Diolch am ymweld â Nature.com.Rydych chi'n defnyddio fersiwn porwr gyda chefnogaeth CSS gyfyngedig.I gael y profiad gorau, rydym yn argymell eich bod yn defnyddio porwr wedi'i ddiweddaru (neu analluogi Modd Cydnawsedd yn Internet Explorer).Yn ogystal, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, rydym yn dangos y wefan heb arddulliau a JavaScript.
Yn arddangos carwsél o dri sleid ar unwaith.Defnyddiwch y botymau Blaenorol a Nesaf i symud trwy dri sleid ar y tro, neu defnyddiwch y botymau llithrydd ar y diwedd i symud trwy dri sleid ar y tro.
Gyda datblygiad deunyddiau uwch-feddal newydd ar gyfer dyfeisiau meddygol a chymwysiadau biofeddygol, mae nodweddiad cynhwysfawr o'u priodweddau ffisegol a mecanyddol yn bwysig ac yn heriol.Cymhwyswyd techneg nanoindentation microsgopeg grym atomig wedi'i addasu (AFM) i nodweddu modwlws arwyneb hynod isel y lehfilcon newydd Lens cyswllt hydrogel silicon biomimetig wedi'i orchuddio â haen o strwythurau brwsh polymer canghennog.Mae'r dull hwn yn caniatáu pennu pwyntiau cyswllt yn fanwl gywir heb effeithiau allwthio gludiog wrth agosáu at bolymerau canghennog.Yn ogystal, mae'n ei gwneud hi'n bosibl pennu nodweddion mecanyddol elfennau brwsh unigol heb effaith poroelastigedd.Cyflawnir hyn trwy ddewis stiliwr AFM gyda dyluniad (maint blaen, geometreg a chyfradd sbring) sy'n arbennig o addas ar gyfer mesur priodweddau deunyddiau meddal a samplau biolegol.Mae'r dull hwn yn gwella sensitifrwydd a chywirdeb ar gyfer mesur yn gywir y deunydd meddal iawn lehfilcon A, sydd â modwlws elastigedd hynod o isel ar yr arwynebedd (hyd at 2 kPa) ac elastigedd uchel iawn yn yr amgylchedd dyfrllyd mewnol (bron i 100%). .Datgelodd canlyniadau'r astudiaeth arwyneb nid yn unig briodweddau arwyneb uwch-feddal y lens lehfilcon A, ond dangosodd hefyd fod modwlws y brwsys polymer canghennog yn debyg i fodwlws y swbstrad silicon-hydrogen.Gellir cymhwyso'r dechneg nodweddu arwyneb hon i ddeunyddiau hynod feddal a dyfeisiau meddygol eraill.
Mae priodweddau mecanyddol deunyddiau sydd wedi'u cynllunio ar gyfer cyswllt uniongyrchol â meinwe byw yn aml yn cael eu pennu gan yr amgylchedd biolegol.Mae paru perffaith y priodweddau materol hyn yn helpu i gyflawni'r nodweddion clinigol dymunol o'r deunydd heb achosi ymatebion cellog anffafriol1,2,3.Ar gyfer deunyddiau homogenaidd swmp, mae nodweddu priodweddau mecanyddol yn gymharol hawdd oherwydd argaeledd gweithdrefnau safonol a dulliau prawf (ee, microindentation4,5,6).Fodd bynnag, ar gyfer deunyddiau uwch-feddal fel geliau, hydrogeliau, biopolymerau, celloedd byw, ac ati, nid yw'r dulliau prawf hyn yn berthnasol yn gyffredinol oherwydd cyfyngiadau datrysiad mesur ac anhomogenedd rhai deunyddiau7.Dros y blynyddoedd, mae dulliau mewnoliad traddodiadol wedi'u haddasu a'u haddasu i nodweddu ystod eang o ddeunyddiau meddal, ond mae llawer o ddulliau yn dal i ddioddef o ddiffygion difrifol sy'n cyfyngu ar eu defnydd8,9,10,11,12,13.Mae diffyg dulliau prawf arbenigol a all nodweddu priodweddau mecanyddol deunyddiau supersoft a haenau arwyneb yn gywir ac yn ddibynadwy yn cyfyngu'n ddifrifol ar eu defnydd mewn amrywiol gymwysiadau.
Yn ein gwaith blaenorol, fe wnaethom gyflwyno'r lens cyswllt lehfilcon A (CL), deunydd heterogenaidd meddal gyda'r holl briodweddau arwyneb meddal iawn sy'n deillio o ddyluniadau a allai fod yn fiomimetig wedi'u hysbrydoli gan wyneb cornbilen y llygad.Datblygwyd y bioddeunydd hwn trwy impio haen bolymer ganghennog, groes-gysylltiedig o poly (2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) ar hydrogel silicon (SiHy) 15 a ddyluniwyd ar gyfer dyfeisiau meddygol yn seiliedig ar.Mae'r broses impio hon yn creu haen ar yr wyneb sy'n cynnwys strwythur brwsh polymerig canghennog meddal a hynod elastig.Mae ein gwaith blaenorol wedi cadarnhau bod adeiledd biomimetig lehfilcon A CL yn darparu priodweddau arwyneb gwell fel gwell atal gwlychu a baeddu, mwy o lubricity, a llai o adlyniad celloedd a bacteriol15,16.Yn ogystal, mae defnydd a datblygiad y deunydd biomimetig hwn hefyd yn awgrymu ehangu pellach i ddyfeisiau biofeddygol eraill.Felly, mae'n hanfodol nodweddu priodweddau arwyneb y deunydd hynod feddal hwn a deall ei ryngweithio mecanyddol â'r llygad er mwyn creu sylfaen wybodaeth gynhwysfawr i gefnogi datblygiadau a chymwysiadau yn y dyfodol.Mae'r rhan fwyaf o lensys cyffwrdd SiHy sydd ar gael yn fasnachol yn cynnwys cymysgedd homogenaidd o bolymerau hydroffilig a hydroffobig sy'n ffurfio strwythur deunydd unffurf17.Mae nifer o astudiaethau wedi'u cynnal i ymchwilio i'w priodweddau mecanyddol gan ddefnyddio dulliau prawf cywasgu, tynnol a microindentiad traddodiadol18,19,20,21.Fodd bynnag, mae dyluniad biomimetig newydd lehfilcon A CL yn ei wneud yn ddeunydd heterogenaidd unigryw lle mae priodweddau mecanyddol y strwythurau brwsh polymer canghennog yn sylweddol wahanol i rai'r swbstrad sylfaen SiHy.Felly, mae'n anodd iawn meintioli'r priodweddau hyn yn gywir gan ddefnyddio dulliau confensiynol a mewnoliad.Mae dull addawol yn defnyddio'r dull profi nanodidentation a weithredir mewn microsgopeg grym atomig (AFM), dull a ddefnyddiwyd i bennu priodweddau mecanyddol deunyddiau viscoelastig meddal megis celloedd biolegol a meinweoedd, yn ogystal â pholymerau meddal22,23,24,25 .,26,27,28,29,30.Mewn nanodidentation AFM, cyfunir hanfodion profion nanodentation â'r datblygiadau diweddaraf mewn technoleg AFM i ddarparu mwy o sensitifrwydd mesur a phrofi ystod eang o ddeunyddiau hynod feddal31,32,33,34,35,36.Yn ogystal, mae'r dechnoleg yn cynnig manteision pwysig eraill trwy ddefnyddio gwahanol geometregau.mewnolwr a stiliwr a'r posibilrwydd o brofi mewn amrywiol gyfryngau hylifol.
Gellir rhannu nanoindentation AFM yn amodol yn dair prif gydran: (1) offer (synwyryddion, synwyryddion, stilwyr, ac ati);(2) paramedrau mesur (megis grym, dadleoli, cyflymder, maint ramp, ac ati);(3) Prosesu data (cywiro gwaelodlin, amcangyfrif pwynt cyffwrdd, gosod data, modelu, ac ati).Problem sylweddol gyda'r dull hwn yw bod sawl astudiaeth yn y llenyddiaeth sy'n defnyddio nanodidentation AFM yn adrodd am ganlyniadau meintiol gwahanol iawn ar gyfer yr un math o sampl/cell/deunydd37,38,39,40,41.Er enghraifft, mae Lekka et al.Astudiwyd a chymharwyd dylanwad geometreg chwiliedydd AFM ar fodwlws Young a fesurwyd o samplau o hydrogel homogenaidd a chelloedd heterogenaidd homogenaidd.Maent yn adrodd bod gwerthoedd modwlws yn ddibynnol iawn ar ddetholiad cantilifer a siâp blaen, gyda'r gwerth uchaf ar gyfer stiliwr siâp pyramid a'r gwerth isaf o 42 ar gyfer stiliwr sfferig.Yn yr un modd, mae Selhuber-Unkel et al.Dangoswyd sut mae cyflymder indenter, maint indenter a thrwch samplau polyacrylamid (PAAM) yn effeithio ar fodwlws Young a fesurir gan naindentiad ACM43.Ffactor cymhleth arall yw'r diffyg deunyddiau prawf modwlws safonol iawn o isel a gweithdrefnau prawf am ddim.Mae hyn yn ei gwneud hi'n anodd iawn cael canlyniadau cywir yn hyderus.Fodd bynnag, mae'r dull yn ddefnyddiol iawn ar gyfer mesuriadau cymharol a gwerthusiadau cymharol rhwng mathau tebyg o sampl, er enghraifft defnyddio nanoindentation AFM i wahaniaethu rhwng celloedd normal a chelloedd canser 44, 45 .
Wrth brofi deunyddiau meddal gyda nanodentiad AFM, rheol gyffredinol yw defnyddio stiliwr gyda chysonyn sbring isel (k) sy'n cyfateb yn agos i fodwlws y sampl a blaen hemisfferig/crwn fel nad yw'r stiliwr cyntaf yn tyllu arwynebau'r sampl ymlaen. cyswllt cyntaf â deunyddiau meddal.Mae hefyd yn bwysig bod y signal gwyro a gynhyrchir gan y stiliwr yn ddigon cryf i gael ei ganfod gan y system canfod laser24,34,46,47.Yn achos celloedd heterogenaidd uwch-feddal, meinweoedd a geliau, her arall yw goresgyn y grym gludiog rhwng y stiliwr ac arwyneb y sampl i sicrhau mesuriadau atgynhyrchadwy a dibynadwy48,49,50.Tan yn ddiweddar, mae'r rhan fwyaf o'r gwaith ar nanoindentation AFM wedi canolbwyntio ar astudio ymddygiad mecanyddol celloedd biolegol, meinweoedd, geliau, hydrogeliau, a biomoleciwlau gan ddefnyddio stilwyr sfferig cymharol fawr, y cyfeirir atynt yn gyffredin fel chwilwyr colloidal (CPs)., 47, 51, 52, 53, 54, 55. Mae gan y tomenni hyn radiws o 1 i 50 µm ac fe'u gwneir yn gyffredin o wydr borosilicate, methacrylate polymethyl (PMMA), polystyren (PS), silicon deuocsid (SiO2) a diemwnt- fel carbon (DLC).Er mai nanoindentation CP-AFM yn aml yw'r dewis cyntaf ar gyfer nodweddu sampl meddal, mae ganddo ei broblemau a'i gyfyngiadau ei hun.Mae'r defnydd o flaenau sfferig mawr, maint micron yn cynyddu cyfanswm arwynebedd cyswllt y domen â'r sampl ac yn arwain at golled sylweddol o gydraniad gofodol.Ar gyfer sbesimenau meddal, anhomogenaidd, lle gall priodweddau mecanyddol elfennau lleol fod yn sylweddol wahanol i'r cyfartaledd dros ardal ehangach, gall mewnoliad CP guddio unrhyw anhomogenedd mewn eiddo ar raddfa leol52.Mae stilwyr coloidaidd fel arfer yn cael eu gwneud trwy gysylltu sfferau coloidaidd maint micron â chantilifwyr di-dip gan ddefnyddio gludyddion epocsi.Mae'r broses weithgynhyrchu ei hun yn llawn llawer o broblemau a gall arwain at anghysondebau ym mhroses graddnodi'r stiliwr.Yn ogystal, mae maint a màs y gronynnau colloidal yn effeithio'n uniongyrchol ar brif baramedrau graddnodi'r cantilifer, megis amledd soniarus, anystwythder y gwanwyn, a sensitifrwydd gwyro56,57,58.Felly, efallai na fydd dulliau a ddefnyddir yn gyffredin ar gyfer stilwyr AFM confensiynol, megis graddnodi tymheredd, yn rhoi graddnodi cywir ar gyfer CP, ac efallai y bydd angen dulliau eraill i wneud y cywiriadau hyn57, 59, 60, 61. Mae arbrofion mewnoliad CP nodweddiadol yn defnyddio gwyriadau mawr cantilifer i astudio priodweddau samplau meddal, sy'n creu problem arall wrth raddnodi ymddygiad aflinol y cantilifer ar wyriadau cymharol fawr62,63,64.Mae dulliau mewnoliad stiliwr coloidaidd modern fel arfer yn cymryd i ystyriaeth geometreg y cantilifer a ddefnyddir i raddnodi'r stiliwr, ond yn anwybyddu dylanwad gronynnau colloidal, sy'n creu ansicrwydd ychwanegol o ran cywirdeb y dull38,61.Yn yr un modd, mae modwlau elastig a gyfrifir trwy osod model cyswllt yn dibynnu'n uniongyrchol ar geometreg y stiliwr mewnoliad, a gall diffyg cyfatebiaeth rhwng nodweddion arwyneb blaen a sampl arwain at anghywirdebau27, 65, 66, 67, 68. Peth gwaith diweddar gan Spencer et al.Amlygir y ffactorau y dylid eu cymryd i ystyriaeth wrth nodweddu brwsys polymer meddal gan ddefnyddio'r dull nanodidentation CP-AFM.Dywedasant fod cadw hylif gludiog mewn brwshys polymer fel swyddogaeth cyflymder yn arwain at gynnydd mewn llwyth pen ac felly gwahanol fesuriadau o briodweddau sy'n dibynnu ar gyflymder30,69,70,71.
Yn yr astudiaeth hon, rydym wedi nodweddu modwlws wyneb y deunydd hynod feddal iawn lehfilcon A CL gan ddefnyddio dull nanoindentation AFM wedi'i addasu.O ystyried priodweddau a strwythur newydd y deunydd hwn, mae ystod sensitifrwydd y dull mewnoliad traddodiadol yn amlwg yn annigonol i nodweddu modwlws y deunydd hynod feddal hwn, felly mae angen defnyddio dull nanoindentation AFM gyda sensitifrwydd uwch a sensitifrwydd is.lefel.Ar ôl adolygu diffygion a phroblemau technegau nanodidentio chwiliedydd AFM colloidal presennol, rydym yn dangos pam y gwnaethom ddewis stiliwr AFM llai, wedi'i ddylunio'n arbennig i ddileu sensitifrwydd, sŵn cefndir, pwynt cyswllt, mesur modwlws cyflymder deunyddiau heterogenaidd meddal megis cadw hylif. dibyniaeth.a meintioli cywir.Yn ogystal, roeddem yn gallu mesur siâp a dimensiynau'r domen mewnoliad yn gywir, gan ganiatáu inni ddefnyddio'r model ffit côn-sffêr i bennu modwlws elastigedd heb asesu arwynebedd cyswllt y domen â'r deunydd.Y ddwy dybiaeth ymhlyg sy'n cael eu meintioli yn y gwaith hwn yw priodweddau'r deunydd cwbl elastig a'r modwlws annibynnol ar ddyfnder mewnoliad.Gan ddefnyddio'r dull hwn, fe wnaethom brofi safonau uwch-feddal yn gyntaf gyda modwlws hysbys i fesur y dull, ac yna defnyddio'r dull hwn i nodweddu arwynebau dau ddeunydd lensys cyffwrdd gwahanol.Disgwylir i'r dull hwn o nodweddu arwynebau nanoindentation AFM gyda mwy o sensitifrwydd fod yn berthnasol i ystod eang o ddeunyddiau ultrasoft heterogenaidd biomimetig gyda defnydd posibl mewn dyfeisiau meddygol a chymwysiadau biofeddygol.
Dewiswyd lensys cyffwrdd Lehfilcon A (Alcon, Fort Worth, Texas, UDA) a'u swbstradau hydrogel silicon ar gyfer arbrofion nanodidentation.Defnyddiwyd mownt lens a ddyluniwyd yn arbennig yn yr arbrawf.Er mwyn gosod y lens i'w phrofi, fe'i gosodwyd yn ofalus ar y stand siâp cromen, gan sicrhau nad oedd unrhyw swigod aer yn mynd i mewn, ac yna'n sefydlog gyda'r ymylon.Mae twll yn y gosodiad ar frig deiliad y lens yn darparu mynediad i ganol optegol y lens ar gyfer arbrofion nanodentiad wrth ddal yr hylif yn ei le.Mae hyn yn cadw'r lensys wedi'u hydradu'n llawn.Defnyddiwyd 500 μl o ddatrysiad pecynnu lensys cyffwrdd fel ateb prawf.Er mwyn gwirio'r canlyniadau meintiol, paratowyd hydrogeliau polyacrylamid heb ei actifadu (PAAM) sydd ar gael yn fasnachol o gyfansoddiad polyacrylamid-cyd-methylene-bisacrylamide (100 mm o ddysglau Petrisoft Petri, Matrigen, Irvine, CA, UDA), modwlws elastig hysbys o 1 kPa.Defnyddiwch 4-5 diferyn (tua 125 µl) o halwynog byffer ffosffad (PBS o Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, UDA) ac 1 diferyn o doddiant lens cyffwrdd Puremoist OPTI-AM DDIM (Alcon, Vaud, TX, UDA).) ar ryngwyneb hydrogel-chwiliwr AFM.
Delweddwyd samplau o swbstradau Lehfilcon A CL a SiHy gan ddefnyddio system Microsgop Electron Sganio Allyriadau Maes Quanta 250 (FEG SEM) FEI, gyda synhwyrydd Microsgop Electron Trawsyrru Sganio (STEM).I baratoi'r samplau, cafodd y lensys eu golchi â dŵr yn gyntaf a'u torri'n lletemau siâp pastai.Er mwyn cyflawni cyferbyniad gwahaniaethol rhwng cydrannau hydroffilig a hydroffobig y samplau, defnyddiwyd datrysiad sefydlog 0.10% o RuO4 fel llifyn, lle cafodd y samplau eu trochi am 30 munud.Mae staenio lehfilcon A CL RuO4 yn bwysig nid yn unig i gyflawni gwell cyferbyniad gwahaniaethol, ond hefyd yn helpu i gadw strwythur y brwsys polymer canghennog yn eu ffurf wreiddiol, sydd wedyn yn weladwy ar ddelweddau STEM.Yna cawsant eu golchi a'u dadhydradu mewn cyfres o gymysgeddau ethanol/dŵr gyda chrynodiad ethanol cynyddol.Yna cafodd y samplau eu bwrw ag epocsi EMBed 812/Araldite, a wellodd dros nos ar 70°C.Torrwyd blociau sampl a gafwyd trwy bolymeru resin â ultramicrotome, a delweddwyd yr adrannau tenau dilynol gyda synhwyrydd STEM mewn modd gwactod isel ar foltedd cyflymu o 30 kV.Defnyddiwyd yr un system SEM ar gyfer nodweddu manwl y chwiliedydd PFQNM-LC-A-CAL AFM (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, UDA).Cafwyd delweddau SEM o'r stiliwr AFM mewn modd gwactod uchel nodweddiadol gyda foltedd cyflymu o 30 kV.Caffael delweddau ar wahanol onglau a chwyddiadau i gofnodi holl fanylion siâp a maint y domen archwilio AFM.Mesurwyd pob awgrym o ddiddordeb yn y delweddau yn ddigidol.
Defnyddiwyd microsgop grym atomig Dimension FastScan Bio Icon (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, UDA) gyda modd “PeakForce QNM in Fluid” i ddelweddu a nanoindentate lehfilcon A CL, swbstrad SiHy, a samplau hydrogel PAAm.Ar gyfer arbrofion delweddu, defnyddiwyd stiliwr PEAKFORCE-HIRS-FA (Bruker) gyda radiws blaen enwol o 1 nm i ddal delweddau cydraniad uchel o'r sampl ar gyfradd sgan o 0.50 Hz.Tynnwyd yr holl ddelweddau mewn hydoddiant dyfrllyd.
Cynhaliwyd arbrofion nanodidentation AFM gan ddefnyddio chwiliedydd PFQNM-LC-A-CAL (Bruker).Mae gan y stiliwr AFM flaen silicon ar gantilifr nitrid 345 nm o drwch, 54 µm o hyd a 4.5 µm o led gydag amledd soniarus o 45 kHz.Fe'i cynlluniwyd yn benodol i nodweddu a pherfformio mesuriadau nanomecanyddol meintiol ar samplau biolegol meddal.Mae'r synwyryddion yn cael eu graddnodi'n unigol yn y ffatri gyda gosodiadau gwanwyn wedi'u calibro ymlaen llaw.Roedd cysonion sbring y stilwyr a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon yn yr ystod 0.05–0.1 N/m.Er mwyn pennu siâp a maint y domen yn gywir, nodweddwyd y stiliwr yn fanwl gan ddefnyddio SEM.Ar ffig.Mae Ffigur 1a yn dangos micrograff electron sganio chwyddiad uchel, cydraniad uchel o'r stiliwr PFQNM-LC-A-CAL, gan roi golwg gyfannol ar ddyluniad y stiliwr.Ar ffig.Mae 1b yn dangos golwg mwy o frig blaen y stiliwr, gan ddarparu gwybodaeth am siâp a maint y domen.Ar y pen eithafol, mae'r nodwydd yn hemisffer tua 140 nm mewn diamedr (Ffig. 1c).O dan hwn, mae'r blaen yn tapio i siâp conigol, gan gyrraedd hyd wedi'i fesur o tua 500 nm.Y tu allan i'r rhanbarth meinhau, mae'r blaen yn silindrog ac yn dod i ben mewn cyfanswm hyd blaen o 1.18 µm.Dyma brif ran swyddogaethol blaen y stiliwr.Yn ogystal, defnyddiwyd stiliwr polystyren sfferig (PS) mawr (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, UDA) gyda diamedr blaen o 45 µm a chysonyn sbring o 2 N/m hefyd ar gyfer profi fel stiliwr colloidal.gyda stiliwr PFQNM-LC-A-CAL 140 nm i'w gymharu.
Adroddwyd y gall hylif gael ei ddal rhwng y stiliwr AFM a strwythur y brwsh polymer yn ystod nanodentiad, a fydd yn rhoi grym i fyny ar y stiliwr AFM cyn iddo gyffwrdd â'r wyneb69.Gall yr effaith allwthio gludiog hwn oherwydd cadw hylif newid y pwynt cyswllt ymddangosiadol, a thrwy hynny effeithio ar fesuriadau modwlws arwyneb.I astudio effaith geometreg stiliwr a chyflymder mewnoliad ar gadw hylif, plotiwyd cromliniau grym mewnoliad ar gyfer samplau CL lehfilcon A gan ddefnyddio chwiliedydd diamedr 140 nm ar gyfraddau dadleoli cyson o 1 µm/s a 2 µm/s.diamedr stiliwr 45 µm, gosodiad grym sefydlog 6 nN wedi'i gyflawni ar 1 µm/s.Cynhaliwyd arbrofion gyda stiliwr 140 nm mewn diamedr ar gyflymder mewnoliad o 1 µm/s a grym gosodedig o 300 pN, a ddewiswyd i greu pwysedd cyswllt o fewn ystod ffisiolegol (1–8 kPa) yr amrant uchaf.pwysedd 72. Profwyd samplau parod meddal o hydrogel PAA gyda phwysedd o 1 kPa am rym mewnoliad o 50 pN ar fuanedd o 1 μm/s gan ddefnyddio stiliwr â diamedr o 140 nm.
Gan fod hyd rhan gonigol blaen y stiliwr PFQNM-LC-A-CAL oddeutu 500 nm, ar gyfer unrhyw ddyfnder mewnoliad < 500 nm gellir tybio'n ddiogel y bydd geometreg y stiliwr yn ystod y mewnoliad yn aros yn driw i'w ddyfnder. siâp côn.Yn ogystal, rhagdybir y bydd wyneb y deunydd dan brawf yn arddangos ymateb elastig cildroadwy, a fydd hefyd yn cael ei gadarnhau yn yr adrannau canlynol.Felly, yn dibynnu ar siâp a maint y domen, fe wnaethom ddewis y model ffitio sffêr côn a ddatblygwyd gan Briscoe, Sebastian ac Adams, sydd ar gael ym meddalwedd y gwerthwr, i brosesu ein harbrofion nanodentation AFM (NanoScope).Meddalwedd dadansoddi data gwahaniad, Bruker) 73. Mae'r model yn disgrifio'r berthynas grym-dadleoli F(δ) ar gyfer côn sydd â nam apig sfferig.Ar ffig.Mae Ffigur 2 yn dangos y geometreg gyswllt yn ystod rhyngweithio côn anhyblyg â blaen sfferig, lle R yw radiws y blaen sfferig, a yw'r radiws cyswllt, b yw'r radiws cyswllt ar ddiwedd y blaen sfferig, δ yw'r radiws cyswllt.dyfnder mewnoliad, θ yw hanner ongl y côn.Mae delwedd SEM y stiliwr hwn yn dangos yn glir bod y blaen sfferig diamedr 140 nm yn uno'n tangential i gôn, felly dyma b yn cael ei ddiffinio dim ond trwy R, hy b = R cos θ.Mae'r feddalwedd a gyflenwir gan y gwerthwr yn darparu perthynas sffêr côn i gyfrifo gwerthoedd modwlws (E) Young o ddata gwahanu grym gan dybio a > b.Perthynas:
lle F yw'r grym mewnoliad, E yw modwlws Young, ν yw cymhareb Poisson.Gellir amcangyfrif y radiws cyswllt a gan ddefnyddio:
Cynllun geometreg cyswllt côn anhyblyg gyda blaen sfferig wedi'i wasgu i mewn i ddeunydd lens gyffwrdd Lefilcon gyda haen arwyneb o frwshys polymer canghennog.
Os yw a ≤ b, mae'r berthynas yn lleihau i'r hafaliad ar gyfer mewnolydd sfferig confensiynol;
Credwn y bydd rhyngweithio'r stiliwr tolcio â strwythur canghennog y brwsh polymer PMPC yn achosi i'r radiws cyswllt a fod yn fwy na'r radiws cyswllt sfferig b.Felly, ar gyfer pob mesuriad meintiol o'r modwlws elastig a gyflawnwyd yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd y ddibyniaeth a gafwyd ar gyfer achos a> b.
Delweddwyd y deunyddiau biomimetig ultrasoft a astudiwyd yn yr astudiaeth hon yn gynhwysfawr gan ddefnyddio microsgopeg trawsyrru electronau sganio (STEM) o groestoriad sampl a microsgopeg grym atomig (AFM) yr arwyneb.Perfformiwyd y nodweddiad arwyneb manwl hwn fel estyniad o'n gwaith a gyhoeddwyd yn flaenorol, lle gwnaethom benderfynu bod strwythur brwsh polymerig canghennog deinamig yr arwyneb lehfilcon A CL a addaswyd gan PMPC yn arddangos priodweddau mecanyddol tebyg i feinwe gornbilen brodorol 14 .Am y rheswm hwn, rydym yn cyfeirio at arwynebau lensys cyffwrdd fel deunyddiau biomimetig14.Ar ffig.Mae 3a,b yn dangos trawstoriadau o strwythurau brwsh polymer PMPC canghennog ar wyneb swbstrad lehfilcon A CL a swbstrad SiHy heb ei drin, yn y drefn honno.Dadansoddwyd arwynebau'r ddau sampl ymhellach gan ddefnyddio delweddau AFM cydraniad uchel, a gadarnhaodd ymhellach ganlyniadau'r dadansoddiad STEM (Ffig. 3c, d).Gyda'i gilydd, mae'r delweddau hyn yn rhoi hyd bras o strwythur brwsh polymer canghennog PMPC ar 300-400 nm, sy'n hanfodol ar gyfer dehongli mesuriadau nanodidentiad AFM.Sylw allweddol arall sy'n deillio o'r delweddau yw bod strwythur arwyneb cyffredinol y deunydd biomimetig CL yn wahanol yn forffolegol i ddeunydd swbstrad SiHy.Gall y gwahaniaeth hwn ym morffoleg eu harwynebedd ddod i'r amlwg yn ystod eu rhyngweithio mecanyddol â'r stiliwr AFM tolcio ac wedi hynny yn y gwerthoedd modwlws mesuredig.
Delweddau STEM trawstoriadol o (a) lehfilcon A CL a (b) swbstrad SiHy.Bar graddfa, 500 nm.Delweddau AFM o wyneb y swbstrad lehfilcon A CL (c) a'r swbstrad SiHy sylfaen (d) (3 µm × 3 µm).
Mae polymerau bioinspired a strwythurau brwsh polymer yn gynhenid ​​feddal ac wedi'u hastudio'n eang a'u defnyddio mewn amrywiol gymwysiadau biofeddygol74,75,76,77.Felly, mae'n bwysig defnyddio'r dull nanoindentation AFM, a all fesur eu priodweddau mecanyddol yn gywir ac yn ddibynadwy.Ond ar yr un pryd, mae priodweddau unigryw'r deunyddiau uwch-feddal hyn, megis modwlws elastig hynod o isel, cynnwys hylif uchel ac elastigedd uchel, yn aml yn ei gwneud hi'n anodd dewis y deunydd, siâp a siâp cywir y stiliwr tolcio.maint.Mae hyn yn bwysig fel nad yw'r indenter yn tyllu arwyneb meddal y sampl, a fyddai'n arwain at gamgymeriadau wrth bennu'r pwynt cyswllt â'r wyneb a'r ardal gyswllt.
Ar gyfer hyn, mae dealltwriaeth gynhwysfawr o forffoleg deunyddiau biomimetig uwch-feddal (lehfilcon A CL) yn hanfodol.Mae gwybodaeth am faint a strwythur y brwsys polymer canghennog a gafwyd gan ddefnyddio'r dull delweddu yn darparu'r sail ar gyfer nodweddu'r wyneb yn fecanyddol gan ddefnyddio technegau nanodidentation AFM.Yn lle stilwyr colloidal sfferig maint micron, fe wnaethom ddewis y stiliwr nitrid silicon PFQNM-LC-A-CAL (Bruker) gyda diamedr blaen o 140 nm, a ddyluniwyd yn arbennig ar gyfer mapio meintiol o briodweddau mecanyddol samplau biolegol 78, 79, 80 , 81, 82, 83, 84 Gellir esbonio'r rhesymeg dros ddefnyddio stilwyr cymharol finiog o'i gymharu â stilwyr coloidaidd confensiynol gan nodweddion strwythurol y deunydd.Wrth gymharu maint blaen y stiliwr (~140 nm) â'r brwsys polymer canghennog ar wyneb CL lehfilcon A, a ddangosir yn Ffig. 3a, gellir dod i'r casgliad bod y blaen yn ddigon mawr i ddod i gysylltiad uniongyrchol â'r strwythurau brwsh hyn, sy'n yn lleihau'r siawns y bydd y blaen yn tyllu drwyddynt.I ddangos y pwynt hwn, yn Ffig. 4 mae delwedd STEM o'r lehfilcon A CL a blaen mewnoliad y stiliwr AFM (wedi'i luniadu wrth raddfa).
Sgematig yn dangos delwedd STEM o lehfilcon A CL a stiliwr mewnoliad ACM (wedi'i luniadu wrth raddfa).
Yn ogystal, mae maint y blaen o 140 nm yn ddigon bach i osgoi'r risg o unrhyw un o'r effeithiau allwthio gludiog a adroddwyd yn flaenorol ar gyfer brwsys polymer a gynhyrchwyd gan y dull nanoindentation CP-AFM69,71.Tybiwn, oherwydd siâp côn-sfferig arbennig a maint cymharol fach y domen AFM hon (Ffig. 1), na fydd natur y gromlin rym a gynhyrchir gan lehfilcon A naoindentation CL yn dibynnu ar y cyflymder mewnoliad na'r cyflymder llwytho / dadlwytho .Felly, nid yw effeithiau poroelastig yn effeithio arno.I brofi'r ddamcaniaeth hon, cafodd samplau lehfilcon A CL eu mewnoli ar uchafswm grym sefydlog gan ddefnyddio chwiliedydd PFQNM-LC-A-CAL, ond ar ddau gyflymder gwahanol, a defnyddiwyd y cromliniau grym tynnol a thynnu'n ôl i blotio'r grym (nN) mewn gwahaniad (µm) i'w weld yn Ffigur 5a.Mae'n amlwg bod y cromliniau grym yn ystod llwytho a dadlwytho yn gorgyffwrdd yn llwyr, ac nid oes tystiolaeth glir bod y cneifio grym ar sero dyfnder mewnoliad yn cynyddu gyda chyflymder mewnoliad yn y ffigwr, sy'n awgrymu bod yr elfennau brwsh unigol wedi'u nodweddu heb effaith poroelastig.Mewn cyferbyniad, mae effeithiau cadw hylif (allwthio gludiog a effeithiau man-elastigedd) yn amlwg ar gyfer y chwiliedydd AFM diamedr 45 µm ar yr un cyflymder mewnoliad ac fe'u hamlygir gan yr hysteresis rhwng y cromliniau ymestyn a thynnu'n ôl, fel y dangosir yn Ffigur 5b.Mae'r canlyniadau hyn yn cefnogi'r ddamcaniaeth ac yn awgrymu bod chwilwyr diamedr 140 nm yn ddewis da ar gyfer nodweddu arwynebau meddal o'r fath.
lehfilcon A CL cromliniau grym mewnoliad gan ddefnyddio ACM;(a) defnyddio stiliwr â diamedr o 140 nm ar ddwy gyfradd lwytho, sy'n dangos absenoldeb effaith poroelastig yn ystod mewnoliad arwyneb;(b) gan ddefnyddio stilwyr sydd â diamedr o 45 µm a 140 nm.s dangos effeithiau allwthio gludiog a man-elastigedd ar gyfer stilwyr mawr o gymharu â stilwyr llai.
Er mwyn nodweddu arwynebau ultrasoft, rhaid i ddulliau nanoindentation AFM gael y stiliwr gorau i astudio priodweddau'r deunydd sy'n cael ei astudio.Yn ogystal â siâp a maint y domen, mae sensitifrwydd y system canfod AFM, sensitifrwydd i wyriad blaen yn yr amgylchedd prawf, ac anystwythder cantilifer yn chwarae rhan bwysig wrth bennu cywirdeb a dibynadwyedd nanoindentation.mesuriadau.Ar gyfer ein system AFM, mae terfyn canfod Synhwyrydd Sensitif i Sefyllfa (PSD) oddeutu 0.5 mV ac mae'n seiliedig ar gyfradd y gwanwyn wedi'i galibro ymlaen llaw a sensitifrwydd gwyro hylif cyfrifedig y chwiliedydd PFQNM-LC-A-CAL, sy'n cyfateb i'r sensitifrwydd llwyth damcaniaethol.yn llai na 0.1 pN.Felly, mae'r dull hwn yn caniatáu mesur grym mewnoliad lleiaf ≤ 0.1 pN heb unrhyw elfen sŵn ymylol.Fodd bynnag, mae bron yn amhosibl i system AFM leihau sŵn ymylol i'r lefel hon oherwydd ffactorau megis dirgryniad mecanyddol a dynameg hylif.Mae'r ffactorau hyn yn cyfyngu ar sensitifrwydd cyffredinol y dull nanoindentation AFM a hefyd yn arwain at signal sŵn cefndir o tua ≤ 10 pN.Ar gyfer nodweddu arwynebau, cafodd samplau swbstrad lehfilcon A CL a SiHy eu hindentio o dan amodau hydradol llawn gan ddefnyddio chwiliedydd 140 nm ar gyfer nodweddu SEM, ac arosodwyd y cromliniau grym canlyniadol rhwng grym (pN) a phwysau.Dangosir y llain wahanu (µm) yn Ffigur 6a.O'i gymharu â'r swbstrad sylfaen SiHy, mae cromlin grym lehfilcon A CL yn dangos yn glir gyfnod trosiannol gan ddechrau ar y pwynt cyswllt â'r brwsh polymer fforchog ac yn gorffen gyda newid sydyn yn y llethr marcio cyswllt y domen â'r deunydd gwaelodol.Mae'r rhan drosiannol hon o gromlin yr heddlu yn amlygu ymddygiad gwirioneddol elastig y brwsh polymer canghennog ar yr wyneb, fel y dangosir gan y gromlin gywasgu yn dilyn y gromlin densiwn yn agos a'r cyferbyniad mewn eiddo mecanyddol rhwng strwythur y brwsh a deunydd swmpus SiHy.Wrth gymharu lefilcon.Gwahaniad hyd cyfartalog brwsh polymer canghennog yn y ddelwedd STEM o'r PCS (Ffig. 3a) a'i gromlin rym ar hyd yr abscissa yn Ffig. 3a.Mae 6a yn dangos bod y dull yn gallu canfod y blaen a'r polymer canghennog yn cyrraedd pen eithaf yr wyneb.Cyswllt rhwng strwythurau brwsh.Yn ogystal, mae gorgyffwrdd agos o gromliniau'r grym yn dangos nad oes unrhyw effaith cadw hylif.Yn yr achos hwn, nid oes unrhyw adlyniad o gwbl rhwng y nodwydd ac arwyneb y sampl.Mae adrannau uchaf y cromliniau grym ar gyfer y ddau sampl yn gorgyffwrdd, gan adlewyrchu tebygrwydd priodweddau mecanyddol deunyddiau'r swbstrad.
(a) Cromliniau grym nanoindentation AFM ar gyfer swbstradau CL lehfilcon A a swbstradau SiHy, (b) cromliniau grym yn dangos amcangyfrif pwynt cyswllt gan ddefnyddio'r dull trothwy sŵn cefndir.
Er mwyn astudio manylion mwy manwl y gromlin rym, mae cromlin tensiwn y sampl lehfilcon A CL yn cael ei ail-blotio yn Ffig. 6b gyda grym mwyaf o 50 pN ar hyd yr echelin-y.Mae'r graff hwn yn rhoi gwybodaeth bwysig am y sŵn cefndir gwreiddiol.Mae'r sŵn yn yr ystod o ±10 pN, a ddefnyddir i bennu'r pwynt cyswllt yn gywir a chyfrifo dyfnder mewnoliad.Fel yr adroddwyd yn y llenyddiaeth, mae nodi pwyntiau cyswllt yn hanfodol i asesu priodweddau materol megis modwlws85 yn gywir.Mae dull sy'n cynnwys prosesu data cromlin grym yn awtomatig wedi dangos gwell cydweddiad rhwng gosod data a mesuriadau meintiol ar gyfer deunyddiau meddal86.Yn y gwaith hwn, mae ein dewis o bwyntiau cyswllt yn gymharol syml a gwrthrychol, ond mae iddo ei gyfyngiadau.Gall ein dull ceidwadol o bennu'r pwynt cyswllt arwain at werthoedd modwlws ychydig yn oramcangyfrif ar gyfer dyfnderoedd mewnoliad llai (< 100 nm).Gallai'r defnydd o ganfod pwynt cyffwrdd ar sail algorithm a phrosesu data awtomataidd fod yn barhad o'r gwaith hwn yn y dyfodol i wella ein dull ymhellach.Felly, ar gyfer sŵn cefndir cynhenid ​​​​ar y drefn o ±10 pN, rydym yn diffinio'r pwynt cyswllt fel y pwynt data cyntaf ar yr echelin-x yn Ffigur 6b gyda gwerth o ≥10 pN.Yna, yn unol â'r trothwy sŵn o 10 pN, mae llinell fertigol ar lefel ~0.27 µm yn nodi'r pwynt cyswllt â'r wyneb, ac ar ôl hynny mae'r gromlin ymestyn yn parhau nes bod y swbstrad yn cwrdd â dyfnder mewnoliad ~ 270 nm.Yn ddiddorol, yn seiliedig ar faint y nodweddion canghennog brwsh polymer (300-400 nm) a fesurwyd gan ddefnyddio'r dull delweddu, dyfnder mewnoliad y CL lehfilcon Mae sampl a arsylwyd gan ddefnyddio'r dull trothwy sŵn cefndir tua 270 nm, sy'n agos iawn at y maint mesur gyda STEM.Mae'r canlyniadau hyn yn cadarnhau ymhellach gydnawsedd a chymhwysedd siâp a maint blaen y stiliwr AFM ar gyfer mewnoliad y strwythur brwsh polymer canghennog meddal a hynod elastig hwn.Mae’r data hwn hefyd yn darparu tystiolaeth gref i gefnogi ein dull o ddefnyddio sŵn cefndir fel trothwy ar gyfer nodi pwyntiau cyswllt.Felly, dylai unrhyw ganlyniadau meintiol a geir o fodelu mathemategol a gosod cromlin grym fod yn gymharol gywir.
Mae mesuriadau meintiol gan ddulliau nanodidentation AFM yn gwbl ddibynnol ar y modelau mathemategol a ddefnyddir ar gyfer dethol data a dadansoddi dilynol.Felly, mae'n bwysig ystyried yr holl ffactorau sy'n ymwneud â dewis mewnolydd, priodweddau materol a mecaneg eu rhyngweithio cyn dewis model penodol.Yn yr achos hwn, nodweddwyd geometreg y blaen yn ofalus gan ddefnyddio micrograffau SEM (Ffig. 1), ac yn seiliedig ar y canlyniadau, mae'r chwiliedydd nanoindenting AFM diamedr 140 nm gyda chôn caled a geometreg blaen sfferig yn ddewis da ar gyfer nodweddu samplau lehfilcon A CL79 .Ffactor pwysig arall y mae angen ei werthuso'n ofalus yw elastigedd y deunydd polymer sy'n cael ei brofi.Er bod data cychwynnol nanoindentation (Ffig. 5a a 6a) yn amlinellu'n glir nodweddion gorgyffwrdd y cromliniau tensiwn a chywasgu, hy, adferiad elastig cyflawn y deunydd, mae'n hynod bwysig cadarnhau natur elastig pur y cysylltiadau .I'r perwyl hwn, perfformiwyd dau fewnoliad olynol yn yr un lleoliad ar wyneb y sampl lehfilcon A CL ar gyfradd mewnoliad o 1 µm/s o dan amodau hydradiad llawn.Dangosir y data cromlin grym canlyniadol yn ffig.7 ac, yn ôl y disgwyl, mae cromliniau ehangu a chywasgu'r ddau brint bron yn union yr un fath, gan amlygu elastigedd uchel y strwythur brwsh polymer canghennog.
Mae dwy gromlin grym mewnoliad yn yr un lleoliad ar wyneb lehfilcon A CL yn nodi elastigedd delfrydol arwyneb y lens.
Yn seiliedig ar wybodaeth a gafwyd o ddelweddau SEM a STEM o'r blaen stiliwr ac arwyneb lehfilcon A CL, yn y drefn honno, mae'r model sffêr côn yn gynrychiolaeth fathemategol resymol o'r rhyngweithio rhwng blaen stiliwr AFM a'r deunydd polymer meddal sy'n cael ei brofi.Yn ogystal, ar gyfer y model sffêr côn hwn, mae'r rhagdybiaethau sylfaenol am briodweddau elastig y deunydd argraffedig yn wir am y deunydd biomimetig newydd hwn ac fe'u defnyddir i feintioli'r modwlws elastig.
Ar ôl gwerthusiad cynhwysfawr o'r dull nanoindentation AFM a'i gydrannau, gan gynnwys priodweddau stiliwr mewnoliad (siâp, maint, ac anystwythder gwanwyn), sensitifrwydd (sŵn cefndir ac amcangyfrif pwynt cyswllt), a modelau gosod data (mesuriadau modwlws meintiol), y dull oedd defnyddio.nodweddu samplau tra meddal sydd ar gael yn fasnachol i wirio canlyniadau meintiol.Profwyd hydrogel polyacrylamid masnachol (PAAM) gyda modwlws elastig o 1 kPa o dan amodau hydradol gan ddefnyddio stiliwr 140 nm.Rhoddir manylion am brofi modiwlau a chyfrifiadau yn y Wybodaeth Atodol.Dangosodd y canlyniadau fod y modwlws cyfartalog a fesurwyd yn 0.92 kPa, ac roedd y gwyriad %RSD a chanran (%) o'r modwlws hysbys yn llai na 10%.Mae'r canlyniadau hyn yn cadarnhau cywirdeb ac atgynhyrchedd y dull nanoindentation AFM a ddefnyddir yn y gwaith hwn i fesur modwli deunyddiau ultrasoft.Nodweddwyd arwynebau'r samplau CL lehfilcon A a'r swbstrad sylfaen SiHy ymhellach gan ddefnyddio'r un dull nanoindentation AFM i astudio modwlws cyswllt ymddangosiadol yr arwyneb ultrasoft fel swyddogaeth dyfnder mewnoliad.Cynhyrchwyd cromliniau gwahanu grym mewnoliad ar gyfer tri sbesimen o bob math (n = 3; un mewnoliad fesul sbesimen) ar rym o 300 pN, buanedd o 1 µm/s, a hydradiad llawn.Brasamcanwyd y gromlin rhannu grym mewnoliad gan ddefnyddio model sffêr côn.I gael modwlws yn dibynnu ar ddyfnder mewnoliad, gosodwyd cyfran 40 nm o led o gromlin yr heddlu ar bob cynyddiad o 20 nm gan ddechrau o'r pwynt cyswllt, a mesurwyd gwerthoedd y modwlws ar bob cam o gromlin yr heddlu.Mae Spin Cy et al.Defnyddiwyd dull tebyg i nodweddu graddiant modwlws brwshys polymer poly(lauryl methacrylate) (P12MA) gan ddefnyddio nanodident stiliwr AFM colloidal, ac maent yn gyson â data gan ddefnyddio model cyswllt Hertz.Mae'r dull hwn yn darparu plot o fodwlws cyswllt ymddangosiadol (kPa) yn erbyn dyfnder mewnoliad (nm), fel y dangosir yn Ffigur 8, sy'n dangos y modwlws cyswllt ymddangosiadol/graddiant dyfnder.Mae modwlws elastig cyfrifedig y sampl CL lehfilcon A yn yr ystod o 2–3 kPa o fewn 100 nm uchaf y sampl, ac y tu hwnt i hynny mae'n dechrau cynyddu gyda dyfnder.Ar y llaw arall, wrth brofi'r swbstrad sylfaen SiHy heb ffilm tebyg i frwsh ar yr wyneb, mae'r dyfnder mewnoliad uchaf a gyflawnir ar rym o 300 pN yn llai na 50 nm, ac mae'r gwerth modwlws a geir o'r data tua 400 kPa , sy'n debyg i werthoedd modwlws Young ar gyfer deunyddiau swmp.
Modwlws cyswllt ymddangosiadol (kPa) yn erbyn dyfnder mewnoliad (nm) ar gyfer swbstradau lehfilcon A CL a SiHy gan ddefnyddio dull nanoindentation AFM gyda geometreg côn-sffêr i fesur modwlws.
Mae arwyneb uchaf strwythur y brwsh polymer canghennog biomimetig newydd yn arddangos modwlws elastigedd hynod o isel (2–3 kPa).Bydd hyn yn cyfateb i ben hongian rhydd y brwsh polymer fforchog fel y dangosir yn y ddelwedd STEM.Er bod rhywfaint o dystiolaeth o raddiant modwlws ar ymyl allanol y CL, mae'r prif swbstrad modwlws uchel yn fwy dylanwadol.Fodd bynnag, mae 100 nm uchaf yr arwyneb o fewn 20% o gyfanswm hyd y brwsh polymer canghennog, felly mae'n rhesymol tybio bod gwerthoedd mesuredig y modwlws yn yr ystod dyfnder mewnoliad hwn yn gymharol gywir ac nad ydynt yn gryf dibynnu ar effaith y gwrthrych gwaelod.
Oherwydd dyluniad biomimetig unigryw lensys cyffwrdd lehfilcon A, sy'n cynnwys strwythurau brwsh polymer PMPC canghennog wedi'u impio ar wyneb swbstradau SiHy, mae'n anodd iawn nodweddu priodweddau mecanyddol eu strwythurau arwyneb yn ddibynadwy gan ddefnyddio dulliau mesur traddodiadol.Yma rydym yn cyflwyno dull nanodentation AFM datblygedig ar gyfer nodweddu deunyddiau hynod feddal fel lefilcon A yn gywir gyda chynnwys dŵr uchel ac elastigedd uchel iawn.Mae'r dull hwn yn seiliedig ar ddefnyddio stiliwr AFM y mae ei faint blaen a'i geometreg yn cael eu dewis yn ofalus i gyd-fynd â dimensiynau strwythurol y nodweddion arwyneb uwch-feddal sydd i'w hargraffu.Mae'r cyfuniad hwn o ddimensiynau rhwng stiliwr a strwythur yn darparu mwy o sensitifrwydd, gan ein galluogi i fesur modwlws isel a phriodweddau elastig cynhenid ​​elfennau brwsh polymer canghennog, waeth beth fo'r effeithiau poroelastig.Dangosodd y canlyniadau fod gan y brwsys polymer PMPC canghennog unigryw sy'n nodweddiadol o arwyneb y lens fodwlws elastig eithriadol o isel (hyd at 2 kPa) ac elastigedd uchel iawn (bron i 100%) pan gânt eu profi mewn amgylchedd dyfrllyd.Roedd canlyniadau nanoindentation AFM hefyd yn ein galluogi i nodweddu modwlws cyswllt ymddangosiadol / graddiant dyfnder (30 kPa / 200 nm) arwyneb y lens biomimetig.Gall y graddiant hwn fod oherwydd y gwahaniaeth modwlws rhwng y brwsys polymer canghennog a'r swbstrad SiHy, neu strwythur canghennog/dwysedd y brwshys polymer, neu gyfuniad ohonynt.Fodd bynnag, mae angen astudiaethau manwl pellach i ddeall yn llawn y berthynas rhwng strwythur a phriodweddau, yn enwedig effaith canghennog brwsh ar briodweddau mecanyddol.Gall mesuriadau tebyg helpu i nodweddu priodweddau mecanyddol arwyneb deunyddiau hynod feddal a dyfeisiau meddygol eraill.
Mae setiau data a gynhyrchwyd a/neu a ddadansoddwyd yn ystod yr astudiaeth gyfredol ar gael gan yr awduron priodol ar gais rhesymol.
Rahmati, M., Silva, EA, Reseland, JE, Hayward, K. a Haugen, HJ Adweithiau biolegol i briodweddau ffisegol a chemegol arwynebau bioddeunyddiau.Cemegol.cymdeithas.Ed.49, 5178–5224 (2020).
Chen, FM a Liu, X. Gwella bioddeunyddiau sy'n deillio o bobl ar gyfer peirianneg meinwe.rhaglennu.polymer.y wyddoniaeth.53, 86 (2016).
Sadler, K. et al.Dyluniad, gweithrediad clinigol, ac ymateb imiwn bioddeunyddiau mewn meddygaeth adfywiol.Cenedlaethol Matt Parch. 1, 16040 (2016).
Oliver WK a Farr GM Dull gwell o bennu caledwch a modwlws elastig gan ddefnyddio arbrofion mewnoliad gyda mesuriadau llwyth a dadleoli.J. Alma mater.tanc storio.7, 1564–1583 (2011).
Wally, SM Gwreiddiau hanesyddol profi caledwch mewnoliad.ALMA Mater.y wyddoniaeth.technolegau.28, 1028–1044 (2012).
Broitman, E. Mesuriadau Caledwch mewnoliad yn y Macro-, Micro-, a Nanoraddfa: Adolygiad Beirniadol.llwyth.Wright.65, 1–18 (2017).
Kaufman, JD a Clapperich, SM Mae gwallau canfod wyneb yn arwain at oramcangyfrif modwlws mewn nanodidentiad deunyddiau meddal.J. Mecha.Ymddygiad.Gwyddor Fiofeddygol.ALMA Mater.2, 312–317 (2009).
Karimzade A., Koloor SSR, Ayatollahi MR, Bushroa AR a Yahya M.Yu.Gwerthusiad o'r dull nanoindentation ar gyfer pennu nodweddion mecanyddol nanocomposites heterogenaidd gan ddefnyddio dulliau arbrofol a chyfrifiadurol.y wyddoniaeth.Ty 9, 15763 (2019).
Liu, K., VanLendingham, MR, ac Owart, TS Nodweddu mecanyddol geliau viscoelastig meddal trwy mewnoliad a dadansoddiad o elfennau meidraidd gwrthdro yn seiliedig ar optimeiddio.J. Mecha.Ymddygiad.Gwyddor Fiofeddygol.ALMA Mater.2, 355–363 (2009).
Andrews JW, Bowen J a Chaneler D. Optimeiddio penderfyniad viscoelasticity gan ddefnyddio systemau mesur cydnaws.Mater Meddal 9, 5581–5593 (2013).
Briscoe, BJ, Fiori, L. a Pellillo, E. Nanoindentation arwynebau polymerig.J. Ffiseg.D. Gwnewch gais am ffiseg.31, 2395 (1998).
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. a Van Vliet KJ Nodweddu priodweddau mecanyddol viscoelastig polymerau hynod elastig a meinweoedd biolegol gan ddefnyddio pigiad sioc.Journal of Biomaterials.71, 388–397 (2018).
Perepelkin NV, Kovalev AE, Gorb SN, Borodich FM Gwerthusiad o fodwlws elastig ac adlyniad deunyddiau meddal gan ddefnyddio dull estynedig Borodich-Galanov (BG) a mewnoliad dwfn.ffwr.ALMA Mater.129, 198–213 (2019).
Shi, X. et al.Morffoleg nanoraddfa a phriodweddau mecanyddol arwynebau polymerig biomimetig lensys cyffwrdd hydrogel silicon.Langmuir 37, 13961–13967 (2021).