ขอบคุณที่เยี่ยมชม Nature.comคุณกำลังใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันที่มีการรองรับ CSS ที่จำกัดเพื่อประสบการณ์ที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์ที่อัปเดตแล้ว (หรือปิดใช้งานโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer)นอกจากนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เราจึงแสดงไซต์ที่ไม่มีสไตล์และ JavaScript
แสดงภาพหมุนสามสไลด์พร้อมกันใช้ปุ่มก่อนหน้าและถัดไปเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์พร้อมกัน หรือใช้ปุ่มตัวเลื่อนที่ส่วนท้ายเพื่อเลื่อนผ่านสามสไลด์พร้อมกัน
ด้วยการพัฒนาวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษชนิดใหม่สำหรับอุปกรณ์การแพทย์และการใช้งานด้านชีวการแพทย์ การกำหนดคุณลักษณะทางกายภาพและเชิงกลอย่างครอบคลุมจึงมีความสำคัญและท้าทายเทคนิคการเยื้องด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมแบบดัดแปลง (AFM) ถูกนำไปใช้เพื่อระบุลักษณะโมดูลัสพื้นผิวที่ต่ำมากของคอนแทคเลนส์ lehfilcon A ซิลิโคนไฮโดรเจลชนิดไบโอมิเมติกที่เคลือบด้วยชั้นของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์แตกแขนงวิธีนี้ทำให้สามารถกำหนดจุดสัมผัสได้อย่างแม่นยำโดยไม่เกิดผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดเมื่อเข้าใกล้โพลิเมอร์ที่มีกิ่งก้านนอกจากนี้ยังทำให้สามารถกำหนดลักษณะเชิงกลของชิ้นส่วนแปรงแต่ละชิ้นได้โดยไม่ส่งผลต่อความยืดหยุ่นของรูพรุนซึ่งทำได้โดยการเลือกหัววัด AFM ที่มีการออกแบบ (ขนาดปลาย รูปทรง และอัตราสปริง) ที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการวัดคุณสมบัติของวัสดุที่อ่อนนุ่มและตัวอย่างทางชีวภาพวิธีการนี้ปรับปรุงความไวและความแม่นยำในการตรวจวัดอย่างแม่นยำของวัสดุ lehfilcon A ที่อ่อนนุ่มมาก ซึ่งมีโมดูลัสความยืดหยุ่นต่ำมากบนพื้นที่ผิว (สูงถึง 2 kPa) และความยืดหยุ่นสูงมากในสภาพแวดล้อมภายใน (เกือบ 100%) ที่เป็นน้ำ .ผลการศึกษาพื้นผิวไม่เพียงแต่เผยให้เห็นคุณสมบัติพื้นผิวที่นุ่มเป็นพิเศษของเลนส์ lehfilcon A เท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นว่าโมดูลัสของแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วนนั้นเทียบได้กับของพื้นผิวซิลิกอน-ไฮโดรเจนเทคนิคการระบุลักษณะพื้นผิวนี้สามารถใช้กับวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ
สมบัติเชิงกลของวัสดุที่ออกแบบมาเพื่อการสัมผัสโดยตรงกับเนื้อเยื่อของสิ่งมีชีวิตมักถูกกำหนดโดยสภาพแวดล้อมทางชีวภาพการจับคู่อย่างลงตัวของคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ช่วยให้บรรลุลักษณะทางคลินิกที่ต้องการของวัสดุโดยไม่ก่อให้เกิดการตอบสนองของเซลล์ที่ไม่พึงประสงค์1,2,3สำหรับวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันจำนวนมาก การกำหนดลักษณะของคุณสมบัติเชิงกลนั้นค่อนข้างง่าย เนื่องจากขั้นตอนมาตรฐานและวิธีการทดสอบมีพร้อม (เช่น การเยื้องขนาดเล็ก4,5,6)อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ เช่น เจล ไฮโดรเจล โพลิเมอร์ชีวภาพ เซลล์ที่มีชีวิต ฯลฯ โดยทั่วไปวิธีการทดสอบเหล่านี้จะใช้ไม่ได้เนื่องจากข้อจำกัดด้านความละเอียดในการวัดและความไม่สม่ำเสมอของวัสดุบางชนิด7ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา วิธีการเยื้องแบบดั้งเดิมได้รับการแก้ไขและปรับใช้เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุเนื้ออ่อนที่หลากหลาย แต่หลายวิธียังคงประสบกับข้อบกพร่องร้ายแรงที่จำกัดการใช้งาน 8,9,10,11,12,13การขาดวิธีทดสอบเฉพาะที่สามารถระบุคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษและชั้นพื้นผิวได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ ทำให้จำกัดการใช้งานในลักษณะต่างๆ อย่างมาก
ในผลงานชิ้นที่แล้ว เราได้แนะนำคอนแทคเลนส์ lehfilcon A (CL) ซึ่งเป็นวัสดุต่างชนิดกันที่อ่อนนุ่มพร้อมคุณสมบัติพื้นผิวที่อ่อนนุ่มพิเศษทั้งหมด ซึ่งได้มาจากการออกแบบเลียนแบบสิ่งมีชีวิตซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากพื้นผิวกระจกตาของดวงตาวัสดุชีวภาพนี้ได้รับการพัฒนาโดยการต่อกิ่งของชั้นพอลิเมอร์ที่เชื่อมขวางของโพลีกระบวนการปลูกถ่ายอวัยวะนี้จะสร้างชั้นบนพื้นผิวที่ประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์แบบกิ่งที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นสูงงานก่อนหน้าของเราได้ยืนยันว่าโครงสร้างการเลียนแบบทางชีวภาพของ lehfilcon A CL ให้คุณสมบัติพื้นผิวที่เหนือกว่า เช่น ปรับปรุงการป้องกันการเปียกน้ำและการเปรอะเปื้อน เพิ่มการหล่อลื่น และลดการยึดเกาะของเซลล์และแบคทีเรีย15,16นอกจากนี้ การใช้และการพัฒนาวัสดุเลียนแบบชีวภาพนี้ยังแนะนำให้ขยายไปยังอุปกรณ์ชีวการแพทย์อื่นๆ อีกด้วยดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องระบุลักษณะพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษนี้ และทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์เชิงกลกับดวงตาเพื่อสร้างฐานความรู้ที่ครอบคลุมเพื่อรองรับการพัฒนาและการใช้งานในอนาคตคอนแทคเลนส์ SiHy ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของโพลิเมอร์ที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำ ซึ่งก่อตัวเป็นโครงสร้างวัสดุที่เหมือนกัน17มีการศึกษาหลายชิ้นเพื่อตรวจสอบคุณสมบัติเชิงกลโดยใช้วิธีการทดสอบแรงอัด แรงดึง และการเยื้องขนาดจิ๋วแบบดั้งเดิม18,19,20,21อย่างไรก็ตาม การออกแบบการเลียนแบบทางชีวภาพแบบใหม่ของ lehfilcon A CL ทำให้มันเป็นวัสดุที่แตกต่างกันซึ่งคุณสมบัติเชิงกลของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์ที่แตกแขนงแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญจากวัสดุฐาน SiHyดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากมากที่จะหาปริมาณคุณสมบัติเหล่านี้อย่างแม่นยำโดยใช้วิธีการทั่วไปและการเยื้องวิธีการที่มีแนวโน้มจะใช้วิธีการทดสอบรอยบุ๋มระดับนาโนที่ใช้ในกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการกำหนดคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุยืดหยุ่นหนืดแบบอ่อน เช่น เซลล์ชีวภาพและเนื้อเยื่อ เช่นเดียวกับโพลิเมอร์แบบอ่อน22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.ใน AFM nanoindentation พื้นฐานของการทดสอบการเยื้องระดับนาโนจะรวมกับความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี AFM เพื่อเพิ่มความไวในการวัดและการทดสอบวัสดุประเภทต่างๆ ที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ31,32,33,34,35,36นอกจากนี้ เทคโนโลยียังนำเสนอข้อได้เปรียบที่สำคัญอื่นๆ ผ่านการใช้รูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกันหัวกดและหัววัดและความเป็นไปได้ของการทดสอบในตัวกลางที่เป็นของเหลวต่างๆ
AFM nanoindentation สามารถแบ่งตามเงื่อนไขออกเป็นสามองค์ประกอบหลัก: (1) อุปกรณ์ (เซ็นเซอร์ ตัวตรวจจับ หัววัด ฯลฯ);(2) พารามิเตอร์การวัด (เช่น แรง การกระจัด ความเร็ว ขนาดทางลาด ฯลฯ)(3) การประมวลผลข้อมูล (การแก้ไขเส้นฐาน การประมาณจุดสัมผัส การปรับข้อมูล การสร้างแบบจำลอง เป็นต้น)ปัญหาที่สำคัญของวิธีนี้คือการศึกษาหลายชิ้นในวรรณกรรมที่ใช้ AFM nanoindentation รายงานผลลัพธ์เชิงปริมาณที่แตกต่างกันมากสำหรับตัวอย่าง/เซลล์/วัสดุประเภทเดียวกัน37,38,39,40,41ตัวอย่างเช่นเล็กกาและคณะศึกษาและเปรียบเทียบอิทธิพลของรูปทรงเรขาคณิตโพรบ AFM ต่อโมดูลัสของ Young ที่วัดได้ของตัวอย่างไฮโดรเจลที่เป็นเนื้อเดียวกันเชิงกลและเซลล์ต่างกันพวกเขารายงานว่าค่าโมดูลัสขึ้นอยู่กับการเลือกคานยื่นและรูปร่างปลาย โดยค่าสูงสุดสำหรับโพรบรูปทรงพีระมิดและค่าต่ำสุดคือ 42 สำหรับโพรบทรงกลมในทำนองเดียวกัน Selhuber-Unkel และคณะมีการแสดงให้เห็นว่าความเร็วหัวกด ขนาดหัวกด และความหนาของตัวอย่างโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ส่งผลต่อโมดูลัสของ Young ที่วัดโดย ACM43 nanoindentation อย่างไรปัจจัยที่ซับซ้อนอีกประการหนึ่งคือการขาดวัสดุทดสอบโมดูลัสต่ำมากที่เป็นมาตรฐานและขั้นตอนการทดสอบฟรีทำให้เป็นเรื่องยากมากที่จะได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำด้วยความมั่นใจอย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการวัดค่าสัมพัทธ์และการประเมินเปรียบเทียบระหว่างประเภทตัวอย่างที่คล้ายคลึงกัน ตัวอย่างเช่น การใช้ AFM nanoindentation เพื่อแยกแยะเซลล์ปกติจากเซลล์มะเร็ง 44, 45
เมื่อทำการทดสอบวัสดุที่อ่อนนุ่มด้วย AFM nanoindentation หลักการทั่วไปคือใช้โพรบที่มีค่าคงที่สปริงต่ำ (k) ที่ใกล้เคียงกับโมดูลัสตัวอย่างและปลายครึ่งวงกลม/ปลายกลม เพื่อให้โพรบแรกไม่เจาะพื้นผิวตัวอย่างบน สัมผัสกับวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นครั้งแรกสิ่งสำคัญอีกอย่างคือสัญญาณเบี่ยงเบนที่สร้างโดยโพรบต้องแรงพอที่ระบบเครื่องตรวจจับเลเซอร์จะตรวจจับได้24,34,46,47ในกรณีของเซลล์ เนื้อเยื่อ และเจลต่างชนิดกันที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการเอาชนะแรงยึดเกาะระหว่างโพรบและพื้นผิวตัวอย่างเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดทำซ้ำและเชื่อถือได้48,49,50จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ งานส่วนใหญ่เกี่ยวกับ AFM nanoindentation ได้มุ่งเน้นไปที่การศึกษาพฤติกรรมเชิงกลของเซลล์ชีวภาพ เนื้อเยื่อ เจล ไฮโดรเจล และสารชีวโมเลกุลโดยใช้โพรบทรงกลมที่ค่อนข้างใหญ่ ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่าคอลลอยด์โพรบ (CPs), 47, 51, 52, 53, 54, 55 ทิปเหล่านี้มีรัศมี 1 ถึง 50 µm และมักทำจากแก้วโบโรซิลิเกต โพลิเมทิลเมทาคริเลต (PMMA) โพลิสไตรีน (PS) ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2) และเพชร- อย่างคาร์บอน (DLC)แม้ว่าการเยื้องนาโนของ CP-AFM มักเป็นตัวเลือกแรกสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของตัวอย่างแบบอ่อน แต่ก็มีปัญหาและข้อจำกัดในตัวเองการใช้ทิปทรงกลมขนาดใหญ่ขนาดไมครอนจะเพิ่มพื้นที่สัมผัสทั้งหมดของทิปกับตัวอย่าง และส่งผลให้ความละเอียดเชิงพื้นที่สูญเสียไปอย่างมากสำหรับตัวอย่างที่นิ่มและไม่สม่ำเสมอ ซึ่งคุณสมบัติเชิงกลขององค์ประกอบเฉพาะที่อาจแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากค่าเฉลี่ยในพื้นที่กว้าง การเยื้องของ CP สามารถซ่อนความไม่สม่ำเสมอในคุณสมบัติในระดับเฉพาะที่ 52โดยทั่วไปแล้วโพรบคอลลอยด์จะทำโดยการติดคอลลอยด์ทรงกลมขนาดไมครอนเข้ากับคานยื่นแบบไม่มีปลายโดยใช้กาวอีพ็อกซี่กระบวนการผลิตนั้นเต็มไปด้วยปัญหามากมายและอาจนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกันในกระบวนการสอบเทียบโพรบนอกจากนี้ ขนาดและมวลของอนุภาคคอลลอยด์ยังส่งผลโดยตรงต่อพารามิเตอร์การสอบเทียบหลักของคานยื่น เช่น ความถี่เรโซแนนซ์ ความแข็งของสปริง และความไวในการโก่งตัว56,57,58ดังนั้น วิธีการที่ใช้ทั่วไปสำหรับโพรบ AFM ทั่วไป เช่น การสอบเทียบอุณหภูมิ อาจไม่ได้ให้การสอบเทียบที่แม่นยำสำหรับ CP และอาจต้องใช้วิธีการอื่นๆ ในการดำเนินการแก้ไขเหล่านี้57, 59, 60, 61 ศึกษาคุณสมบัติของตัวอย่างแบบอ่อน ซึ่งสร้างปัญหาอีกประการหนึ่งเมื่อสอบเทียบลักษณะการทำงานที่ไม่เป็นเชิงเส้นของคานยื่นที่ค่าเบี่ยงเบนค่อนข้างมาก62,63,64วิธีการเยื้องโพรบคอลลอยด์สมัยใหม่มักจะคำนึงถึงรูปทรงเรขาคณิตของคานยื่นที่ใช้ในการสอบเทียบโพรบ แต่ไม่สนใจอิทธิพลของอนุภาคคอลลอยด์ ซึ่งสร้างความไม่แน่นอนเพิ่มเติมในความแม่นยำของวิธีการในทำนองเดียวกัน โมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณโดยการติดตั้งแบบจำลองหน้าสัมผัสจะขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของโพรบการเยื้องโดยตรง และความไม่ลงตัวระหว่างทิปและลักษณะของพื้นผิวตัวอย่างอาจนำไปสู่ความไม่ถูกต้องได้27, 65, 66, 67, 68 งานล่าสุดของ Spencer และคณะปัจจัยที่ควรนำมาพิจารณาเมื่อระบุลักษณะของแปรงโพลิเมอร์แบบอ่อนโดยใช้วิธี CP-AFM nanoindentationพวกเขารายงานว่าการกักเก็บของไหลหนืดในแปรงโพลิเมอร์เป็นฟังก์ชันของความเร็วส่งผลให้โหลดหัวพิมพ์เพิ่มขึ้น และด้วยเหตุนี้การวัดคุณสมบัติขึ้นอยู่กับความเร็วจึงแตกต่างกัน30,69,70,71
ในการศึกษานี้ เราได้จำแนกโมดูลัสพื้นผิวของวัสดุยืดหยุ่นสูง lehfilcon A CL ที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ โดยใช้วิธี AFM nanoindentation ที่ดัดแปลงแล้วด้วยคุณสมบัติและโครงสร้างใหม่ของวัสดุนี้ ช่วงความไวของวิธีการเยื้องแบบดั้งเดิมจึงไม่เพียงพออย่างชัดเจนในการระบุลักษณะเฉพาะของโมดูลัสของวัสดุที่อ่อนนุ่มอย่างยิ่งนี้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการเยื้องนาโน AFM ที่มีความไวสูงและความไวต่ำระดับ.หลังจากทบทวนข้อบกพร่องและปัญหาของเทคนิคการเยื้องกันระดับนาโนของโพรบ AFM คอลลอยด์ที่มีอยู่แล้ว เราจะแสดงสาเหตุที่เราเลือกโพรบ AFM ที่ออกแบบเองให้มีขนาดเล็กลงเพื่อขจัดความไว เสียงพื้นหลัง จุดสัมผัสที่แม่นยำ วัดโมดูลัสความเร็วของวัสดุเนื้ออ่อนที่ต่างกัน เช่น การกักเก็บของเหลว การพึ่งพาและปริมาณที่แม่นยำนอกจากนี้ เรายังสามารถวัดรูปร่างและขนาดของปลายเยื้องได้อย่างแม่นยำ ทำให้เราสามารถใช้แบบจำลองทรงกรวยทรงกลมเพื่อกำหนดโมดูลัสของความยืดหยุ่นโดยไม่ต้องประเมินพื้นที่สัมผัสของปลายกับวัสดุสมมติฐานโดยปริยายสองข้อที่ถูกวัดปริมาณในงานนี้คือคุณสมบัติของวัสดุที่ยืดหยุ่นเต็มที่และโมดูลัสที่ไม่ขึ้นกับความลึกของการเยื้องเมื่อใช้วิธีนี้ ขั้นแรกเราได้ทดสอบมาตรฐานแบบอ่อนพิเศษด้วยโมดูลัสที่รู้จักเพื่อหาปริมาณของวิธีการนี้ จากนั้นจึงใช้วิธีนี้เพื่อระบุลักษณะของพื้นผิวของวัสดุคอนแทคเลนส์สองชนิดที่แตกต่างกันวิธีการระบุลักษณะเฉพาะของพื้นผิวรอยบุ๋มนาโน AFM ด้วยความไวที่เพิ่มขึ้นนี้คาดว่าจะนำไปใช้กับวัสดุอัลตราซอฟต์ต่างชนิดที่เลียนแบบทางชีวภาพได้หลากหลายประเภท โดยมีศักยภาพในการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์และการใช้งานด้านชีวการแพทย์
คอนแทคเลนส์ Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) และพื้นผิวซิลิโคนไฮโดรเจลของพวกเขาได้รับเลือกสำหรับการทดลองรอยบุ๋มระดับนาโนมีการใช้เมาท์เลนส์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษในการทดลองในการติดตั้งเลนส์สำหรับการทดสอบ ให้วางเลนส์อย่างระมัดระวังบนขาตั้งทรงโดม ตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่มีฟองอากาศเข้าไปข้างใน จากนั้นจึงยึดด้วยขอบรูในฟิกซ์เจอร์ที่ด้านบนของตัวยึดเลนส์ช่วยให้สามารถเข้าถึงศูนย์กลางออปติคัลของเลนส์สำหรับการทดลองการเยื้องระดับนาโนในขณะที่ถือของเหลวไว้สิ่งนี้ทำให้เลนส์มีความชุ่มชื้นอย่างเต็มที่ใช้น้ำยาบรรจุภัณฑ์คอนแทคเลนส์ 500 ไมโครลิตรเป็นน้ำยาทดสอบในการตรวจสอบผลลัพธ์เชิงปริมาณ ไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์ (PAAM) ที่ไม่ได้เปิดใช้งานในเชิงพาณิชย์ได้เตรียมจากองค์ประกอบของโพลีอะคริลาไมด์-โค-เมทิลีน-บิสแซคริลาไมด์ (จาน Petrisoft Petri 100 มม., Matrigen, Irvine, CA, USA) ซึ่งเป็นโมดูลัสยืดหยุ่นที่รู้จักของ 1 กิโลปาสคาลใช้น้ำเกลือบัฟเฟอร์ฟอสเฟต 4-5 หยด (ประมาณ 125 µl) (PBS จาก Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) และน้ำยาคอนแทคเลนส์ OPTI-FREE Puremoist 1 หยด (Alcon, Vaud, TX, USA)) ที่อินเทอร์เฟซโพรบไฮโดรเจล AFM
ตัวอย่างของวัสดุพิมพ์ Lehfilcon A CL และ SiHy ถูกมองเห็นโดยใช้ระบบ FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) พร้อมกับเครื่องตรวจจับ Scanning Transmission Electron Microscope (STEM)ในการเตรียมตัวอย่าง เลนส์จะถูกล้างด้วยน้ำก่อนและตัดเป็นชิ้นรูปวงกลมเพื่อให้ได้คอนทราสต์ที่แตกต่างกันระหว่างส่วนประกอบที่ชอบน้ำและไม่ชอบน้ำของตัวอย่าง จึงใช้สารละลายที่มีความเสถียร 0.10% ของ RuO4 เป็นสีย้อม ซึ่งตัวอย่างถูกแช่เป็นเวลา 30 นาทีการย้อมสี lehfilcon A CL RuO4 มีความสำคัญไม่เพียงแต่เพื่อให้ได้คอนทราสต์ที่แตกต่างกันที่ดีขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยรักษาโครงสร้างของแปรงโพลิเมอร์แบบแตกแขนงไว้ในรูปแบบดั้งเดิม ซึ่งจะมองเห็นได้ในภาพ STEMจากนั้นจึงถูกล้างและทำให้แห้งในชุดของส่วนผสมเอทานอล/น้ำโดยเพิ่มความเข้มข้นของเอทานอลจากนั้น ตัวอย่างถูกหล่อด้วย EMBed 812/Araldite epoxy ซึ่งบ่มข้ามคืนที่ 70°Cบล็อกตัวอย่างที่ได้จากเรซินโพลิเมอไรเซชันถูกตัดด้วยอุลตร้าไมโครโทม และมองเห็นส่วนที่บางด้วยเครื่องตรวจจับ STEM ในโหมดสุญญากาศต่ำที่แรงดันเร่ง 30 kVระบบ SEM เดียวกันนี้ใช้สำหรับการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะโดยละเอียดของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA)ได้รับภาพ SEM ของโพรบ AFM ในโหมดสูญญากาศสูงทั่วไปด้วยแรงดันเร่ง 30 kVรับภาพที่มุมและกำลังขยายต่างๆ เพื่อบันทึกรายละเอียดทั้งหมดของรูปร่างและขนาดของปลายโพรบ AFMขนาดส่วนปลายที่น่าสนใจทั้งหมดในภาพวัดแบบดิจิทัล
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) พร้อมโหมด “PeakForce QNM in Fluid” ถูกใช้เพื่อแสดงภาพและระบุอนุภาคนาโนของ lehfilcon A CL, SiHy substrate และ PAAm ไฮโดรเจลสำหรับการทดลองเกี่ยวกับการถ่ายภาพ โพรบ PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) ที่มีรัศมีปลายเล็กน้อยที่ 1 นาโนเมตรถูกนำมาใช้เพื่อจับภาพตัวอย่างที่มีความละเอียดสูงที่อัตราการสแกน 0.50 Hzภาพทั้งหมดถ่ายในสารละลายที่เป็นน้ำ
การทดลองการเยื้องนาโนของ AFM ดำเนินการโดยใช้โพรบ PFQNM-LC-A-CAL (Bruker)หัววัด AFM มีปลายซิลิกอนบนคานยื่นไนไตรด์ที่มีความหนา 345 นาโนเมตร ยาว 54 µm และกว้าง 4.5 µm ที่มีความถี่เรโซแนนซ์ 45 kHzได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อระบุลักษณะและทำการตรวจวัดทางกลศาสตร์นาโนเชิงปริมาณในตัวอย่างทางชีววิทยาที่อ่อนนุ่มเซ็นเซอร์ได้รับการปรับเทียบทีละตัวที่โรงงานด้วยการตั้งค่าสปริงที่สอบเทียบล่วงหน้าค่าคงที่สปริงของโพรบที่ใช้ในการศึกษานี้อยู่ในช่วง 0.05–0.1 N/mเพื่อระบุรูปร่างและขนาดของปลายอย่างแม่นยำ โพรบได้รับการระบุรายละเอียดโดยใช้ SEMบนมะเดื่อรูปที่ 1a แสดงความละเอียดสูง, ไมโครกราฟของอิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่มีกำลังขยายต่ำของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL ซึ่งให้มุมมองแบบองค์รวมของการออกแบบโพรบบนมะเดื่อ1b แสดงภาพขยายด้านบนของปลายหัววัด โดยให้ข้อมูลเกี่ยวกับรูปร่างและขนาดของปลายที่ปลายสุด เข็มจะเป็นซีกโลกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 140 นาโนเมตร (รูปที่ 1c)ด้านล่างนี้ ปลายจะเรียวเป็นรูปทรงกรวย มีความยาวที่วัดได้ประมาณ 500 นาโนเมตรภายนอกส่วนที่เรียว ปลายจะเป็นทรงกระบอกและสิ้นสุดที่ความยาวปลายรวม 1.18 µmนี่คือส่วนการทำงานหลักของปลายโพรบนอกจากนี้ โพรบโพลีสไตรีน (PS) ทรงกลมขนาดใหญ่ (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 45 µm และค่าคงที่สปริง 2 N/m ยังถูกใช้สำหรับการทดสอบเป็นโพรบคอลลอยด์อีกด้วยด้วยโพรบ PFQNM-LC-A-CAL 140 นาโนเมตรสำหรับการเปรียบเทียบ
มีรายงานว่าของเหลวสามารถติดอยู่ระหว่างหัววัด AFM และโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์ระหว่างการเยื้องระดับนาโน ซึ่งจะทำให้หัววัด AFM ออกแรงขึ้นก่อนที่มันจะสัมผัสกับพื้นผิวจริง69ผลการอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดเนื่องจากการกักเก็บของไหลสามารถเปลี่ยนจุดที่สัมผัสได้ ซึ่งส่งผลต่อการวัดค่าโมดูลัสของพื้นผิวเพื่อศึกษาผลกระทบของรูปทรงของโพรบและความเร็วการเยื้องต่อการกักเก็บของไหล เส้นโค้งแรงเยื้องถูกพล็อตสำหรับตัวอย่าง lehfilcon A CL โดยใช้โพรบเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการกระจัดคงที่ 1 µm/s และ 2 µm/sเส้นผ่านศูนย์กลางโพรบ 45 µm ตั้งค่าแรงคงที่ 6 nN ที่ 1 µm/sทำการทดลองกับโพรบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่ความเร็วการเจาะ 1 µm/s และแรงที่ตั้งไว้ 300 pN โดยเลือกเพื่อสร้างแรงกดสัมผัสภายในช่วงทางสรีรวิทยา (1–8 kPa) ของเปลือกตาบนความดัน 72. ตัวอย่างไฮโดรเจล PAA สำเร็จรูปแบบอ่อนที่มีความดัน 1 kPa ได้รับการทดสอบสำหรับแรงเยื้องที่ 50 pN ที่ความเร็ว 1 μm/s โดยใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตร
เนื่องจากความยาวของส่วนทรงกรวยของส่วนปลายของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL นั้นอยู่ที่ประมาณ 500 นาโนเมตร สำหรับความลึกของการเยื้องใดๆ ที่น้อยกว่า 500 นาโนเมตร จึงสามารถสันนิษฐานได้อย่างปลอดภัยว่ารูปทรงเรขาคณิตของโพรบระหว่างการเยื้องจะยังคงเป็นจริงตามนั้น รูปทรงกรวยนอกจากนี้ สันนิษฐานว่าพื้นผิวของวัสดุที่ทดสอบจะแสดงการตอบสนองแบบยืดหยุ่นที่พลิกกลับได้ ซึ่งจะได้รับการยืนยันในส่วนต่อไปนี้ด้วยดังนั้น ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของปลาย เราจึงเลือกแบบจำลองการปรับพอดีทรงกลมกรวยที่พัฒนาโดย Briscoe, Sebastian และ Adams ซึ่งมีอยู่ในซอฟต์แวร์ของผู้จำหน่าย เพื่อประมวลผลการทดลอง AFM nanoindentation (NanoScope) ของเราซอฟต์แวร์วิเคราะห์ข้อมูลแยก, Bruker) 73. แบบจำลองอธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงและการกระจัด F(δ) ของกรวยที่มีจุดยอดเป็นทรงกลมบนมะเดื่อรูปที่ 2 แสดงรูปทรงสัมผัสระหว่างการทำงานร่วมกันของกรวยแข็งกับปลายทรงกลม โดยที่ R คือรัศมีของปลายทรงกลม a คือรัศมีการสัมผัส b คือรัศมีการสัมผัสที่ปลายทรงกลม δ คือ รัศมีการติดต่อความลึกของการเยื้อง θ คือครึ่งมุมของกรวยภาพ SEM ของโพรบนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าปลายทรงกลมขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรผสานกันเป็นรูปกรวย ดังนั้น b จึงถูกกำหนดผ่าน R เท่านั้น นั่นคือ b = R cos θซอฟต์แวร์ที่ผู้จำหน่ายจัดหาให้มีความสัมพันธ์แบบกรวยทรงกลมเพื่อคำนวณค่าโมดูลัสของ Young (E) จากข้อมูลการแยกแรงโดยสมมติว่า a > bความสัมพันธ์:
โดยที่ F คือแรงเยื้อง E คือโมดูลัสของ Young ν คืออัตราส่วนของปัวซองรัศมีการสัมผัส a สามารถประเมินได้โดยใช้:
แผนผังของรูปทรงสัมผัสของกรวยแข็งที่มีปลายทรงกลมกดลงในวัสดุของคอนแทคเลนส์ Lefilcon ด้วยชั้นพื้นผิวของแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วน
ถ้า a ≤ b ความสัมพันธ์จะลดลงเป็นสมการของหัวกดทรงกลมแบบเดิม
เราเชื่อว่าการโต้ตอบของโพรบเยื้องกับโครงสร้างแบบแยกส่วนของแปรงโพลิเมอร์ PMPC จะทำให้รัศมีการสัมผัส a มากกว่ารัศมีการสัมผัสทรงกลม bดังนั้น สำหรับการวัดเชิงปริมาณทั้งหมดของโมดูลัสยืดหยุ่นที่ดำเนินการในการศึกษานี้ เราใช้การพึ่งพาที่ได้รับสำหรับกรณี a > b
วัสดุ biomimetic อัลตร้าซอฟต์ที่ศึกษาในการศึกษานี้ได้รับการถ่ายภาพอย่างครอบคลุมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราด (STEM) ของภาพตัดขวางตัวอย่างและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ของพื้นผิวลักษณะพื้นผิวโดยละเอียดนี้ดำเนินการเป็นส่วนเสริมของงานที่ตีพิมพ์ก่อนหน้านี้ ซึ่งเราพิจารณาว่าโครงสร้างแปรงโพลีเมอร์ที่แตกกิ่งแบบไดนามิกของพื้นผิว lehfilcon A CL ที่ดัดแปลงโดย PMPC แสดงคุณสมบัติเชิงกลที่คล้ายคลึงกับเนื้อเยื่อกระจกตาพื้นเมือง 14ด้วยเหตุนี้ เราจึงเรียกพื้นผิวคอนแทคเลนส์ว่าเป็นวัสดุเลียนแบบทางชีวภาพ14บนมะเดื่อ3a, b แสดงภาพตัดขวางของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์ PMPC แบบแยกส่วนบนพื้นผิวของซับสเตรต lehfilcon A CL และซับสเตรต SiHy ที่ไม่ผ่านการบำบัด ตามลำดับพื้นผิวของทั้งสองตัวอย่างได้รับการวิเคราะห์เพิ่มเติมโดยใช้ภาพ AFM ความละเอียดสูง ซึ่งยืนยันผลการวิเคราะห์ STEM เพิ่มเติม (รูปที่ 3c, d)เมื่อนำมารวมกัน รูปภาพเหล่านี้ให้ความยาวโดยประมาณของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วน PMPC ที่ 300–400 นาโนเมตร ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการตีความการวัด AFM nanoindentationข้อสังเกตที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่ได้จากภาพคือโครงสร้างพื้นผิวโดยรวมของวัสดุเลียนแบบชีวภาพ CL นั้นแตกต่างทางสัณฐานวิทยาจากวัสดุซับสเตรต SiHyความแตกต่างในสัณฐานวิทยาของพื้นผิวนี้สามารถปรากฏให้เห็นได้ในระหว่างการโต้ตอบเชิงกลกับโพรบ AFM ที่เยื้อง และต่อมาในค่าโมดูลัสที่วัดได้
ภาพตัดขวาง STEM ของ (a) lehfilcon A CL และ (b) สารตั้งต้น SiHyสเกลบาร์ 500 นาโนเมตรภาพ AFM ของพื้นผิวของวัสดุพิมพ์ lehfilcon A CL (c) และวัสดุพิมพ์ฐาน SiHy (d) (3 µm × 3 µm)
โพลิเมอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพและโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์มีความอ่อนนุ่มโดยเนื้อแท้ และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและนำไปใช้ในการใช้งานด้านชีวการแพทย์ต่างๆ74,75,76,77ดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องใช้วิธี AFM nanoindentation ซึ่งสามารถวัดคุณสมบัติเชิงกลได้อย่างถูกต้องและเชื่อถือได้แต่ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติเฉพาะของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษเหล่านี้ เช่น โมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก ปริมาณของเหลวสูง และความยืดหยุ่นสูง มักทำให้ยากต่อการเลือกวัสดุ รูปร่าง และรูปทรงของหัววัดการเยื้องที่เหมาะสมขนาด.นี่เป็นสิ่งสำคัญเพื่อไม่ให้หัวกดเจาะพื้นผิวที่อ่อนนุ่มของตัวอย่าง ซึ่งจะนำไปสู่ข้อผิดพลาดในการกำหนดจุดสัมผัสกับพื้นผิวและพื้นที่สัมผัส
สำหรับสิ่งนี้ ความเข้าใจอย่างครอบคลุมเกี่ยวกับสัณฐานวิทยาของวัสดุชีวภาพที่นิ่มเป็นพิเศษ (lehfilcon A CL) เป็นสิ่งจำเป็นข้อมูลเกี่ยวกับขนาดและโครงสร้างของแปรงพอลิเมอร์แบบแยกส่วนที่ได้รับจากวิธีการสร้างภาพเป็นพื้นฐานสำหรับการกำหนดคุณลักษณะเชิงกลของพื้นผิวโดยใช้เทคนิคการเยื้องศูนย์ AFM ระดับนาโนแทนที่จะใช้โพรบคอลลอยด์ทรงกลมขนาดไมครอน เราเลือกโพรบซิลิคอนไนไตรด์ (Bruker) PFQNM-LC-A-CAL ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางปลาย 140 นาโนเมตร ซึ่งออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับการทำแผนที่เชิงปริมาณของคุณสมบัติเชิงกลของตัวอย่างทางชีวภาพ 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 เหตุผลในการใช้หัววัดที่ค่อนข้างคมเมื่อเทียบกับหัววัดคอลลอยด์ทั่วไปสามารถอธิบายได้จากลักษณะทางโครงสร้างของวัสดุการเปรียบเทียบขนาดปลายโพรบ (~140 นาโนเมตร) กับแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วนบนพื้นผิวของ CL lehfilcon A ดังแสดงในรูปที่ 3a สรุปได้ว่าปลายมีขนาดใหญ่พอที่จะสัมผัสโดยตรงกับโครงสร้างแปรงเหล่านี้ ซึ่ง ลดโอกาสที่ปลายทิปจะทะลุออกมาเพื่ออธิบายประเด็นนี้ ในรูปที่ 4 เป็นภาพ STEM ของ lehfilcon A CL และปลายเยื้องของโพรบ AFM (วาดเป็นสเกล)
แผนผังแสดงภาพ STEM ของ lehfilcon A CL และ ACM indentation probe (วาดเป็นมาตราส่วน)
นอกจากนี้ ปลายขนาด 140 นาโนเมตรยังเล็กพอที่จะหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของผลกระทบจากการอัดขึ้นรูปเหนียวใดๆ ที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้สำหรับแปรงโพลิเมอร์ที่ผลิตโดยวิธี CP-AFM nanoindentation69,71เราคิดว่าเนื่องจากรูปทรงกรวยทรงกลมแบบพิเศษและขนาดที่ค่อนข้างเล็กของทิป AFM นี้ (รูปที่ 1) ลักษณะของเส้นโค้งแรงที่สร้างขึ้นโดย lehfilcon A CL nanoindentation จะไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการเยื้องหรือความเร็วในการขนถ่าย .ดังนั้นจึงไม่ได้รับผลกระทบจากการเกิดรูพรุนเพื่อทดสอบสมมติฐานนี้ ตัวอย่าง lehfilcon A CL ถูกเยื้องที่แรงสูงสุดคงที่โดยใช้โพรบ PFQNM-LC-A-CAL แต่ด้วยความเร็วที่แตกต่างกันสองค่า และเส้นโค้งแรงดึงและแรงดึงที่เกิดขึ้นนั้นถูกใช้เพื่อวางแผนแรง (nN) ในการแยก (µm) แสดงในรูปที่ 5aเป็นที่ชัดเจนว่าเส้นโค้งแรงระหว่างการขนถ่ายทับซ้อนกันทั้งหมด และไม่มีหลักฐานชัดเจนว่าแรงเฉือนที่ความลึกของการเยื้องเป็นศูนย์จะเพิ่มขึ้นตามความเร็วการเยื้องในภาพ ซึ่งบ่งชี้ว่าองค์ประกอบของแปรงแต่ละชิ้นมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีผลทำให้เกิดรูพรุนในทางตรงกันข้าม ผลการกักเก็บของไหล (การอัดขึ้นรูปที่มีความหนืดและผลกระทบจากความยืดหยุ่นของรูพรุน) เห็นได้ชัดสำหรับโพรบ AFM ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 45 µm ที่ความเร็วการเยื้องเท่ากัน และถูกเน้นด้วยฮิสเทรีซิสระหว่างเส้นโค้งยืดและหด ดังแสดงในรูปที่ 5bผลลัพธ์เหล่านี้สนับสนุนสมมติฐานและแนะนำว่าหัววัดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการระบุลักษณะของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มดังกล่าว
lehfilcon เส้นโค้งแรงเยื้อง A CL โดยใช้ ACM;(a) ใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่อัตราการโหลดสองระดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าไม่มีผลทำให้เกิดรูพรุนระหว่างการเยื้องของพื้นผิว(b) ใช้โพรบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 45 µm และ 140 นาโนเมตรแสดงผลของการอัดขึ้นรูปหนืดและความยืดหยุ่นของรูพรุนสำหรับโพรบขนาดใหญ่เมื่อเทียบกับโพรบขนาดเล็ก
ในการระบุลักษณะเฉพาะของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษ วิธีการตรวจวัดระดับนาโนของ AFM ต้องมีโพรบที่ดีที่สุดในการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุภายใต้การศึกษานอกจากรูปร่างและขนาดของทิปแล้ว ความไวของระบบตรวจจับ AFM ความไวต่อการโก่งตัวของทิปในสภาพแวดล้อมการทดสอบ และความแข็งของคานยื่นยังมีบทบาทสำคัญในการกำหนดความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของรอยบุ๋มระดับนาโนการวัดสำหรับระบบ AFM ของเรา ขีดจำกัดการตรวจจับของ Position Sensitive Detector (PSD) อยู่ที่ประมาณ 0.5 mV และขึ้นอยู่กับอัตราสปริงที่สอบเทียบล่วงหน้าและความไวในการเบี่ยงเบนของเหลวที่คำนวณได้ของโพรบ PFQNM-LC-A-CAL ซึ่งสอดคล้องกับ ความไวในการโหลดทางทฤษฎีน้อยกว่า 0.1 pNดังนั้น วิธีนี้ทำให้สามารถวัดแรงเยื้องขั้นต่ำ ≤ 0.1 pN โดยไม่มีส่วนประกอบของเสียงรบกวนรอบข้างอย่างไรก็ตาม แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่ระบบ AFM จะลดเสียงรบกวนรอบข้างให้อยู่ในระดับนี้ เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น การสั่นสะเทือนทางกลและไดนามิกของของไหลปัจจัยเหล่านี้จำกัดความไวโดยรวมของวิธี AFM nanoindentation และยังส่งผลให้เกิดสัญญาณรบกวนเบื้องหลังที่ประมาณ ≤ 10 pNสำหรับลักษณะพื้นผิว ตัวอย่างวัสดุพิมพ์ lehfilcon A CL และ SiHy ถูกเยื้องภายใต้สภาวะที่มีน้ำเต็มที่โดยใช้โพรบ 140 นาโนเมตรสำหรับการวิเคราะห์ลักษณะ SEM และเส้นโค้งของแรงที่เกิดขึ้นจะถูกซ้อนทับระหว่างแรง (pN) และความดันพล็อตการแยก (µm) แสดงในรูปที่ 6aเมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตฐาน SiHy เส้นโค้งแรง lehfilcon A CL แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงระยะเปลี่ยนผ่านที่เริ่มต้นที่จุดสัมผัสกับแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วน และสิ้นสุดด้วยการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วในการสัมผัสการทำเครื่องหมายความลาดเอียงของปลายกับวัสดุด้านล่างส่วนเปลี่ยนผ่านของเส้นโค้งแรงนี้เน้นพฤติกรรมที่ยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วนบนพื้นผิว เห็นได้จากเส้นโค้งแรงอัดที่ตามมาอย่างใกล้ชิดกับเส้นโค้งความตึงและความเปรียบต่างในคุณสมบัติเชิงกลระหว่างโครงสร้างแปรงและวัสดุ SiHy ขนาดใหญ่เมื่อเปรียบเทียบเลฟิลคอน.การแยกความยาวเฉลี่ยของแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วนในภาพ STEM ของ PCS (รูปที่ 3a) และเส้นโค้งแรงของมันตามแนว abscissa ในรูปที่ 3a6a แสดงให้เห็นว่าวิธีการนี้สามารถตรวจหาส่วนปลายและพอลิเมอร์ที่มีกิ่งก้านซึ่งไปถึงด้านบนสุดของพื้นผิวได้การสัมผัสระหว่างโครงสร้างแปรงนอกจากนี้ การเหลื่อมกันอย่างใกล้ชิดของเส้นแรงแสดงว่าไม่มีผลต่อการกักเก็บของเหลวในกรณีนี้ จะไม่มีการยึดเกาะระหว่างเข็มกับพื้นผิวของตัวอย่างอย่างแน่นอนส่วนบนสุดของเส้นโค้งแรงสำหรับตัวอย่างทั้งสองทับซ้อนกัน ซึ่งสะท้อนถึงคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุพื้นผิวที่คล้ายคลึงกัน
(a) เส้นโค้งแรงเยื้องนาโน AFM สำหรับวัสดุพิมพ์ lehfilcon A CL และวัสดุพิมพ์ SiHy (b) เส้นโค้งแรงที่แสดงการประมาณค่าจุดสัมผัสโดยใช้วิธีเกณฑ์เสียงรบกวนพื้นหลัง
เพื่อศึกษารายละเอียดปลีกย่อยของเส้นโค้งแรง เส้นโค้งความตึงของตัวอย่าง lehfilcon A CL จะถูกวางแผนใหม่ในรูปที่ 6b ด้วยแรงสูงสุด 50 pN ตามแกน yกราฟนี้แสดงข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับเสียงรบกวนพื้นหลังดั้งเดิมสัญญาณรบกวนอยู่ในช่วง ±10 pN ซึ่งใช้เพื่อกำหนดจุดสัมผัสและคำนวณความลึกของการเยื้องอย่างแม่นยำตามที่รายงานในเอกสาร การระบุจุดสัมผัสมีความสำคัญต่อการประเมินคุณสมบัติของวัสดุอย่างแม่นยำ เช่น โมดูลัส85วิธีการที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลข้อมูลเส้นโค้งแรงแบบอัตโนมัติได้แสดงให้เห็นถึงความพอดีที่ดีขึ้นระหว่างการปรับข้อมูลให้เหมาะสมและการวัดเชิงปริมาณสำหรับวัสดุที่อ่อนนุ่ม86ในงานนี้ ทางเลือกของจุดติดต่อของเรานั้นค่อนข้างเรียบง่ายและมีวัตถุประสงค์ แต่ก็มีข้อจำกัดวิธีการแบบอนุรักษ์นิยมของเราในการกำหนดจุดสัมผัสอาจส่งผลให้มีค่าโมดูลัสสูงเกินจริงเล็กน้อยสำหรับความลึกของการเยื้องที่น้อยกว่า (< 100 นาโนเมตร)การใช้การตรวจจับจุดสัมผัสตามอัลกอริทึมและการประมวลผลข้อมูลอัตโนมัติอาจเป็นงานต่อเนื่องในอนาคตเพื่อปรับปรุงวิธีการของเราให้ดียิ่งขึ้นดังนั้น สำหรับสัญญาณรบกวนพื้นหลังภายในลำดับที่ ±10 pN เรากำหนดจุดสัมผัสเป็นจุดข้อมูลแรกบนแกน x ในรูปที่ 6b ด้วยค่า ≥10 pNจากนั้น ตามเกณฑ์เสียงรบกวนที่ 10 pN เส้นแนวตั้งที่ระดับ ~0.27 µm จะทำเครื่องหมายจุดที่สัมผัสกับพื้นผิว หลังจากนั้นเส้นโค้งที่ยืดออกจะดำเนินต่อไปจนกว่าวัสดุพิมพ์จะถึงความลึกของการเยื้องที่ ~270 นาโนเมตรน่าสนใจ เมื่อพิจารณาจากขนาดของคุณสมบัติแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วน (300–400 นาโนเมตร) ที่วัดโดยใช้วิธีการถ่ายภาพ ความลึกของการเยื้องของ CL lehfilcon ตัวอย่างที่สังเกตโดยใช้วิธีเกณฑ์เกณฑ์เสียงรบกวนพื้นหลังคือประมาณ 270 นาโนเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับ ขนาดการวัดด้วย STEMผลลัพธ์เหล่านี้ช่วยยืนยันความเข้ากันได้และการใช้งานของรูปร่างและขนาดของปลายโพรบ AFM สำหรับการเยื้องของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์แบบกิ่งที่อ่อนนุ่มและยืดหยุ่นสูงนี้ข้อมูลนี้ยังให้หลักฐานที่ชัดเจนในการสนับสนุนวิธีการใช้เสียงพื้นหลังเป็นเกณฑ์ในการระบุจุดสัมผัสดังนั้น ผลลัพธ์เชิงปริมาณใดๆ ที่ได้รับจากการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และการปรับเส้นโค้งแรงควรค่อนข้างแม่นยำ
การวัดเชิงปริมาณด้วยวิธี AFM nanoindentation นั้นขึ้นอยู่กับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้สำหรับการเลือกข้อมูลและการวิเคราะห์ในภายหลังดังนั้นจึงเป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องพิจารณาปัจจัยทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการเลือกหัวกด คุณสมบัติของวัสดุ และกลไกของการทำงานร่วมกันก่อนที่จะเลือกรุ่นใดรุ่นหนึ่งในกรณีนี้ รูปทรงของทิปมีลักษณะเฉพาะอย่างระมัดระวังโดยใช้ SEM micrographs (รูปที่ 1) และจากผลที่ได้ โพรบนาโนเยื้อง AFM ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 140 นาโนเมตรที่มีทรงกรวยแข็งและรูปทรงทิปทรงกลมเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการระบุลักษณะของตัวอย่าง lehfilcon A CL79 .ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องได้รับการประเมินอย่างรอบคอบคือความยืดหยุ่นของวัสดุพอลิเมอร์ที่กำลังทดสอบแม้ว่าข้อมูลเริ่มต้นของรอยบุ๋มระดับนาโน (รูปที่ 5a และ 6a) จะสรุปคุณลักษณะของการทับซ้อนกันของเส้นโค้งความตึงและแรงอัดไว้อย่างชัดเจน กล่าวคือ การคืนตัวแบบยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์ของวัสดุ สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือการยืนยันลักษณะยืดหยุ่นอย่างแท้จริงของหน้าสัมผัส .เพื่อจุดประสงค์นี้ การเยื้องสองครั้งติดต่อกันถูกดำเนินการที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL ที่อัตราการเยื้อง 1 µm/s ภายใต้สภาวะที่มีน้ำเต็มข้อมูลเส้นโค้งของแรงที่เกิดขึ้นแสดงในรูปที่7 และตามที่คาดไว้ เส้นโค้งการขยายและการบีบอัดของภาพพิมพ์ทั้งสองเกือบจะเหมือนกัน โดยเน้นให้เห็นถึงความยืดหยุ่นสูงของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วน
เส้นโค้งแรงเยื้องสองเส้นที่ตำแหน่งเดียวกันบนพื้นผิวของ lehfilcon A CL บ่งบอกถึงความยืดหยุ่นในอุดมคติของพื้นผิวเลนส์
จากข้อมูลที่ได้รับจากภาพ SEM และ STEM ของปลายโพรบและพื้นผิว lehfilcon A CL ตามลำดับ แบบจำลองทรงกรวยเป็นการแสดงทางคณิตศาสตร์ที่สมเหตุสมผลของการทำงานร่วมกันระหว่างปลายโพรบ AFM และวัสดุโพลิเมอร์อ่อนที่กำลังทดสอบนอกจากนี้ สำหรับแบบจำลองทรงกรวยทรงกลมนี้ สมมติฐานพื้นฐานเกี่ยวกับคุณสมบัติยืดหยุ่นของวัสดุพิมพ์ถือเป็นจริงสำหรับวัสดุเลียนแบบชีวภาพใหม่นี้ และใช้ในการหาปริมาณโมดูลัสยืดหยุ่น
หลังจากการประเมินวิธีการเยื้องศูนย์นาโน AFM อย่างครอบคลุมและส่วนประกอบต่างๆ รวมถึงคุณสมบัติของโพรบเยื้อง (รูปร่าง ขนาด และความแข็งของสปริง) ความไว (การประมาณเสียงพื้นหลังและจุดสัมผัส) และแบบจำลองการปรับข้อมูล (การวัดโมดูลัสเชิงปริมาณ) วิธีการคือ ใช้แล้ว.กำหนดลักษณะของตัวอย่างที่อ่อนนุ่มพิเศษที่มีจำหน่ายในท้องตลาดเพื่อตรวจสอบผลลัพธ์เชิงปริมาณไฮโดรเจลโพลีอะคริลาไมด์เชิงพาณิชย์ (PAAM) ที่มีโมดูลัสยืดหยุ่น 1 kPa ได้รับการทดสอบภายใต้สภาวะที่มีความชื้นโดยใช้โพรบ 140 นาโนเมตรรายละเอียดของการทดสอบโมดูลและการคำนวณมีอยู่ในข้อมูลเสริมผลการวิจัยพบว่าโมดูลัสเฉลี่ยที่วัดได้คือ 0.92 kPa และค่าเบี่ยงเบน %RSD และเปอร์เซ็นต์ (%) จากค่าโมดูลัสที่ทราบมีค่าน้อยกว่า 10%ผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความถูกต้องและความสามารถในการทำซ้ำของวิธี AFM nanoindentation ที่ใช้ในงานนี้เพื่อวัดโมดูลัสของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษพื้นผิวของตัวอย่าง lehfilcon A CL และซับสเตรตฐาน SiHy มีลักษณะเพิ่มเติมโดยใช้วิธี AFM nanoindentation เดียวกันเพื่อศึกษาโมดูลัสสัมผัสที่ชัดเจนของพื้นผิว ultrasoft เป็นฟังก์ชันของความลึกของการเยื้องเส้นโค้งการแยกแรงเยื้องถูกสร้างขึ้นสำหรับตัวอย่างสามตัวอย่างแต่ละประเภท (n = 3; หนึ่งการเยื้องต่อชิ้นงาน) ที่แรง 300 pN ความเร็ว 1 µm/s และการให้น้ำเต็มที่เส้นโค้งการแบ่งแรงเยื้องถูกประมาณโดยใช้แบบจำลองกรวย-ทรงกลมเพื่อให้ได้โมดูลัสที่ขึ้นอยู่กับความลึกของการเยื้อง เส้นโค้งแรงส่วนกว้าง 40 นาโนเมตรถูกตั้งค่าที่การเพิ่มทีละ 20 นาโนเมตรโดยเริ่มจากจุดที่สัมผัส และค่าที่วัดได้ของโมดูลัสที่แต่ละขั้นของเส้นโค้งแรงSpin Cy และคณะวิธีการที่คล้ายกันนี้ถูกนำมาใช้เพื่อระบุลักษณะการไล่ระดับสีโมดูลัสของแปรงพอลิเมอร์โพลี (ลอริลเมทาคริเลต) (P12MA) โดยใช้การระบุระดับนาโนของโพรบ AFM คอลลอยด์ และสอดคล้องกับข้อมูลที่ใช้แบบจำลองการสัมผัสของเฮิรตซ์วิธีการนี้แสดงพล็อตของโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน (kPa) เทียบกับความลึกของการเยื้อง (nm) ดังแสดงในรูปที่ 8 ซึ่งแสดงโมดูลัสของการสัมผัสที่ชัดเจน/การไล่ระดับความลึกโมดูลัสยืดหยุ่นที่คำนวณได้ของ CL lehfilcon A ตัวอย่างอยู่ในช่วง 2–3 kPa ภายใน 100 นาโนเมตรบนของตัวอย่าง ซึ่งเกินกว่านั้นจะเริ่มเพิ่มขึ้นตามความลึกในทางกลับกัน เมื่อทดสอบซับสเตรตฐาน SiHy โดยไม่มีฟิล์มแบบแปรงบนพื้นผิว ความลึกของการเยื้องสูงสุดที่ทำได้ด้วยแรง 300 pN จะน้อยกว่า 50 นาโนเมตร และค่าโมดูลัสที่ได้จากข้อมูลคือประมาณ 400 kPa ซึ่งเทียบได้กับค่าโมดูลัสของ Young สำหรับวัสดุจำนวนมาก
โมดูลัสสัมผัสปรากฏ (kPa) เทียบกับความลึกของการเยื้อง (nm) สำหรับซับสเตรต lehfilcon A CL และ SiHy โดยใช้วิธี AFM nanoindentation กับรูปทรงกรวยทรงกลมเพื่อวัดโมดูลัส
พื้นผิวบนสุดของโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์แบบแยกกิ่งที่เลียนแบบทางชีวภาพแบบใหม่นี้แสดงโมดูลัสความยืดหยุ่นที่ต่ำมาก (2–3 kPa)ซึ่งจะตรงกับปลายที่ห้อยของแปรงโพลิเมอร์แบบคีบตามที่แสดงในภาพ STEMแม้ว่าจะมีหลักฐานบางอย่างเกี่ยวกับการไล่ระดับสีแบบโมดูลัสที่ขอบด้านนอกของ CL แต่สารตั้งต้นโมดูลัสสูงหลักจะมีอิทธิพลมากกว่าอย่างไรก็ตาม พื้นผิวด้านบน 100 นาโนเมตรอยู่ภายใน 20% ของความยาวทั้งหมดของแปรงโพลีเมอร์แบบแยกส่วน ดังนั้นจึงมีเหตุผลที่จะสันนิษฐานว่าค่าที่วัดได้ของโมดูลัสในช่วงความลึกของการเยื้องนี้ค่อนข้างแม่นยำและไม่มากนัก ขึ้นอยู่กับผลกระทบของวัตถุด้านล่าง
เนื่องจากคอนแทคเลนส์ lehfilcon A มีการออกแบบเลียนแบบทางชีวภาพที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างแปรงโพลิเมอร์ PMPC แบบแยกส่วนซึ่งทาบลงบนพื้นผิวของสารตั้งต้น SiHy จึงเป็นเรื่องยากมากที่จะระบุลักษณะคุณสมบัติเชิงกลของโครงสร้างพื้นผิวโดยใช้วิธีการวัดแบบดั้งเดิมได้อย่างน่าเชื่อถือในที่นี้ขอนำเสนอวิธีการเยื้องนาโน AFM ขั้นสูงสำหรับการระบุลักษณะเฉพาะของวัสดุที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษอย่างแม่นยำ เช่น lefilcon A ที่มีปริมาณน้ำสูงและมีความยืดหยุ่นสูงมากวิธีนี้ขึ้นอยู่กับการใช้หัววัด AFM ซึ่งขนาดปลายและรูปทรงเรขาคณิตได้รับการคัดเลือกอย่างระมัดระวังเพื่อให้ตรงกับขนาดโครงสร้างของพื้นผิวที่อ่อนนุ่มเป็นพิเศษที่จะพิมพ์ขนาดที่รวมกันระหว่างหัววัดและโครงสร้างนี้ช่วยเพิ่มความไว ทำให้เราสามารถวัดโมดูลัสต่ำและคุณสมบัติยืดหยุ่นโดยธรรมชาติขององค์ประกอบแปรงโพลิเมอร์แบบแยกส่วนได้ โดยไม่คำนึงถึงผลกระทบของรูพรุนผลการวิจัยพบว่าลักษณะเฉพาะของแปรงโพลิเมอร์ PMPC ที่มีกิ่งก้านแยกเฉพาะบนผิวเลนส์มีโมดูลัสยืดหยุ่นต่ำมาก (ไม่เกิน 2 kPa) และมีความยืดหยุ่นสูงมาก (เกือบ 100%) เมื่อทดสอบในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำผลลัพธ์ของ AFM nanoindentation ยังช่วยให้เราสามารถระบุลักษณะของโมดูลัสการสัมผัสที่ชัดเจน/การไล่ระดับความลึก (30 kPa/200 นาโนเมตร) ของพื้นผิวเลนส์ biomimeticการไล่ระดับสีนี้อาจเกิดจากความแตกต่างของโมดูลัสระหว่างแปรงโพลีเมอร์แบบแยกส่วนและวัสดุพิมพ์ SiHy หรือโครงสร้างแบบแยกส่วน/ความหนาแน่นของแปรงโพลีเมอร์ หรือการรวมกันของพวกมันอย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงลึกเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างและคุณสมบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบของการแตกแขนงของแปรงต่อคุณสมบัติเชิงกลการวัดที่คล้ายกันสามารถช่วยระบุคุณสมบัติเชิงกลของพื้นผิวของวัสดุที่อ่อนนุ่มพิเศษและอุปกรณ์ทางการแพทย์อื่นๆ
ชุดข้อมูลที่สร้างขึ้นและ/หรือวิเคราะห์ในระหว่างการศึกษาปัจจุบันมีให้จากผู้เขียนที่เกี่ยวข้องตามคำขอที่สมเหตุสมผล
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. และ Haugen, HJ ปฏิกิริยาทางชีวภาพต่อคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพื้นผิวของวัสดุชีวภาพเคมี.สังคม.เอ็ด49, 5178–5224 (2563).
Chen, FM และ Liu, X. การปรับปรุงวัสดุชีวภาพที่ได้จากมนุษย์สำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อการเขียนโปรแกรมพอลิเมอร์.วิทยาศาสตร์.53, 86 (2559).
แซดเลอร์ เค. และคณะการออกแบบ การดำเนินการทางคลินิก และการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของวัสดุชีวภาพในเวชศาสตร์ฟื้นฟูNational Matt Rev. 1, 16040 (2016)
Oliver WK และ Farr GM วิธีการที่ได้รับการปรับปรุงสำหรับการกำหนดความแข็งและโมดูลัสยืดหยุ่นโดยใช้การทดลองการเยื้องด้วยการวัดโหลดและการเคลื่อนที่เจ. โรงเรียนเก่า.ถังเก็บ.7, 1564–1583 (2554).
Wally, SM ต้นกำเนิดทางประวัติศาสตร์ของการทดสอบความแข็งแบบเยื้องโรงเรียนเก่าวิทยาศาสตร์.เทคโนโลยี28, 1028–1044 (2555).
Broitman, E. Indentation Hardness Measurements at the Macro-, Micro-, and Nanoscale: A Critical Review.ชนเผ่าไรท์.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD และ Clapperich, SM ข้อผิดพลาดในการตรวจจับพื้นผิวนำไปสู่การประเมินค่าโมดูลัสสูงเกินไปในการระบุระดับนาโนของวัสดุที่อ่อนนุ่มเจ.เมชา.พฤติกรรม.วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์.โรงเรียนเก่า2, 312–317 (2552).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR และ Yahya M.Yuการประเมินวิธีการวัดรอยบุ๋มระดับนาโนเพื่อกำหนดลักษณะเชิงกลของคอมโพสิตนาโนชนิดต่างชนิดกันโดยใช้วิธีการทดลองและการคำนวณวิทยาศาสตร์.บ้านเลขที่ 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR และ Owart, TS การวิเคราะห์ลักษณะเชิงกลของเจลที่มีความหนืดหนืดแบบอ่อนโดยการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดผกผันตามการเยื้องและการเพิ่มประสิทธิภาพเจ.เมชา.พฤติกรรม.วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์.โรงเรียนเก่า2, 355–363 (2552).
Andrews JW, Bowen J และ Chaneler D. การเพิ่มประสิทธิภาพของการวัดค่าความยืดหยุ่นหนืดโดยใช้ระบบการวัดที่เข้ากันได้เรื่องนุ่มนวล 9, 5581–5593 (2013)
Briscoe, BJ, Fiori, L. และ Pellillo, E. Nanoindentation ของพื้นผิวโพลีเมอร์เจ. ฟิสิกส์.ง. สมัครเรียนฟิสิกส์.31, 2395 (2541).
Miyailovich AS, Tsin B. , Fortunato D. และ Van Vliet KJ การแสดงลักษณะของสมบัติเชิงกลแบบหนืดของพอลิเมอร์ที่ยืดหยุ่นสูงและเนื้อเยื่อชีวภาพโดยใช้การกระแทกกระแทกวารสารชีววัสดุ.71, 388–397 (2561).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM การประเมินโมดูลัสยืดหยุ่นและงานยึดเกาะของวัสดุเนื้ออ่อนโดยใช้วิธีการขยาย Borodich-Galanov (BG) และการเยื้องลึกขน.โรงเรียนเก่า129, 198–213 (2019)
ชิ, X. และคณะสัณฐานวิทยาระดับนาโนและสมบัติเชิงกลของพื้นผิวโพลีเมอร์ชีวภาพของคอนแทคเลนส์ซิลิโคนไฮโดรเจลแลงเมียร์ 37, 13961–13967 (2021)