Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik.CSS laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsioa erabiltzen ari zara.Esperientzia onena lortzeko, eguneratutako arakatzailea erabiltzea gomendatzen dugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea).Horrez gain, etengabeko laguntza bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScript gabe erakusten dugu.
Hiru diapositibako karrusel bat bistaratzen du aldi berean.Erabili Aurrekoa eta Hurrengoa botoiak aldi berean hiru diapositibatik mugitzeko, edo erabili amaierako graduatzaile-botoiak hiru diapositibatik aldi berean mugitzeko.
Gailu medikoetarako eta aplikazio biomedikoetarako material ultrabigunen garapenarekin, haien propietate fisiko eta mekanikoen karakterizazio integrala garrantzitsua eta erronka da.Indar atomikoaren mikroskopia aldatutako (AFM) nanoindentazio-teknika bat aplikatu zen lehfilcon A biomimetikozko silikonazko hidrogelaren ukipen lente berriaren gainazal modulu oso baxua ezaugarritzeko, polimero adarkatudun eskuila-egituren geruza batez estalitakoa.Metodo honek ukipen-puntuak zehatz zehaztea ahalbidetzen du, estrusio likatsuaren eraginik gabe, polimero adarkatuetara hurbiltzean.Horrez gain, eskuila banakako elementuen ezaugarri mekanikoak zehaztea ahalbidetzen du, poroelastikotasunaren eraginik gabe.Hau material bigunen eta lagin biologikoen propietateak neurtzeko bereziki egokia den diseinua duen AFM zunda bat hautatuz lortzen da (puntaren tamaina, geometria eta malguki-tasa).Metodo honek sentikortasuna eta zehaztasuna hobetzen ditu lehfilcon A material oso bigunaren neurketa zehatza egiteko, zeinak gainazalean elastikotasun modulu oso baxua du (2 kPa arte) eta barruko ingurune urtsuan oso elastikotasun handia (ia % 100). .Gainazaleko azterketaren emaitzek lehfilcon A lentearen gainazal bigunen propietateak agerian utzi ez ezik, polimero adarkatudun eskuilen modulua silizio-hidrogenoaren substratuarenaren parekoa zela ere erakutsi zuten.Gainazalaren karakterizazio-teknika hau beste material bigun eta gailu mediko batzuetan aplika daiteke.
Ehun bizidunekin zuzenean ukitzeko diseinatutako materialen propietate mekanikoak ingurune biologikoak zehazten ditu askotan.Materialen propietate hauen parekatze ezin hobea materialaren ezaugarri klinikoak lortzen laguntzen du zelulen erantzun kaltegarriak eragin gabe1,2,3.Solteko material homogeneoetarako, propietate mekanikoen karakterizazioa nahiko erraza da prozedura estandarren eta proba-metodoen erabilgarritasunagatik (adibidez, mikrokoskadura4,5,6).Dena den, gelak, hidrogelak, biopolimeroak, zelula biziak, etab. bezalako material ultrabigunetarako, oro har, saiakuntza-metodo hauek ez dira aplikagarriak, neurketaren bereizmen-mugengatik eta material batzuen homogeneotasunagatik7.Urteen poderioz, koska-metodo tradizionalak aldatu eta egokitu dira material bigunen sorta zabala ezaugarritzeko, baina metodo askok oraindik erabilera mugatzen duten gabezia larriak jasaten dituzte8,9,10,11,12,13.Material superbigunen eta gainazaleko geruzen propietate mekanikoak zehaztasunez eta fidagarritasunez karakterizatu ditzaketen proba-metodo espezializatuen faltak asko mugatzen du haien erabilera hainbat aplikaziotan.
Gure aurreko lanean, lehfilcon A (CL) ukipen lentea aurkeztu genuen, material heterogeneo bigun bat, begiaren kornearen gainazalean inspiratutako diseinu potentzialki biomimetikoetatik eratorritako gainazal oso bigun propietate guztiak dituena.Biomaterial hau poli(2-metakriloiloxietilfosforilkolina (MPC)) (PMPC) polimero geruza adarkatu eta gurutzatua txertatuz garatu zen silikonazko hidrogel batean (SiHy) 15 oinarritutako gailu medikoetarako diseinatuta.Injerto prozesu honek gainazalean eskuila polimeriko adarkatuko egitura oso biguna eta oso elastikoaz osatutako geruza bat sortzen du.Gure aurreko lanak baieztatu du lehfilcon A CL-ren egitura biomimetikoak gainazaleko propietate bikainak eskaintzen dituela, hala nola bustiduraren eta zikintzearen prebentzioa hobetzea, lubrifikazio handiagoa eta zelulen eta bakterioen atxikimendua murriztea15,16.Horrez gain, material biomimetiko hau erabiltzeak eta garatzeak beste gailu biomediko batzuetara hedatzea ere iradokitzen du.Hori dela eta, funtsezkoa da material ultrabigun honen gainazaleko propietateak ezaugarritzea eta begiarekin duen interakzio mekanikoa ulertzea, etorkizuneko garapen eta aplikazioei laguntzeko ezagutza-oinarri integral bat sortzeko.Komertzialki eskuragarri dauden SiHy ukipen lente gehienak material-egitura uniformea ​​osatzen duten polimero hidrofilo eta hidrofoboen nahasketa homogeneo batez osatuta daude17.Hainbat ikerketa egin dira haien propietate mekanikoak ikertzeko konpresio, trakzio eta mikrokoskatze proba metodo tradizionalak erabiliz18,19,20,21.Hala eta guztiz ere, lehfilcon A CL-ren diseinu biomimetiko berriak material heterogeneo paregabea bihurtzen du, non polimero adarkatuko eskuila egituren propietate mekanikoak SiHy oinarriko substratuarenak nabarmen desberdinak diren.Hori dela eta, oso zaila da propietate horiek zehaztasunez kuantifikatzea ohiko eta koska metodoak erabiliz.Metodo itxaropentsu batek indar atomikoko mikroskopian (AFM) inplementatutako nanoindentazio proba metodoa erabiltzen du, material biskoelastiko bigunen propietate mekanikoak zehazteko erabili dena, hala nola zelula eta ehun biologikoak, baita polimero bigunak ere22,23,24,25. .,26,27,28,29,30.AFM nanoindentazioan, nanoindentation proben oinarriak AFM teknologiaren azken aurrerapenekin konbinatzen dira, neurketa-sentsibilitate handiagoa eta berez superbigunen material sorta zabal baten probak eskaintzeko31,32,33,34,35,36.Gainera, teknologiak beste abantaila garrantzitsu batzuk eskaintzen ditu geometria desberdinak erabiliz.koska eta zundaketa eta hainbat euskarri likidotan probatzeko aukera.
AFM nanoindentazioa baldintzapean hiru osagai nagusitan bana daiteke: (1) ekipoak (sentsoreak, detektagailuak, zundak, etab.);(2) neurtzeko parametroak (esaterako, indarra, desplazamendua, abiadura, arrapalaren tamaina, etab.);(3) Datuen tratamendua (oinarrizko zuzenketa, ukipen puntuen estimazioa, datuen egokitzea, modelizazioa, etab.).Metodo honen arazo esanguratsu bat AFM nanoindentazioa erabiliz literaturako hainbat ikerketek oso emaitza kuantitatibo desberdinak ematen dituzte lagin/zelula/material mota beraren37,38,39,40,41.Adibidez, Lekka et al.AFM zunda geometriak neurtutako Young-en moduluan hidrogel mekaniko homogeneoen eta zelula heterogeneoen laginen eragina aztertu eta alderatu da.Modulu-balioak cantilever hautapenaren eta punta-formaren menpekoak direla jakinarazi dute, piramide formako zunda baten baliorik altuena eta 42 balio baxuena zunda esferiko baterako.Era berean, Selhuber-Unkel et al.Poliakrilamida (PAAM) laginen koskagailuaren abiadurak, koskagailuaren tamainak eta lodierak ACM43 nanoindentazio bidez neurtutako Young-en moduluari nola eragiten dioten erakutsi da.Beste faktore zailgarri bat modulu oso baxuko proba-material estandarrik eta doako proba-prozedurarik ez izatea da.Horrek oso zaila da emaitza zehatzak konfiantzaz lortzea.Hala ere, metodoa oso erabilgarria da antzeko lagin-moten arteko neurketa erlatiboak eta ebaluazio konparatiboak egiteko, adibidez AFM nanoindentazioa erabiliz zelula normalak minbizi-zeluletatik bereizteko 44, 45 .
Material bigunak AFM nanokontsazioarekin probatzen direnean, arau orokor bat laginaren moduluarekin bat datorren malguki-konstante baxua (k) duen zunda bat erabiltzea da, lehen zundak laginaren gainazalak zula ez ditzan. material bigunekin lehen kontaktua.Garrantzitsua da zundak sortutako desbideratze-seinalea nahikoa indartsua izatea laser detektatzeko sistemak detektatzeko24,34,46,47.Zelula, ehun eta gel heterogeneo ultrabigunen kasuan, beste erronka bat zundaren eta laginaren gainazalaren arteko itsasgarri-indarra gainditzea da, neurketa erreproduzigarriak eta fidagarriak bermatzeko48,49,50.Duela gutxi arte, AFM nanoindentazioari buruzko lan gehienak zelula, ehun, gel, hidrogel eta biomolekula biologikoen portaera mekanikoaren azterketan zentratu dira zunda esferiko handi samarrak erabiliz, normalean zunda koloidalak (CPs) deitzen direnak., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Punta hauek 1 eta 50 µm arteko erradioa dute eta normalean beira borosilikatoa, polimetil metakrilatoa (PMMA), poliestirenoa (PS), silizio dioxidoa (SiO2) eta diamantea dira. karbonoa bezala (DLC).CP-AFM nanoindentazioa sarritan lagin bigunak karakterizatzeko lehen aukera izan arren, bere arazoak eta mugak ditu.Mikra tamainako punta esferiko handien erabilerak puntak laginarekin duen ukipen-eremu osoa handitzen du eta bereizmen espazialaren galera handia dakar.Ale bigun eta ez homogeneoetarako, non tokiko elementuen propietate mekanikoak eremu zabalago batean batez bestekoarekin alderatuta nabarmen desberdinak izan daitezkeen, CP koskak tokiko eskalan propietateen edozein deshomogeneotasun ezkutatu dezake52.Zunda koloidalak normalean mikra-tamainako esfera koloidalak erantsiz egiten dira puntarik gabeko cantilever epoxi itsasgarriak erabiliz.Fabrikazio-prozesuak berak arazo asko ditu eta zunda kalibratzeko prozesuan inkoherentziak sor ditzake.Horrez gain, partikula koloidalen tamainak eta masak zuzenean eragiten dute kantileveraren kalibrazio-parametro nagusietan, hala nola, erresonantzia-maiztasuna, malgukiaren zurruntasuna eta desbideratze-sentsibilitatea56,57,58.Beraz, ohiko AFM zundetarako erabili ohi diren metodoek, tenperaturaren kalibrazioa adibidez, baliteke CPrako kalibrazio zehatzik ez ematea, eta zuzenketa horiek egiteko beste metodo batzuk behar izatea57, 59, 60, 61. CP koskatze-esperimentu tipikoek desbiderapen handiak erabiltzen dituzte aldagelarako. lagin bigunen propietateak aztertzea, eta horrek beste arazo bat sortzen du desbideratze handi samarretan kantileraren portaera ez-lineala kalibratzerakoan62,63,64.Zunda koloidalen koskatze-metodo modernoek zunda kalibratzeko erabiltzen den kantilever-aren geometria hartzen dute kontuan, baina partikula koloidalen eragina alde batera uzten dute, eta horrek ziurgabetasun gehigarria sortzen du metodoaren zehaztasunean38,61.Era berean, ukipen-ereduaren doikuntzaren bidez kalkulatutako modulu elastikoak koska-zundaren geometriaren menpekoak dira zuzenean, eta puntaren eta laginaren gainazalen ezaugarrien arteko desegokitzeak zehaztasunik ezak sor ditzake27, 65, 66, 67, 68. Spencer et al-en azken lan batzuk.CP-AFM nanoindentazio-metodoa erabiliz polimero bigunen eskuilak karakterizatzeko kontuan hartu beharreko faktoreak nabarmentzen dira.Jakinarazi dutenez, polimerozko eskuiletan fluido likatsu bat atxikitzeak abiaduraren arabera buruko karga areagotzen du eta, ondorioz, abiaduraren menpeko propietateen neurketa desberdinak30,69,70,71.
Azterketa honetan, lehfilcon A CL material ultra-bigunaren gainazal-modulua ezaugarritu dugu nanoindentazio-metodoa erabiliz.Material honen propietateak eta egitura berria kontuan hartuta, koska-metodo tradizionalaren sentsibilitate-tartea ez da nahikoa material oso bigun honen modulua karakterizatzeko, beraz, beharrezkoa da AFM nanokoskatze-metodo bat erabiltzea sentikortasun handiagoa eta sentikortasun txikiagoa duena.maila.Dauden AFM zunda koloidalaren nanokontsazio-tekniken gabeziak eta arazoak aztertu ondoren, erakusten dugu zergatik aukeratu dugun AFM zunda txikiagoa eta pertsonalizatua, sentikortasuna, hondoko zarata, kontaktu puntu zehatza, material heterogeneo bigunen abiadura modulua neurtzeko, hala nola fluidoen atxikipena. mendekotasuna.eta kuantifikazio zehatza.Horrez gain, koska-puntaren forma eta dimentsioak zehaztasunez neurtu ahal izan genituen, eta horri esker, kono-esfera egokitze-eredua erabil dezakegu elastikotasun-modulua zehazteko, puntak materialarekin duen kontaktu-eremua ebaluatu gabe.Lan honetan kuantifikatzen diren bi hipotesi inplizituak material guztiz elastikoen propietateak eta koska-sakoneraren araberako modulua dira.Metodo hau erabiliz, metodoa kuantifikatzeko modulu ezaguna duten estandar ultrabigunak probatu genituen lehenik, eta, ondoren, metodo hau erabili genuen ukipen lentearen bi material ezberdinen gainazalak karakterizatzeko.Sentsibilitate handiagoa duten AFM nanoindentazio-gainazalak karakterizatzeko metodo hau material biomimetiko heterogeneo ultrabigun ugaritan aplikagarria izatea espero da, gailu medikoetan eta aplikazio biomedikoetan erabil daitezkeen.
Lehfilcon A ukipen lenteak (Alcon, Fort Worth, Texas, AEB) eta haien silikonazko hidrogelaren substratuak nanokontsazio esperimentuetarako aukeratu ziren.Esperimentuan bereziki diseinatutako lentearen muntaia erabili zen.Proba egiteko lentea instalatzeko, kontu handiz jarri zen kupula formako euskarrian, aire-burbuilarik sartzen ez zela ziurtatuz, eta gero ertzekin finkatu zen.Lentearen euskarriaren goiko aldean dagoen aparatuaren zulo batek lentearen erdigune optikorako sarbidea ematen du nanokoskatze esperimentuak egiteko, likidoa bere horretan mantentzen duen bitartean.Honek lenteak guztiz hidratatuta mantentzen ditu.500 μl ukipen lenteen ontziratzeko soluzio erabili zen proba-soluzio gisa.Emaitza kuantitatiboak egiaztatzeko, komertzialki eskuragarri dauden poliakrilamida aktibatu gabeko (PAAM) hidrogelak prestatu ziren poliakrilamida-ko-metileno-bisakrilamida konposizio batetik (100 mm Petrisoft Petri plakak, Matrigen, Irvine, CA, AEB), 1 modulu elastiko ezaguna. kPa.Erabili 4-5 tanta (gutxi gorabehera 125 µl) fosfato tamponatuko gatz (PBS Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, AEB) eta OPTI-FREE Puremoist ukipen lenteen soluzio tanta 1 (Alcon, Vaud, TX, AEB).) AFM hidrogel-zunda interfazean.
Lehfilcon A CL eta SiHy substratuen laginak FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) sistema baten bidez bistaratu ziren Eskanetze Transmisio Elektronikoko Mikroskopio (STEM) detektagailu batekin hornituta.Laginak prestatzeko, lenteak urarekin garbitu eta tarta formako zirietan mozten ziren lehenik.Laginen osagai hidrofiloen eta hidrofobikoen arteko kontraste diferentziala lortzeko, RuO4-ren %0,10eko disoluzio egonkortua erabili zen koloratzaile gisa, eta bertan laginak 30 minutuz murgildu ziren.Lehfilcon A CL RuO4 tindaketa garrantzitsua da kontraste diferentziala hobetzeaz gain, polimero adarkatuen eskuilen egitura jatorrizko forman mantentzen laguntzen du, gero STEM irudietan ikusgai daudenak.Ondoren, etanol/ur nahasketa batzuetan garbitu eta deshidratatu ziren etanol-kontzentrazio handituz.Ondoren, laginak EMBed 812/Araldite epoxiarekin bota ziren, eta gauean 70 °C-tan ondu zen.Erretxinaren polimerizazioaren bidez lortutako lagin-blokeak ultramikrotomo batekin moztu ziren, eta ondoriozko sekzio meheak huts baxuko moduan STEM detektagailu batekin ikusi ziren 30 kV-ko tentsio azeleratzailean.SEM sistema bera erabili zen PFQNM-LC-A-CAL AFM zundaren karakterizazio zehatza egiteko (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, AEB).AFM zundaren SEM irudiak huts handiko modu tipikoan lortu ziren 30 kV-ko tentsio azeleratzailearekin.Lortu irudiak angelu eta handitze ezberdinetan AFM zunda puntaren forma eta tamainaren xehetasun guztiak grabatzeko.Irudietan interesgarriak diren punta-dimentsio guztiak digitalki neurtu dira.
Dimension FastScan Bio Icon indar atomikoko mikroskopioa (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, AEB) "PeakForce QNM in Fluid" moduarekin erabili zen lehfilcon A CL, SiHy substratua eta PAAm hidrogel laginak ikusteko eta nanoindentatzeko.Irudi-esperimentuak egiteko, PEAKFORCE-HIRS-FA zunda (Bruker) 1 nm-ko punta-erradio nominala zuen laginaren bereizmen handiko irudiak harrapatzeko 0,50 Hz-ko eskaneatu-abiaduran erabili zen.Irudi guztiak ur-disoluzioan hartu dira.
AFM nanoindentazio-esperimentuak PFQNM-LC-A-CAL zunda erabiliz (Bruker) egin ziren.AFM zundak siliziozko punta bat du 345 nm-ko lodiera, 54 µm-ko luzera eta 4,5 µm-ko zabalera duen nitrurozko kantilever batean, 45 kHz-ko erresonantzia-maiztasunarekin.Lagin bigun bigunetan neurketa nanomekaniko kuantitatiboak karakterizatzeko eta egiteko bereziki diseinatuta dago.Sentsoreak fabrikan banan-banan kalibratzen dira aldez aurretik kalibatutako udaberriaren ezarpenekin.Ikerketa honetan erabilitako zunden malguki-konstanteak 0,05-0,1 N/m bitartekoak izan ziren.Puntaren forma eta tamaina zehaztasunez zehazteko, zunda zehatz-mehatz ezaugarritu zen SEM erabiliz.irudian.1a irudiak PFQNM-LC-A-CAL zundaren bereizmen handiko eta handitze baxuko eskaneatzeko mikrografia elektronikoa erakusten du, zundaren diseinuaren ikuspegi holistikoa eskainiz.irudian.1b irudiak zunda puntaren goiko ikuspegia handitu bat erakusten du, puntaren formari eta tamainari buruzko informazioa emanez.Muturreko muturrean, orratza 140 nm inguruko diametroa duen hemisferioa da (1c. irudia).Honen azpian, punta forma koniko batean murrizten da, eta gutxi gorabehera 500 nm-ko luzera neurtu du.Tapering-eskualdetik kanpo, punta zilindrikoa da eta 1,18 µm-ko punta-luzeran amaitzen da.Hau da zunda puntaren zati funtzional nagusia.Horrez gain, 45 µm-ko punta-diametroa eta 2 N/m-ko malguki-konstantea duen poliestirenozko (PS) zunda handi bat ere erabili zen (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, AEB) zunda koloidal gisa probatzeko.PFQNM-LC-A-CAL 140 nm-ko zundarekin alderatzeko.
Jakina denez, likidoa AFM zundaren eta polimerozko eskuilaren egituraren artean harrapa daiteke nanoindentazioan, eta horrek goranzko indarra eragingo dio AFM zundari gainazala benetan ukitu aurretik69.Fluidoen atxikipenaren ondorioz estrusio-efektu likatsu honek itxurazko ukipen-puntua alda dezake, eta, ondorioz, gainazaleko moduluaren neurketak eragin ditzake.Zundaren geometriak eta koska-abiadurak fluidoen atxikipenean duten eragina aztertzeko, koska-indarraren kurbak marraztu ziren lehfilcon A CL laginetarako 140 nm-ko diametroko zunda erabiliz, 1 µm/s eta 2 µm/s-ko desplazamendu-abiadura konstanteetan.zundaren diametroa 45 µm, indar finkoaren ezarpena 6 nN 1 µm/s-tan lortuta.140 nm-ko diametroko zunda batekin esperimentuak 1 µm/s-ko koska-abiadurarekin eta 300 pN-ko indar ezarriarekin egin ziren, goiko betazalen (1-8 kPa) barruti fisiologikoaren barruan kontaktu-presioa sortzeko aukeratutakoa.presioa 72. 1 kPa-ko presioa duten PAA hidrogelaren lagin bigunak 50 pN-ko koska-indarra probatu dira 1 μm/s-ko abiaduran 140 nm-ko diametroa duen zunda baten bidez.
PFQNM-LC-A-CAL zundaren puntaren zati konikoaren luzera 500 nm gutxi gorabeherakoa denez, edozein koska-sakonera < 500 nm-rako, seguru pentsa daiteke koska-garaian zundaren geometria berezkoa izango dela. kono forma.Horrez gain, probatzen den materialaren gainazalean erantzun elastiko itzulgarria izango dela suposatzen da, eta hori ere hurrengo ataletan baieztatuko da.Hori dela eta, puntaren forma eta tamainaren arabera, Briscoek, Sebastian eta Adamsek garatutako kono-esfera egokitze-eredua aukeratu genuen, zeina saltzailearen softwarean eskuragarri dagoena, gure AFM nanoindentazio-esperimentuak (NanoScope) prozesatzeko.Separation data analysis software, Bruker) 73. Ereduak indar-desplazamendu erlazioa F(δ) deskribatzen du punta-akats esferikoa duen kono baterako.irudian.2. irudiak ukipen-geometria erakusten du kono zurrun batek mutur esferiko batekin elkarrekintzan zehar, non R mutur esferikoaren erradioa den, a kontaktu-erradioa den, b mutur esferikoaren amaierako kontaktu-erradioa den, δ den. kontaktu-erradioa.koska-sakonera, θ konoaren erdi-angelua da.Zunda honen SEM irudiak argi eta garbi erakusten du 140 nm-ko diametroko punta esferikoa tangentzialki kono batean batzen dela, beraz hemen b R bidez bakarrik definitzen da, hau da, b = R cos θ.Saltzaileak hornitutako softwareak kono-esfera erlazio bat eskaintzen du Young-en moduluaren (E) balioak kalkulatzeko indar-banaketaren datuetatik a > b suposatuz.Harremana:
non F koska-indarra den, E Young-en modulua, ν Poisson-en ratioa.a kontaktu-erradioa kalkulatu daiteke:
Lefilcon ukipen lente baten materialaren barnean estututako kono zurrun baten ukipen-geometriaren eskema, polimero adarkatudun eskuilen gainazaleko geruza batekin.
a ≤ b bada, erlazioa ohiko koska esferiko baten ekuaziora murrizten da;
Uste dugu koska-zundak PMPC polimero-eskuilaren egitura adarkatuarekin elkarreraginak a kontaktu-erradioa b kontaktu-erradio esferikoa baino handiagoa izango duela.Beraz, ikerketa honetan egindako modulu elastikoen neurketa kuantitatibo guztietarako, a > b kasurako lortutako menpekotasuna erabili dugu.
Azterketa honetan aztertutako material biomimetiko ultrabigunak osoki irudikatu ziren laginaren gurutze-sekzioko ekorketa-transmisiozko mikroskopia elektronikoa (STEM) eta gainazaleko indar atomikoaren mikroskopia (AFM) erabiliz.Gainazalaren karakterizazio zehatz hau aurretik argitaratutako lanaren luzapen gisa egin zen, eta bertan zehaztu genuen PMPC-k aldatutako lehfilcon A CL gainazaleko eskuila polimerikoen egitura dinamikoki adarkatuak kornea-ehun natiboen antzeko propietate mekanikoak erakusten zituela 14 .Hori dela eta, ukipen-lenteen gainazalak material biomimetiko gisa aipatzen ditugu14.irudian.3a,b-ek PMPC polimerozko eskuila egitura adarkatuen sekzioak erakusten dituzte lehfilcon A CL substratu baten eta tratatu gabeko SiHy substratu baten gainazalean, hurrenez hurren.Bi laginen gainazalak bereizmen handiko AFM irudiak erabiliz gehiago aztertu ziren, STEM analisiaren emaitzak gehiago baieztatu zituzten (3c, d. irudia).Batera hartuta, irudi hauek PMPC polimero adarkatuko eskuila egituraren gutxi gorabeherako luzera ematen dute 300-400 nm-tan, eta hori ezinbestekoa da AFM nanokoskatze-neurketak interpretatzeko.Irudietatik ateratako beste funtsezko behaketa bat da CL material biomimetikoaren gainazaleko egitura orokorra SiHy substratuaren materialaren morfologikoki desberdina dela.Beraien gainazaleko morfologian desberdintasun hori nabaria izan daiteke AFM koska-zundarekin duten interakzio mekanikoan eta, ondoren, neurtutako modulu-balioetan.
(a) lehfilcon A CL eta (b) SiHy substratuaren zeharkako STEM irudiak.Eskala-barra, 500 nm.Lehfilcon A CL substratuaren (c) eta oinarriko SiHy substratuaren (d) (3 µm × 3 µm) gainazaleko AFM irudiak.
Bioinspiratutako polimeroak eta polimeroen eskuila egiturak berez bigunak dira eta asko aztertu eta erabili dira hainbat aplikazio biomedikotan74,75,76,77.Hori dela eta, garrantzitsua da AFM nanoindentation metodoa erabiltzea, zeinak zehaztasunez eta fidagarritasunez neur ditzake haien propietate mekanikoak.Baina, aldi berean, material ultrabigun hauen propietate bereziek, hala nola modulu elastiko oso baxua, likido-eduki handia eta elastikotasun handia, askotan zaildu egiten dute koska-zundaren material, forma eta forma egokiak aukeratzea.tamaina.Hau garrantzitsua da koskatzaileak laginaren gainazal biguna zula ez dezan, eta horrek akatsak eragingo lituzke gainazalarekiko kontaktu-puntua eta kontaktu-eremua zehazteko.
Horretarako, ezinbestekoa da material biomimetiko ultrabigunen morfologiaren (lehfilcon A CL) ezagutzea.Irudi-metodoa erabiliz lortutako polimero adarkatudun eskuilen tamainari eta egiturari buruzko informazioak gainazalaren karakterizazio mekanikorako oinarria ematen du AFM nanokoskatze tekniken bidez.Mikran tamainako zunda koloidal esferikoen ordez, PFQNM-LC-A-CAL silizio nitrurozko zunda (Bruker) aukeratu dugu 140 nm-ko punta-diametroarekin, lagin biologikoen propietate mekanikoen mapa kuantitatiborako bereziki diseinatua 78, 79, 80. , 81, 82, 83, 84 Zunda koloidal konbentzionalekin alderatuta zunda zorrotz samarrak erabiltzearen arrazoia materialaren egitura-ezaugarriengatik azal daiteke.Zunda-puntaren tamaina (~ 140 nm) CL lehfilcon A-ren gainazalean adarkaturiko eskuila polimeroekin alderatuz, 3a irudian ageri den, ondorioztatu daiteke punta nahikoa handia dela eskuila-egitura hauekin zuzenean kontaktuan jartzeko, eta horrek punta zulatzeko aukera murrizten du.Puntu hau ilustratzeko, 4. irudian lehfilcon A CL-ren eta AFM zundaren koska-puntaren STEM irudi bat dago (eskalara marraztuta).
Lehfilcon A CL eta ACM koska-zunda baten STEM irudia erakusten duen eskema (eskalara marraztuta).
Horrez gain, 140 nm-ko punta-tamaina nahikoa txikia da CP-AFM nanoindentazio metodoak ekoitzitako polimerozko eskuiletarako aurrez jakinarazitako estrusio-efektu itsaskorren bat izateko arriskua ekiditeko69,71.Suposatzen dugu kono-esferiko forma berezia eta AFM punta honen tamaina txiki samarra dela eta (1. irudia), lehfilcon A CL nanoindentazioa-k sortutako indar-kurbaren izaera ez dela koska-abiaduraren edo karga/deskarga-abiaduraren araberakoa izango. .Hori dela eta, ez du eragin poroelastikoek eragiten.Hipotesi hau probatzeko, lehfilcon A CL laginak indar maximo finko batean koskatu ziren PFQNM-LC-A-CAL zunda erabiliz, baina bi abiadura ezberdinetan, eta ondoriozko trakzio- eta atzerapen-indarren kurbak erabili ziren indarra (nN) irudikatzeko. bereizketan (µm) 5a irudian ageri da.Garbi dago karga- eta deskarga-garaian indar-kurbak guztiz gainjartzen direla, eta ez dago ebidentzia argirik koska zero-sakonerako indar-ebakidura handitzen dela irudian koska-abiadurarekin, eta horrek iradokitzen du eskuila-elementu indibidualak efektu poroelastikorik gabe karakterizatu zirela.Aitzitik, fluidoen atxikipen-efektuak (estrusio likatsua eta poroelastizitate-efektuak) 45 µm-ko diametroko AFM zundarako agerikoak dira koska-abiadura berean eta luzatze- eta itzulera-kurben arteko histeresiaren arabera nabarmentzen dira, 5b irudian ikusten den moduan.Emaitza hauek hipotesia onartzen dute eta iradokitzen dute 140 nm-ko diametroko zundak aukera ona direla gainazal bigunak ezaugarritzeko.
lehfilcon A CL koska-indarraren kurbak ACM erabiliz;(a) 140 nm-ko diametroa duen zunda bat erabiliz bi karga-abiaduratan, gainazaleko koskatan efektu poroelastikorik ez dagoela frogatuz;(b) 45 µm eta 140 nm-ko diametroa duten zundak erabiliz.s-ek estrusio likatsuaren eta poroelastikotasunaren ondorioak erakusten ditu zunda handientzat, zunda txikiagoekin alderatuta.
Gainazal ultrabigunak karakterizatzeko, AFM nanoindentazio-metodoek zundarik onena izan behar dute aztergai den materialaren propietateak aztertzeko.Puntaren formaz eta tamainaz gain, AFM detektagailu-sistemaren sentsibilitateak, punta-desflexioarekiko sentsibilitateak proba-ingurunean eta cantilever-en zurruntasunak zeregin garrantzitsua dute nanoindentzioaren zehaztasuna eta fidagarritasuna zehazteko.neurketak.Gure AFM sistemarako, Position Sensitive Detector (PSD) detektatzeko muga gutxi gorabehera 0,5 mV da eta aurrez kalibatutako malguki-tasa eta PFQNM-LC-A-CAL zundaren fluidoen desbideratze-sentsibilitatean oinarritzen da, hau da. kargaren sentikortasun teorikoa.0,1 pN baino txikiagoa da.Beraz, metodo honek ≤ 0,1 pN gutxieneko koska-indar bat neurtzeko aukera ematen du zarata-osagai periferikorik gabe.Hala ere, ia ezinezkoa da AFM sistema batek zarata periferikoa maila honetara murriztea bibrazio mekanikoa eta fluidoen dinamika bezalako faktoreengatik.Faktore hauek AFM nanoindentazio metodoaren sentsibilitate orokorra mugatzen dute eta, gainera, ≤ 10 pN inguruko hondoko zarata-seinalea sortzen dute.Azalera karakterizatzeko, lehfilcon A CL eta SiHy substratu laginak guztiz hidratatutako baldintzetan koskatu ziren SEM karakterizatzeko 140 nm-ko zunda erabiliz, eta ondoriozko indar-kurbak indarra (pN) eta presioaren artean gainjarri ziren.Banaketa grafikoa (µm) 6a irudian ageri da.SiHy oinarri-substratuarekin alderatuta, lehfilcon A CL indar-kurbak argi eta garbi erakusten du trantsizio-fase bat, sardexkadun eskuila polimeroarekin kontaktuan hasi eta muturrak azpiko materialarekin duen malda markatuz aldaketa nabarmenarekin amaitzen den.Indar-kurbaren trantsizio-zati honek azaleko polimerozko eskuila adarkatuaren portaera benetan elastikoa nabarmentzen du, konpresio-kurbak tentsio-kurba gertutik jarraituz eta eskuilaren egituraren eta SiHy material handiaren arteko propietate mekanikoen kontrastea erakusten duen bezala.Lefilcon alderatzean.Polimerozko eskuila adarkatu baten batez besteko luzera bereiztea PCSren STEM irudian (3a. irud.) eta bere indar-kurba 3a irudiko abzisan zehar.6a-k erakusten du metodoa gai dela gainazalaren goialdera iristen den punta eta polimero adarkatua detektatzeko.Eskuila egituren arteko kontaktua.Gainera, indar-kurben gainjartzeak ez du likidoaren atxikipen-efekturik adierazten.Kasu honetan, orratzaren eta laginaren gainazalaren artean ez dago inolako atxikimendurik.Bi laginen indar-kurben goiko atalak gainjartzen dira, substratuko materialen propietate mekanikoen antzekotasuna islatuz.
(a) Lehfilcon A CL substratuetarako eta SiHy substratuetarako AFM nanoindentazio-indarren kurbak, (b) ukipen-puntuaren estimazioa erakusten duten indar-kurbak atzeko zarataren atalasearen metodoa erabiliz.
Indar-kurbaren xehetasun finagoak aztertzeko, lehfilcon A CL laginaren tentsio-kurba berriro marraztu da 6b irudian y ardatzean zehar 50 pN-ko indar maximoarekin.Grafiko honek jatorrizko atzeko zaratari buruzko informazio garrantzitsua eskaintzen du.Zarata ±10 pN bitartekoa da, kontaktu-puntua zehaztasunez zehazteko eta koska-sakonera kalkulatzeko erabiltzen dena.Literaturan azaltzen den bezala, kontaktu-puntuak identifikatzea funtsezkoa da materialen propietateak zehaztasunez ebaluatzeko, hala nola modulus85.Indar kurbaren datuak automatikoki prozesatzen dituen planteamendu batek datuen doikuntzaren eta material bigunetarako neurketa kuantitatiboen arteko egokitzapen hobe bat erakutsi du86.Lan honetan, gure kontaktu puntuen aukeraketa nahiko sinplea eta objektiboa da, baina baditu bere mugak.Kontaktu-puntua zehazteko gure ikuspegi kontserbadorea koska-sakonera txikiagoetarako (< 100 nm) modulu-balioak apur bat gehiegi estimatu ditzake.Algoritmoetan oinarritutako ukipen-puntuak hautematea eta datuen prozesamendu automatizatua erabiltzea lan honen jarraipena izan daiteke etorkizunean gure metodoa gehiago hobetzeko.Horrela, ±10 pN ordenako hondo-zarata intrintsekorako, kontaktu-puntua x ardatzeko lehen datu-puntu gisa definitzen dugu 6b irudian ≥10 pN balio duena.Ondoren, 10 pN-ko zarata-atalasaren arabera, ~ 0,27 µm-ko mailan dagoen marra bertikal batek gainazalarekiko ukipen-puntua markatzen du, eta ondoren luzatze-kurbak jarraitzen du substratuak ~ 270 nm-ko koska-sakonera betetzen duen arte.Interesgarria da irudi-metodoa erabiliz neurtutako polimero adarkatuko eskuila ezaugarrien (300-400 nm) tamainan oinarrituta, atzeko zarataren atalasearen metodoa erabiliz behatutako CL lehfilcon A laginaren koska-sakonera 270 nm ingurukoa da, hau da, oso hurbil. neurketaren tamaina STEM-ekin.Emaitza hauek AFM zunda-puntaren forma eta tamainaren bateragarritasuna eta aplikagarritasuna berresten dute, polimerozko eskuila egitura oso leun eta oso elastiko honen koska egiteko.Datu honek froga sendoak eskaintzen ditu hondoko zarata kontaktu-puntuak zehazteko atalase gisa erabiltzeko gure metodoa onartzen duen.Beraz, modelizazio matematikotik eta indar-kurbaren egokitzetik lortutako emaitza kuantitatiboek nahiko zehatzak izan behar dute.
AFM nanokoskatze metodoen bidezko neurketa kuantitatiboak datuak aukeratzeko eta ondorengo analisirako erabiltzen diren eredu matematikoen menpe daude guztiz.Hori dela eta, eredu jakin bat aukeratu aurretik koskagailua, materialaren propietateak eta elkarrekintzaren mekanika duten faktore guztiak kontuan hartzea garrantzitsua da.Kasu honetan, puntaren geometria arretaz karakterizatu zen SEM mikrografien bidez (1. irudia), eta emaitzetan oinarrituta, 140 nm-ko diametroko AFM nanoindenting zunda kono gogor batekin eta punta esferikoko geometria aukera ona da lehfilcon A CL79 laginak karakterizatzeko. .Arretaz ebaluatu behar den beste faktore garrantzitsu bat probatzen ari den polimero-materialaren elastikotasuna da.Nanoindentzioaren hasierako datuek (5a eta 6a. irudak) tentsio- eta konpresio-kurben gainjartzearen ezaugarriak argi eta garbi azaltzen dituzten arren, hau da, materialaren berreskurapen elastiko osoa, oso garrantzitsua da kontaktuen izaera elastiko hutsa berrestea. .Horretarako, ondoz ondoko bi koska egin ziren lehfilcon A CL laginaren gainazaleko kokapen berean 1 µm/s-ko koska-tasa batean hidratazio osoko baldintzetan.Ondorioz, indar kurbaren datuak irudian agertzen dira.7 eta, espero bezala, bi estanpatuen hedapen- eta konpresio-kurbak ia berdinak dira, polimero adarkatuko eskuila-egituraren elastikotasun handia nabarmentzen delarik.
Lehfilcon A CL-ren gainazaleko kokaleku berean dauden bi koska-indar kurba lentearen gainazaleko elastikotasun ideala adierazten dute.
Zunda puntako eta lehfilcon A CL gainazaleko SEM eta STEM irudietatik lortutako informazioan oinarrituta, hurrenez hurren, kono-esfera eredua AFM zunda puntaren eta probatzen ari den polimero bigunaren materialaren arteko elkarrekintzaren arrazoizko irudikapen matematikoa da.Gainera, kono-esfera eredu honetarako, inprimatutako materialaren propietate elastikoei buruzko oinarrizko hipotesiak egiazkoak dira material biomimetiko berri honetarako eta modulu elastikoa kuantifikatzeko erabiltzen dira.
AFM nanokoskatze metodoaren eta bere osagaien ebaluazio integrala egin ondoren, koska-zundaren propietateak (forma, tamaina eta malgukiaren zurruntasuna), sentikortasuna (hondoko zarata eta kontaktu-puntuaren estimazioa) eta datuen egokitze-ereduak (modulu kuantitatiboaren neurketak) barne, metodoa izan zen. erabiltzen.merkatuan eskuragarri dauden lagin ultrabigunak ezaugarritzea emaitza kuantitatiboak egiaztatzeko.1 kPa-ko modulu elastikoko poliakrilamida komertzial bat (PAAM) hidrogel bat probatu zen baldintza hidratatuetan 140 nm-ko zunda erabiliz.Moduluaren proben eta kalkuluen xehetasunak Informazio osagarrian ematen dira.Emaitzek erakutsi zuten neurtutako batez besteko modulua 0,92 kPa zela, eta %RSD eta desbideratze ehunekoa (%) modulu ezagunetik %10 baino txikiagoa izan zela.Emaitza hauek material ultrabigunen moduluak neurtzeko lan honetan erabilitako AFM nanoindentazio metodoaren zehaztasuna eta errepikagarritasuna berresten dute.Lehfilcon A CL laginen gainazalak eta SiHy oinarriko substratua gehiago karakterizatu ziren AFM nanoindentazio-metodo bera erabiliz gainazal ultrabigunaren itxurazko ukipen-modulua koska-sakoneraren arabera aztertzeko.Koska-indarra bereizteko kurbak mota bakoitzeko hiru aleetarako sortu ziren (n = 3; ale bakoitzeko koska bat) 300 pN-ko indarrarekin, 1 µm/s-ko abiadurarekin eta hidratazio osoarekin.Koska-indarra partekatzeko kurba kono-esfera eredu baten bidez hurbildu zen.Koska-sakoneraren araberako modulua lortzeko, ukipen-puntutik hasita 20 nm-ko gehikuntza bakoitzean indar-kurbaren 40 nm zabaleko zati bat ezarri zen, eta indar-kurbaren urrats bakoitzean moduluaren balioak neurtu ziren.Spin Cy et al.Antzeko hurbilketa bat erabili da poli(lauril metakrilato) (P12MA) polimerozko eskuilen modulu-gradientea AFM zunda koloidala nanoindentazioa erabiliz, eta bat datoz Hertz kontaktu eredua erabiliz datuekin.Ikuspegi honek itxurazko ukipen-modulua (kPa) eta koska-sakonera (nm) grafikoa eskaintzen du, 8. Irudian agertzen den moduan, itxurazko kontaktu-modulua/sakonera-gradientea erakusten duena.CL lehfilcon A laginaren modulu elastiko kalkulatua 2-3 kPa bitartekoa da laginaren goiko 100 nm-en barruan, eta hortik aurrera sakonerarekin hazten hasten da.Bestalde, SiHy oinarriko substratua gainazalean eskuila-itxurako pelikularik gabe probatzean, 300 pN-ko indarrarekin lortzen den koska-sakonera maximoa 50 nm baino txikiagoa da, eta datuetatik lortutako moduluaren balioa 400 kPa ingurukoa da. , material solteetarako Young-en moduluaren balioekin parekoa dena.
Itxurazko ukipen-modulua (kPa) vs. koska-sakonera (nm) lehfilcon A CL eta SiHy substratuetarako AFM nanoindentazio-metodoa erabiliz kono-esfera-geometriarekin modulua neurtzeko.
Polimero adarkatu biomimetikoko eskuila egitura berriaren goiko azalerak elastikotasun modulu oso baxua du (2-3 kPa).Honek STEM irudian erakusten den polimerozko eskuilaren zintzilik doan muturrarekin bat egingo du.CL-aren kanpoko ertzean modulu-gradientearen froga batzuk dauden arren, modulu handiko substratu nagusiak eragin handiagoa du.Hala ere, gainazaleko goiko 100 nm-ak polimero adarkatuaren eskuila osoaren luzeraren % 20aren barruan daude, beraz, zentzuzkoa da koska-sakonera-tarte honetan moduluaren neurtutako balioak nahiko zehatzak direla eta ez direla oso ondo pentsatzea. beheko objektuaren eraginaren araberakoa.
Lehfilcon A ukipen lenteen diseinu biomimetiko berezia dela eta, SiHy substratuen gainazalean txertatutako PMPC polimerozko eskuila egiturez osatutako adardun egiturak, oso zaila da haien gainazaleko egituren propietate mekanikoak fidagarritasunez karakterizatzea neurketa metodo tradizionalak erabiliz.Hemen AFM nanoindentazio-metodo aurreratu bat aurkezten dugu material ultrabigunak zehaztasunez karakterizatzeko, hala nola lefilcon A bezalako ur-eduki handia eta oso elastikotasun handikoa.Metodo hau AFM zunda baten erabileran oinarritzen da, zeinaren punta-tamaina eta geometria kontu handiz aukeratzen diren inprimatu beharreko gainazal bigunen ezaugarrien egitura-dimentsioekin bat etor daitezen.Zundaren eta egituraren arteko dimentsioen konbinazio honek sentsibilitate handiagoa ematen du, polimero adarkaturiko eskuila elementuen modulu baxua eta berezko propietate elastikoak neurtzeko aukera ematen digu, efektu poroelastikoak kontuan hartu gabe.Emaitzek erakutsi zuten lentearen gainazalaren ezaugarri diren PMPC polimero adarkatudun eskuila bereziek modulu elastiko oso baxua (2 kPa arte) eta oso elastikotasun handia (ia % 100) zutela ingurune urtsu batean probatu zirenean.AFM nanoindentazioaren emaitzek lente biomimetikoen gainazaleko ukipen-modulua/sakonera-gradientea (30 kPa/200 nm) itxurazko ukipen-modulua/sakonera-gradientea ere karakterizatu ahal izan genuen.Gradiente hori polimero adarkatudun eskuilen eta SiHy substratuaren arteko modulu-diferentziaren ondoriozkoa izan daiteke, edo polimerozko eskuilen egitura/dentsitate adarkatua edo horien konbinazio batengatik izan daiteke.Hala ere, azterketa sakon gehiago behar dira egituraren eta propietateen arteko erlazioa guztiz ulertzeko, batez ere eskuila adarkatzeak propietate mekanikoetan duen eragina.Antzeko neurketak beste material ultrabigun eta gailu mediko batzuen gainazalaren propietate mekanikoak ezaugarritzen lagun dezake.
Uneko azterketan zehar sortutako eta/edo aztertutako datu-multzoak dagozkien egileengandik eskuragarri daude arrazoizko eskaera eginda.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. eta Haugen, HJ Biomaterialen gainazalen propietate fisiko eta kimikoekiko erreakzio biologikoak.Kimikoa.gizartea.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM eta Liu, X. Ehunen ingeniaritzarako giza eratorritako biomaterialen hobekuntza.programazioa.polimeroa.zientzia.53, 86 (2016).
Sadtler, K. et al.Biomaterialen diseinua, ezarpen klinikoa eta erantzun immunologikoa medikuntza birsortzailean.National Matt Rev. 1, 16040 (2016).
Oliver WK eta Farr GM Gogortasuna eta modulu elastikoa zehazteko metodo hobetua koska-esperimentuak erabiliz karga eta desplazamendu-neurketekin.J. Alma mater.biltegiratze depositua.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Koskatze gogortasunaren proben jatorri historikoa.alma mater.zientzia.teknologiak.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Koskatutako gogortasunaren neurketak makro-, mikro- eta nanoeskalan: berrikuspen kritikoa.tribua.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD eta Clapperich, SM Gainazala detektatzeko akatsek moduluaren gehiegizko estimazioa eragiten dute material bigunen nanoindentazioan.J. Mecha.Portaera.Zientzia Biomedikoa.alma mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollakhi MR, Bushroa AR eta Yahya M.Yu.Nanokonposite heterogeneoen ezaugarri mekanikoak zehazteko nanoindentazio-metodoaren ebaluazioa, metodo esperimental eta konputazionalak erabiliz.zientzia.9. etxea, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR eta Owart, TS Gel biskoelastiko bigunen karakterizazio mekanikoa koska eta optimizazioan oinarritutako alderantzizko elementu finituen analisiaren bidez.J. Mecha.Portaera.Zientzia Biomedikoa.alma mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J eta Chaneler D. Biskoelastikotasunaren determinazioaren optimizazioa neurketa-sistema bateragarriak erabiliz.Materia biguna 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. eta Pellillo, E. Gainazal polimerikoen nanoindentation.J. Fisika.D. Fisikarako eskaera egin.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. eta Van Vliet KJ Elastikotasun handiko polimeroen eta ehun biologikoen propietate mekaniko biskoelastikoen karakterizazioa shock koska erabiliz.Biomaterialen aldizkaria.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Material bigunen modulu elastiko eta atxikimendu-lanaren ebaluazioa Borodich-Galanov (BG) metodo hedatua eta koska sakona erabiliz.fur.alma mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Hidrogelezko silikonazko ukipen lenteen gainazal polimeriko biomimetikoen nanoeskala morfologia eta propietate mekanikoak.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).