan indentor, ukuran indentor, dan ketebalan sampel poliakrilamida (PAAM) memengaruhi modulus Young yang diukur dengan nanoindentasi ACM43.Faktor lain yang menyulitkan adalah kurangnya bahan uji modulus sangat rendah standar dan prosedur uji gratis.Ini membuatnya sangat sulit untuk mendapatkan hasil yang akurat dengan percaya diri.Namun, metode ini sangat berguna untuk pengukuran relatif dan evaluasi komparatif antara jenis sampel yang serupa, misalnya menggunakan nanoindentasi AFM untuk membedakan sel normal dari sel kanker 44, 45 .
Saat menguji bahan lunak dengan nanoindentasi AFM, aturan umum adalah menggunakan probe dengan konstanta pegas rendah (k) yang sangat cocok dengan modulus sampel dan ujung setengah bola/bulat sehingga probe pertama tidak menembus permukaan sampel pada kontak pertama dengan bahan lunak.Juga penting agar sinyal defleksi yang dihasilkan oleh probe cukup kuat untuk dideteksi oleh sistem detektor laser24,34,46,47.Dalam kasus sel, jaringan, dan gel heterogen ultra-lunak, tantangan lain adalah untuk mengatasi kekuatan perekat antara probe dan permukaan sampel untuk memastikan pengukuran yang dapat direproduksi dan andal48,49,50.Sampai saat ini, sebagian besar pekerjaan pada nanoindentasi AFM berfokus pada studi tentang perilaku mekanis sel biologis, jaringan, gel, hidrogel, dan biomolekul menggunakan probe bola yang relatif besar, biasanya disebut sebagai probe koloid (CP)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Tip ini memiliki radius 1 hingga 50 µm dan umumnya terbuat dari kaca borosilikat, polimetil metakrilat (PMMA), polistirena (PS), silikon dioksida (SiO2) dan berlian- seperti karbon (DLC).Meskipun nanoindentasi CP-AFM sering menjadi pilihan pertama untuk karakterisasi sampel lunak, ia memiliki masalah dan keterbatasannya sendiri.Penggunaan ujung bola besar berukuran mikron meningkatkan area kontak total ujung dengan sampel dan mengakibatkan hilangnya resolusi spasial yang signifikan.Untuk spesimen yang lunak dan tidak homogen, di mana sifat mekanik elemen lokal mungkin berbeda secara signifikan dari rata-rata pada area yang lebih luas, lekukan CP dapat menyembunyikan ketidakhomogenan sifat pada skala lokal52.Probe koloid biasanya dibuat dengan menempelkan bola koloid berukuran mikron ke kantilever tanpa ujung menggunakan perekat epoksi.Proses pembuatannya sendiri penuh dengan banyak masalah dan dapat menyebabkan ketidakkonsistenan dalam proses kalibrasi probe.Selain itu, ukuran dan massa partikel koloid secara langsung mempengaruhi parameter kalibrasi utama kantilever, seperti frekuensi resonansi, kekakuan pegas, dan sensitivitas defleksi56,57,58.Dengan demikian, metode yang umum digunakan untuk probe AFM konvensional, seperti kalibrasi suhu, mungkin tidak memberikan kalibrasi yang akurat untuk CP, dan metode lain mungkin diperlukan untuk melakukan koreksi ini57, 59, 60, 61. Eksperimen indentasi CP tipikal menggunakan kantilever deviasi besar untuk mempelajari sifat-sifat sampel lunak, yang menciptakan masalah lain saat mengkalibrasi perilaku kantilever non-linear pada penyimpangan yang relatif besar62,63,64.Metode indentasi probe koloid modern biasanya mempertimbangkan geometri kantilever yang digunakan untuk mengkalibrasi probe, tetapi mengabaikan pengaruh partikel koloid, yang menciptakan ketidakpastian tambahan dalam keakuratan metode38,61.Demikian pula, moduli elastis yang dihitung dengan pemasangan model kontak secara langsung bergantung pada geometri probe indentasi, dan ketidaksesuaian antara tip dan karakteristik permukaan sampel dapat menyebabkan ketidakakuratan27, 65, 66, 67, 68. Beberapa karya terbaru oleh Spencer et al.Faktor-faktor yang harus diperhitungkan saat mengkarakterisasi sikat polimer lunak menggunakan metode nanoindentasi CP-AFM disorot.Mereka melaporkan bahwa retensi cairan kental dalam sikat polimer sebagai fungsi dari kecepatan menghasilkan peningkatan beban kepala dan karenanya pengukuran yang berbeda dari properti yang bergantung pada kecepatan30,69,70,71.
Dalam penelitian ini, kami telah mengkarakterisasi modulus permukaan lehfilcon A CL bahan ultra-lunak yang sangat elastis menggunakan metode indentasi nano AFM yang dimodifikasi.Mengingat sifat dan struktur baru dari bahan ini, rentang sensitivitas metode lekukan tradisional jelas tidak cukup untuk mengkarakterisasi modulus bahan yang sangat lunak ini, sehingga perlu menggunakan metode nanoindentasi AFM dengan sensitivitas lebih tinggi dan sensitivitas lebih rendah.tingkat.Setelah meninjau kekurangan dan masalah teknik nanoindentasi probe AFM koloid yang ada, kami menunjukkan mengapa kami memilih probe AFM yang lebih kecil dan dirancang khusus untuk menghilangkan sensitivitas, kebisingan latar belakang, titik kontak yang tepat, mengukur modulus kecepatan bahan heterogen lembut seperti retensi cairan ketergantungan.dan kuantifikasi yang akurat.Selain itu, kami dapat mengukur bentuk dan dimensi ujung lekukan secara akurat, memungkinkan kami menggunakan model kerucut-bola untuk menentukan modulus elastisitas tanpa menilai bidang kontak ujung dengan bahan.Dua asumsi implisit yang dikuantifikasi dalam pekerjaan ini adalah sifat material yang sepenuhnya elastis dan modulus independen kedalaman indentasi.Dengan menggunakan metode ini, pertama-tama kami menguji standar ultra-lunak dengan modulus yang diketahui untuk mengukur metode tersebut, dan kemudian menggunakan metode ini untuk mengkarakterisasi permukaan dua bahan lensa kontak yang berbeda.Metode mengkarakterisasi permukaan nanoindentasi AFM dengan sensitivitas yang meningkat ini diharapkan dapat diterapkan pada berbagai bahan ultrasoft heterogen biomimetik dengan potensi penggunaan dalam perangkat medis dan aplikasi biomedis.
Lensa kontak Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) dan substrat hidrogel silikonnya dipilih untuk eksperimen nanoindentasi.Pemasangan lensa yang dirancang khusus digunakan dalam percobaan.Untuk memasang lensa untuk pengujian, itu ditempatkan dengan hati-hati pada dudukan berbentuk kubah, memastikan tidak ada gelembung udara yang masuk, dan kemudian diperbaiki dengan ujung-ujungnya.Sebuah lubang di perlengkapan di bagian atas dudukan lensa menyediakan akses ke pusat optik lensa untuk eksperimen nanoindentasi sambil menahan cairan di tempatnya.Hal ini membuat lensa sepenuhnya terhidrasi.500 μl larutan kemasan lensa kontak digunakan sebagai larutan uji.Untuk memverifikasi hasil kuantitatif, hidrogel poliakrilamida (PAAM) non-aktif yang tersedia secara komersial dibuat dari komposisi poliakrilamida-ko-metilena-bisakrilamida (cawan Petrisoft Petri 100 mm, Matrigen, Irvine, CA, USA), modulus elastisitas yang diketahui dari 1 kPa.Gunakan 4-5 tetes (kira-kira 125 µl) saline buffer fosfat (PBS dari Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) dan 1 tetes larutan lensa kontak Puremoist BEBAS OPTI (Alcon, Vaud, TX, USA).) pada antarmuka probe hidrogel AFM.
Sampel substrat Lehfilcon A CL dan SiHy divisualisasikan menggunakan sistem FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) yang dilengkapi dengan detektor Scanning Transmission Electron Microscope (STEM).Untuk menyiapkan sampel, lensa terlebih dahulu dicuci dengan air dan dipotong menjadi irisan berbentuk pai.Untuk mencapai kontras diferensial antara komponen hidrofilik dan hidrofobik sampel, larutan RuO4 0,10% yang distabilkan digunakan sebagai pewarna, di mana sampel direndam selama 30 menit.Pewarnaan lehfilcon A CL RuO4 penting tidak hanya untuk mencapai kontras diferensial yang lebih baik, tetapi juga membantu melestarikan struktur sikat polimer bercabang dalam bentuk aslinya, yang kemudian terlihat pada gambar STEM.Mereka kemudian dicuci dan didehidrasi dalam serangkaian campuran etanol/air dengan konsentrasi etanol yang meningkat.Sampel kemudian dicetak dengan epoksi EMBed 812/Araldite, yang diawetkan semalaman pada suhu 70°C.Blok sampel yang diperoleh dengan polimerisasi resin dipotong dengan ultramikrotom, dan bagian tipis yang dihasilkan divisualisasikan dengan detektor STEM dalam mode vakum rendah pada tegangan percepatan 30 kV.Sistem SEM yang sama digunakan untuk karakterisasi terperinci dari probe PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA).Gambar SEM dari probe AFM diperoleh dalam mode vakum tinggi tipikal dengan tegangan percepatan 30 kV.Dapatkan gambar pada berbagai sudut dan perbesaran untuk merekam semua detail bentuk dan ukuran ujung probe AFM.Semua dimensi tip yang menarik dalam gambar diukur secara digital.
Mikroskop kekuatan atom Ikon FastScan Bio Dimensi (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) dengan mode "PeakForce QNM dalam Cairan" digunakan untuk memvisualisasikan dan nanoindentasi lehfilcon A CL, substrat SiHy, dan sampel hidrogel PAAm.Untuk percobaan pencitraan, probe PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) dengan jari-jari ujung nominal 1 nm digunakan untuk menangkap gambar resolusi tinggi dari sampel pada kecepatan pemindaian 0,50 Hz.Semua gambar diambil dalam larutan air.
Eksperimen nanoindentasi AFM dilakukan menggunakan probe PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Probe AFM memiliki ujung silikon pada kantilever nitrida setebal 345 nm, panjang 54 µm dan lebar 4,5 µm dengan frekuensi resonansi 45 kHz.Ini dirancang khusus untuk mengkarakterisasi dan melakukan pengukuran nanomekanis kuantitatif pada sampel biologis lunak.Sensor dikalibrasi secara individual di pabrik dengan pengaturan pegas yang telah dikalibrasi sebelumnya.Konstanta pegas probe yang digunakan dalam penelitian ini berkisar antara 0,05–0,1 N/m.Untuk menentukan bentuk dan ukuran tip secara akurat, probe dikarakterisasi secara detail menggunakan SEM.Pada ara.Gambar 1a menunjukkan resolusi tinggi, mikrograf elektron pemindaian perbesaran rendah dari probe PFQNM-LC-A-CAL, memberikan pandangan holistik dari desain probe.Pada ara.1b menunjukkan tampilan yang diperbesar dari ujung probe, memberikan informasi tentang bentuk dan ukuran ujung.Pada ujung terluar, jarum adalah belahan dengan diameter sekitar 140 nm (Gbr. 1c).Di bawah ini, ujung mengecil menjadi bentuk kerucut, mencapai panjang terukur kira-kira 500 nm.Di luar wilayah lentik, ujungnya berbentuk silinder dan berakhir dengan panjang total ujung 1,18 µm.Ini adalah bagian fungsional utama dari ujung probe.Selain itu, probe spherical polystyrene (PS) besar (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) dengan diameter ujung 45 µm dan konstanta pegas 2 N/m juga digunakan untuk pengujian sebagai probe koloid.dengan probe PFQNM-LC-A-CAL 140 nm untuk perbandingan.
Telah dilaporkan bahwa cairan dapat terperangkap di antara probe AFM dan struktur sikat polimer selama indentasi nano, yang akan memberikan gaya ke atas pada probe AFM sebelum benar-benar menyentuh permukaan69.Efek ekstrusi kental karena retensi cairan ini dapat mengubah titik kontak yang terlihat, sehingga mempengaruhi pengukuran modulus permukaan.Untuk mempelajari pengaruh geometri probe dan kecepatan indentasi pada retensi cairan, kurva gaya indentasi diplot untuk sampel lehfilcon A CL menggunakan probe berdiameter 140 nm pada laju perpindahan konstan 1 µm/s dan 2 µm/s.diameter probe 45 µm, pengaturan gaya tetap 6 nN dicapai pada 1 µm/s.Eksperimen dengan probe berdiameter 140 nm dilakukan pada kecepatan indentasi 1 µm/s dan gaya tetap 300 pN, dipilih untuk menciptakan tekanan kontak dalam rentang fisiologis (1–8 kPa) dari kelopak mata atas.tekanan 72. Sampel hidrogel PAA lunak siap pakai dengan tekanan 1 kPa diuji untuk gaya lekukan 50 pN pada kecepatan 1 μm/s menggunakan probe dengan diameter 140 nm.
Karena panjang bagian kerucut ujung probe PFQNM-LC-A-CAL kira-kira 500 nm, untuk setiap kedalaman indentasi <500 nm dapat diasumsikan dengan aman bahwa geometri probe selama indentasi akan tetap sesuai dengan aslinya. bentuk kerucut.Selain itu, diasumsikan bahwa permukaan bahan yang diuji akan menunjukkan respons elastis yang dapat dibalik, yang juga akan dikonfirmasikan pada bagian berikut.Oleh karena itu, bergantung pada bentuk dan ukuran ujungnya, kami memilih model pemasangan bola kerucut yang dikembangkan oleh Briscoe, Sebastian, dan Adams, yang tersedia di perangkat lunak vendor, untuk memproses eksperimen indentasi nano AFM (NanoScope) kami.Perangkat lunak analisis data pemisahan, Bruker) 73. Model menggambarkan hubungan gaya-perpindahan F(δ) untuk kerucut dengan cacat apeks bola.Pada ara.Gambar 2 menunjukkan geometri kontak selama interaksi kerucut kaku dengan ujung bola, di mana R adalah jari-jari ujung bola, a adalah jari-jari kontak, b adalah jari-jari kontak di ujung ujung bola, δ adalah radius kontak.kedalaman lekukan, θ adalah setengah sudut kerucut.Gambar SEM dari probe ini dengan jelas menunjukkan bahwa ujung bola berdiameter 140 nm menyatu secara tangensial menjadi kerucut, jadi di sini b didefinisikan hanya melalui R, yaitu b = R cos θ.Perangkat lunak yang disediakan vendor menyediakan hubungan kerucut-bola untuk menghitung nilai modulus Young (E) dari data pemisahan gaya dengan asumsi a > b.Hubungan:
di mana F adalah gaya indentasi, E adalah modulus Young, ν adalah rasio Poisson.Radius kontak a dapat diperkirakan dengan menggunakan:
Skema geometri kontak kerucut kaku dengan ujung bulat ditekan ke bahan lensa kontak Lefilcon dengan lapisan permukaan sikat polimer bercabang.
Jika a ≤ b, relasinya direduksi menjadi persamaan untuk indentor bola konvensional;
Kami percaya bahwa interaksi probe indentasi dengan struktur bercabang dari sikat polimer PMPC akan menyebabkan jari-jari kontak a menjadi lebih besar daripada jari-jari kontak bola b.Oleh karena itu, untuk semua pengukuran kuantitatif modulus elastisitas yang dilakukan dalam penelitian ini, kami menggunakan ketergantungan yang diperoleh untuk kasus a > b.
Bahan biomimetik ultrasoft yang dipelajari dalam penelitian ini dicitrakan secara komprehensif menggunakan pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM) dari penampang sampel dan mikroskop kekuatan atom (AFM) dari permukaan.Karakterisasi permukaan terperinci ini dilakukan sebagai perpanjangan dari pekerjaan kami yang diterbitkan sebelumnya, di mana kami menentukan bahwa struktur sikat polimer bercabang secara dinamis dari permukaan lehfilcon A CL yang dimodifikasi PMPC menunjukkan sifat mekanik yang mirip dengan jaringan kornea asli 14 .Untuk alasan ini, kami menyebut permukaan lensa kontak sebagai bahan biomimetik14.Pada ara.3a, b menunjukkan penampang struktur sikat polimer PMPC bercabang pada permukaan substrat lehfilcon A CL dan substrat SiHy yang tidak diolah.Permukaan kedua sampel dianalisis lebih lanjut menggunakan gambar AFM resolusi tinggi, yang selanjutnya mengkonfirmasi hasil analisis STEM (Gbr. 3c, d).Secara keseluruhan, gambar-gambar ini memberikan perkiraan panjang struktur sikat polimer bercabang PMPC pada 300-400 nm, yang sangat penting untuk menafsirkan pengukuran indentasi nano AFM.Pengamatan kunci lain yang berasal dari gambar adalah bahwa struktur permukaan keseluruhan bahan biomimetik CL secara morfologis berbeda dari bahan substrat SiHy.Perbedaan dalam morfologi permukaannya dapat menjadi jelas selama interaksi mekanisnya dengan probe AFM indentasi dan selanjutnya dalam nilai modulus yang diukur.
Gambar STEM cross-sectional dari (a) lehfilcon A CL dan (b) substrat SiHy.Bilah skala, 500 nm.Gambar AFM dari permukaan substrat lehfilcon A CL (c) dan substrat dasar SiHy (d) (3 µm × 3 µm).
Polimer bioinspired dan struktur sikat polimer secara inheren lembut dan telah dipelajari secara luas dan digunakan dalam berbagai aplikasi biomedis74,75,76,77.Oleh karena itu, penting untuk menggunakan metode indentasi nano AFM, yang dapat secara akurat dan andal mengukur sifat mekaniknya.Tetapi pada saat yang sama, sifat unik dari bahan ultra-lunak ini, seperti modulus elastisitas yang sangat rendah, kandungan cairan yang tinggi, dan elastisitas yang tinggi, seringkali membuat sulit untuk memilih bahan, bentuk, dan bentuk probe indentasi yang tepat.ukuran.Hal ini penting agar indentor tidak menembus permukaan lunak sampel yang akan mengakibatkan kesalahan dalam menentukan titik kontak dengan permukaan dan bidang kontak.
Untuk ini, pemahaman yang komprehensif tentang morfologi bahan biomimetik ultra-lunak (lehfilcon A CL) sangat penting.Informasi tentang ukuran dan struktur sikat polimer bercabang yang diperoleh dengan menggunakan metode pencitraan memberikan dasar untuk karakterisasi mekanis permukaan menggunakan teknik indentasi nano AFM.Alih-alih probe koloid berbentuk bola berukuran mikron, kami memilih probe silikon nitrida (Bruker) PFQNM-LC-A-CAL dengan diameter ujung 140 nm, yang dirancang khusus untuk pemetaan kuantitatif sifat mekanik sampel biologis 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Alasan untuk menggunakan probe yang relatif tajam dibandingkan dengan probe koloid konvensional dapat dijelaskan oleh fitur struktural material.Membandingkan ukuran ujung probe (~140 nm) dengan sikat polimer bercabang pada permukaan CL lehfilcon A, ditunjukkan pada Gambar. 3a, dapat disimpulkan bahwa ujungnya cukup besar untuk bersentuhan langsung dengan struktur sikat ini, yang mana mengurangi kemungkinan ujung menembusnya.Untuk mengilustrasikan hal ini, pada Gambar. 4 adalah gambar STEM lehfilcon A CL dan ujung indentasi probe AFM (digambar sesuai skala).
Skema menunjukkan gambar STEM dari lehfilcon A CL dan probe lekukan ACM (digambar ke skala).
Selain itu, ukuran ujung 140 nm cukup kecil untuk menghindari risiko efek ekstrusi lengket yang dilaporkan sebelumnya untuk sikat polimer yang dihasilkan oleh metode indentasi nano CP-AFM69,71.Kami berasumsi bahwa karena bentuk bola kerucut khusus dan ukuran tip AFM yang relatif kecil (Gbr. 1), sifat kurva gaya yang dihasilkan oleh lehfilcon A CL nanoindentation tidak akan bergantung pada kecepatan indentasi atau kecepatan bongkar/muat .Oleh karena itu, tidak terpengaruh oleh efek poroelastik.Untuk menguji hipotesis ini, sampel lehfilcon A CL diindentasi pada gaya maksimum tetap menggunakan probe PFQNM-LC-A-CAL, tetapi pada dua kecepatan yang berbeda, dan kurva gaya tarik dan retraksi yang dihasilkan digunakan untuk memplot gaya (nN) dalam pemisahan (µm) ditunjukkan pada Gambar 5a.Jelas bahwa kurva gaya selama pemuatan dan pembongkaran benar-benar tumpang tindih, dan tidak ada bukti yang jelas bahwa gaya geser pada kedalaman lekukan nol meningkat dengan kecepatan lekukan pada gambar, yang menunjukkan bahwa elemen sikat individu dicirikan tanpa efek poroelastik.Sebaliknya, efek retensi cairan (ekstrusi kental dan efek poroelastisitas) terbukti untuk probe AFM berdiameter 45 μm pada kecepatan indentasi yang sama dan disorot oleh histeresis antara kurva regangan dan retraksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b.Hasil ini mendukung hipotesis dan menyarankan bahwa probe berdiameter 140 nm adalah pilihan yang baik untuk mengkarakterisasi permukaan lunak tersebut.
lehfilcon A CL kurva kekuatan indentasi menggunakan ACM;(a) menggunakan probe dengan diameter 140 nm pada dua laju pemuatan, menunjukkan tidak adanya efek poroelastik selama indentasi permukaan;(b) menggunakan probe dengan diameter 45 µm dan 140 nm.s menunjukkan efek ekstrusi kental dan poroelastisitas untuk probe besar dibandingkan dengan probe yang lebih kecil.
Untuk mengkarakterisasi permukaan ultrasoft, metode indentasi nano AFM harus memiliki probe terbaik untuk mempelajari sifat-sifat material yang diteliti.Selain bentuk dan ukuran ujung, kepekaan sistem detektor AFM, kepekaan terhadap defleksi ujung di lingkungan pengujian, dan kekakuan kantilever berperan penting dalam menentukan keakuratan dan keandalan lekukan nano.pengukuran.Untuk sistem AFM kami, batas deteksi Detektor Sensitif Posisi (PSD) adalah sekitar 0,5 mV dan didasarkan pada laju pegas yang telah dikalibrasi sebelumnya dan sensitivitas defleksi cairan yang dihitung dari probe PFQNM-LC-A-CAL, yang sesuai dengan sensitivitas beban teoritis.kurang dari 0,1pN.Oleh karena itu, metode ini memungkinkan pengukuran gaya lekukan minimum ≤ 0,1 pN tanpa komponen kebisingan periferal.Namun, hampir tidak mungkin bagi sistem AFM untuk mengurangi kebisingan periferal ke level ini karena faktor-faktor seperti getaran mekanis dan dinamika fluida.Faktor-faktor ini membatasi sensitivitas keseluruhan metode nanoindentasi AFM dan juga menghasilkan sinyal derau latar sekitar ≤ 10 pN.Untuk karakterisasi permukaan, sampel substrat lehfilcon A CL dan SiHy diindentasi dalam kondisi terhidrasi penuh menggunakan probe 140 nm untuk karakterisasi SEM, dan kurva gaya yang dihasilkan dilapiskan antara gaya (pN) dan tekanan.Plot pemisahan (µm) ditunjukkan pada Gambar 6a.Dibandingkan dengan substrat dasar SiHy, kurva gaya lehfilcon A CL dengan jelas menunjukkan fase transisi yang dimulai pada titik kontak dengan sikat polimer bercabang dan diakhiri dengan perubahan tajam pada kontak penanda kemiringan ujung dengan bahan di bawahnya.Bagian transisi dari kurva gaya ini menyoroti perilaku yang benar-benar elastis dari sikat polimer bercabang di permukaan, sebagaimana dibuktikan oleh kurva kompresi yang mengikuti kurva tegangan dan kontras dalam sifat mekanis antara struktur sikat dan material SiHy yang besar.Saat membandingkan lefilcon.Pemisahan panjang rata-rata kuas polimer bercabang pada gambar STEM PCS (Gbr. 3a) dan kurva gayanya di sepanjang absis pada Gambar. 3a.6a menunjukkan bahwa metode tersebut mampu mendeteksi ujung dan polimer bercabang yang mencapai bagian paling atas permukaan.Kontak antara struktur kuas.Selain itu, kurva gaya yang tumpang tindih menunjukkan tidak ada efek retensi cairan.Dalam hal ini, sama sekali tidak ada adhesi antara jarum dan permukaan sampel.Bagian paling atas dari kurva gaya untuk dua sampel tumpang tindih, yang mencerminkan kesamaan sifat mekanik dari bahan substrat.
(a) Kurva gaya indentasi nano AFM untuk substrat lehfilcon A CL dan substrat SiHy, (b) kurva gaya yang menunjukkan estimasi titik kontak menggunakan metode ambang kebisingan latar belakang.
Untuk mempelajari detail kurva gaya yang lebih halus, kurva tegangan sampel lehfilcon A CL diplot ulang pada Gambar. 6b dengan gaya maksimum 50 pN sepanjang sumbu y.Grafik ini memberikan informasi penting tentang kebisingan latar asli.Kebisingan berada dalam kisaran ±10 pN, yang digunakan untuk menentukan titik kontak secara akurat dan menghitung kedalaman indentasi.Seperti yang dilaporkan dalam literatur, identifikasi titik kontak sangat penting untuk secara akurat menilai sifat material seperti modulus85.Suatu pendekatan yang melibatkan pemrosesan otomatis data kurva gaya telah menunjukkan kesesuaian yang lebih baik antara penyesuaian data dan pengukuran kuantitatif untuk bahan lunak86.Dalam karya ini, pilihan titik kontak kami relatif sederhana dan objektif, tetapi memiliki keterbatasan.Pendekatan konservatif kami untuk menentukan titik kontak dapat menghasilkan nilai modulus yang sedikit terlalu tinggi untuk kedalaman lekukan yang lebih kecil (<100 nm).Penggunaan deteksi touchpoint berbasis algoritme dan pemrosesan data otomatis dapat menjadi kelanjutan dari pekerjaan ini di masa mendatang untuk lebih meningkatkan metode kami.Jadi, untuk kebisingan latar belakang intrinsik pada urutan ±10 pN, kami mendefinisikan titik kontak sebagai titik data pertama pada sumbu x pada Gambar 6b ​​dengan nilai ≥10 pN.Kemudian, sesuai dengan ambang kebisingan 10 pN, garis vertikal pada level ~0,27 µm menandai titik kontak dengan permukaan, setelah itu kurva peregangan berlanjut hingga substrat memenuhi kedalaman indentasi ~270 nm.Menariknya, berdasarkan ukuran fitur sikat polimer bercabang (300-400 nm) yang diukur menggunakan metode pencitraan, kedalaman indentasi lehfilcon CL Sampel yang diamati menggunakan metode ambang kebisingan latar belakang adalah sekitar 270 nm, yang sangat dekat dengan ukuran pengukuran dengan STEM.Hasil ini lebih lanjut mengkonfirmasi kompatibilitas dan penerapan bentuk dan ukuran ujung probe AFM untuk lekukan struktur sikat polimer bercabang yang sangat lembut dan sangat elastis ini.Data ini juga memberikan bukti kuat untuk mendukung metode kami menggunakan kebisingan latar belakang sebagai ambang batas untuk menentukan titik kontak.Dengan demikian, setiap hasil kuantitatif yang diperoleh dari pemodelan matematika dan penyesuaian kurva gaya harus relatif akurat.
Pengukuran kuantitatif dengan metode indentasi nano AFM sepenuhnya bergantung pada model matematika yang digunakan untuk pemilihan data dan analisis selanjutnya.Oleh karena itu, penting untuk mempertimbangkan semua faktor yang terkait dengan pemilihan indentor, sifat material, dan mekanisme interaksinya sebelum memilih model tertentu.Dalam hal ini, geometri ujung dikarakterisasi dengan hati-hati menggunakan mikrograf SEM (Gbr. 1), dan berdasarkan hasil, probe nanoindenting AFM berdiameter 140 nm dengan kerucut keras dan geometri ujung bola adalah pilihan yang baik untuk mengkarakterisasi sampel lehfilcon A CL79 .Faktor penting lainnya yang perlu dievaluasi secara hati-hati adalah elastisitas bahan polimer yang diuji.Meskipun data awal nanoindentation (Gbr. 5a dan 6a) dengan jelas menguraikan fitur tumpang tindih kurva tegangan dan kompresi, yaitu, pemulihan elastis lengkap dari material, sangat penting untuk mengkonfirmasi sifat murni elastis dari kontak. .Untuk tujuan ini, dua lekukan berturut-turut dilakukan di lokasi yang sama pada permukaan sampel lehfilcon A CL pada laju lekukan 1 µm/s dalam kondisi hidrasi penuh.Data kurva gaya yang dihasilkan ditunjukkan pada gambar.7 dan, seperti yang diharapkan, kurva ekspansi dan kompresi dari kedua cetakan hampir identik, menyoroti elastisitas tinggi dari struktur sikat polimer bercabang.
Dua kurva gaya lekukan pada lokasi yang sama pada permukaan lehfilcon A CL menunjukkan elastisitas permukaan lensa yang ideal.
Berdasarkan informasi yang diperoleh dari gambar SEM dan STEM masing-masing ujung probe dan permukaan lehfilcon A CL, model cone-sphere adalah representasi matematis yang masuk akal dari interaksi antara ujung probe AFM dan bahan polimer lunak yang diuji.Selain itu, untuk model bola kerucut ini, asumsi mendasar tentang sifat elastis dari bahan yang dicetak berlaku untuk bahan biomimetik baru ini dan digunakan untuk menghitung modulus elastisitas.
Setelah evaluasi komprehensif dari metode nanoindentasi AFM dan komponennya, termasuk properti probe indentasi (bentuk, ukuran, dan kekakuan pegas), sensitivitas (noise latar belakang dan estimasi titik kontak), dan model pemasangan data (pengukuran modulus kuantitatif), metodenya adalah digunakan.mencirikan sampel ultra-lunak yang tersedia secara komersial untuk memverifikasi hasil kuantitatif.Hidrogel poliakrilamida komersial (PAAM) dengan modulus elastisitas 1 kPa diuji dalam kondisi terhidrasi menggunakan probe 140 nm.Rincian pengujian dan perhitungan modul disediakan dalam Informasi Tambahan.Hasil penelitian menunjukkan bahwa modulus rata-rata yang diukur adalah 0,92 kPa, dan %RSD dan persentase (%) deviasi dari modulus yang diketahui kurang dari 10%.Hasil ini mengkonfirmasi akurasi dan reproduktifitas metode indentasi nano AFM yang digunakan dalam pekerjaan ini untuk mengukur modulus bahan ultrasoft.Permukaan sampel lehfilcon A CL dan substrat dasar SiHy selanjutnya dikarakterisasi menggunakan metode nanoindentasi AFM yang sama untuk mempelajari modulus kontak yang tampak dari permukaan ultrasoft sebagai fungsi kedalaman indentasi.Kurva pemisahan gaya lekukan dihasilkan untuk tiga spesimen dari setiap jenis (n = 3; satu lekukan per spesimen) dengan gaya 300 pN, kecepatan 1 µm/s, dan hidrasi penuh.Kurva pembagian gaya lekukan didekati menggunakan model kerucut-bola.Untuk mendapatkan modulus yang bergantung pada kedalaman indentasi, bagian kurva gaya selebar 40 nm ditetapkan pada setiap kenaikan 20 nm mulai dari titik kontak, dan nilai modulus diukur pada setiap langkah kurva gaya.Spin Cy dkk.Pendekatan serupa telah digunakan untuk mengkarakterisasi gradien modulus sikat polimer poli (lauril metakrilat) (P12MA) menggunakan nanoindentasi probe koloid AFM, dan mereka konsisten dengan data menggunakan model kontak Hertz.Pendekatan ini memberikan sebidang modulus kontak semu (kPa) versus kedalaman indentasi (nm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, yang mengilustrasikan modulus kontak semu/gradien kedalaman.Modulus elastisitas yang dihitung dari sampel CL lehfilcon A berada dalam kisaran 2–3 kPa dalam 100 nm atas sampel, setelah itu mulai meningkat dengan kedalaman.Di sisi lain, saat menguji substrat dasar SiHy tanpa film seperti sikat di permukaan, kedalaman lekukan maksimum yang dicapai pada gaya 300 pN kurang dari 50 nm, dan nilai modulus yang diperoleh dari data sekitar 400 kPa , yang sebanding dengan nilai modulus Young untuk bahan curah.
Modulus kontak semu (kPa) vs. kedalaman indentasi (nm) untuk substrat lehfilcon A CL dan SiHy menggunakan metode nanoindentasi AFM dengan geometri bola kerucut untuk mengukur modulus.
Permukaan paling atas dari struktur sikat polimer bercabang biomimetik baru menunjukkan modulus elastisitas yang sangat rendah (2-3 kPa).Ini akan cocok dengan ujung bebas sikat polimer bercabang seperti yang ditunjukkan pada gambar STEM.Meskipun ada beberapa bukti gradien modulus di tepi luar CL, substrat modulus tinggi utama lebih berpengaruh.Namun, 100 nm teratas dari permukaan berada dalam 20% dari total panjang sikat polimer bercabang, sehingga masuk akal untuk mengasumsikan bahwa nilai modulus yang diukur dalam rentang kedalaman lekukan ini relatif akurat dan tidak terlalu kuat. tergantung pada efek dari objek bawah.
Karena desain biomimetik yang unik dari lensa kontak lehfilcon A, yang terdiri dari struktur sikat polimer PMPC bercabang yang dicangkokkan ke permukaan substrat SiHy, sangat sulit untuk mengkarakterisasi sifat mekanik dari struktur permukaannya dengan andal menggunakan metode pengukuran tradisional.Di sini kami menyajikan metode nanoindentasi AFM canggih untuk mengkarakterisasi bahan ultra-lunak secara akurat seperti lefilcon A dengan kadar air tinggi dan elastisitas sangat tinggi.Metode ini didasarkan pada penggunaan probe AFM yang ukuran ujung dan geometrinya dipilih secara hati-hati agar sesuai dengan dimensi struktural fitur permukaan ultra-lunak yang akan dicetak.Kombinasi dimensi antara probe dan struktur ini memberikan sensitivitas yang meningkat, memungkinkan kami untuk mengukur modulus rendah dan sifat elastis yang melekat pada elemen sikat polimer bercabang, terlepas dari efek poroelastik.Hasilnya menunjukkan bahwa karakteristik sikat polimer PMPC bercabang yang unik pada permukaan lensa memiliki modulus elastisitas yang sangat rendah (hingga 2 kPa) dan elastisitas yang sangat tinggi (hampir 100%) saat diuji dalam lingkungan berair.Hasil nanoindentasi AFM juga memungkinkan kami untuk mengkarakterisasi modulus kontak yang jelas / gradien kedalaman (30 kPa / 200 nm) dari permukaan lensa biomimetik.Gradien ini mungkin disebabkan oleh perbedaan modulus antara sikat polimer bercabang dan substrat SiHy, atau struktur/kerapatan bercabang dari sikat polimer, atau kombinasinya.Namun, studi mendalam lebih lanjut diperlukan untuk memahami sepenuhnya hubungan antara struktur dan sifat, terutama pengaruh percabangan sikat pada sifat mekanik.Pengukuran serupa dapat membantu mengkarakterisasi sifat mekanik permukaan bahan ultra lunak dan perangkat medis lainnya.
Kumpulan data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama penelitian ini tersedia dari masing-masing penulis atas permintaan yang masuk akal.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. dan Haugen, HJ Reaksi biologis terhadap sifat fisik dan kimia permukaan biomaterial.Bahan kimia.masyarakat.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM dan Liu, X. Peningkatan biomaterial yang diturunkan dari manusia untuk rekayasa jaringan.pemrograman.polimer.ilmu.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Desain, implementasi klinis, dan respons imun biomaterial dalam pengobatan regeneratif.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK dan Farr GM Sebuah metode yang ditingkatkan untuk menentukan kekerasan dan modulus elastisitas menggunakan eksperimen indentasi dengan pengukuran beban dan perpindahan.J. Almamater.tangki penyimpanan.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Sejarah asal pengujian kekerasan indentasi.Alma mater.ilmu.teknologi.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Pengukuran Kekerasan Indentasi pada Skala Makro, Mikro, dan Nano: Tinjauan Kritis.suku.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD dan Clapperich, Kesalahan deteksi permukaan SM menyebabkan overestimasi modulus dalam nanoindentasi bahan lunak.J.Mecha.Perilaku.Ilmu biomedis.Alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR dan Yahya M.Yu.Evaluasi metode indentasi nano untuk menentukan karakteristik mekanis komposit nano heterogen menggunakan metode eksperimen dan komputasi.ilmu.Rumah 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, dan Owart, TS Karakterisasi mekanis gel viskoelastik lunak dengan indentasi dan analisis elemen hingga invers berbasis optimisasi.J.Mecha.Perilaku.Ilmu biomedis.Alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J dan Chaneler D. Optimalisasi penentuan viskoelastisitas menggunakan sistem pengukuran yang kompatibel.Materi Lunak 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. dan Pellillo, E. Nanoindentasi permukaan polimer.J. Fisika.D. Terapkan untuk fisika.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. dan Van Vliet KJ Karakterisasi sifat mekanik viskoelastik dari polimer yang sangat elastis dan jaringan biologis menggunakan indentasi kejut.Jurnal Biomaterial.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Evaluasi modulus elastisitas dan kerja adhesi bahan lunak menggunakan metode Borodich-Galanov (BG) yang diperluas dan lekukan yang dalam.bulu.Alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Morfologi skala nano dan sifat mekanik permukaan polimer biomimetik dari lensa kontak hidrogel silikon.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).