Nature.com پر جانے کا شکریہ۔آپ محدود سی ایس ایس سپورٹ کے ساتھ براؤزر کا ورژن استعمال کر رہے ہیں۔بہترین تجربے کے لیے، ہم تجویز کرتے ہیں کہ آپ ایک اپ ڈیٹ شدہ براؤزر استعمال کریں (یا انٹرنیٹ ایکسپلورر میں مطابقت موڈ کو غیر فعال کریں)۔اس کے علاوہ، جاری تعاون کو یقینی بنانے کے لیے، ہم سائٹ کو بغیر اسٹائل اور جاوا اسکرپٹ کے دکھاتے ہیں۔
ایک ساتھ تین سلائیڈوں کا ایک carousel دکھاتا ہے۔ایک وقت میں تین سلائیڈوں سے گزرنے کے لیے پچھلے اور اگلے بٹنوں کا استعمال کریں، یا ایک وقت میں تین سلائیڈوں سے گزرنے کے لیے آخر میں سلائیڈر بٹن استعمال کریں۔
طبی آلات اور بائیو میڈیکل ایپلی کیشنز کے لیے نئے انتہائی نرم مواد کی ترقی کے ساتھ، ان کی جسمانی اور مکینیکل خصوصیات کی جامع خصوصیات دونوں اہم اور چیلنجنگ ہیں۔ایک ترمیم شدہ جوہری قوت مائیکروسکوپی (AFM) نینو انڈینٹیشن تکنیک کا اطلاق نئے لیہفیلکون کے انتہائی کم سطح کے ماڈیولس کو نمایاں کرنے کے لیے کیا گیا تھا۔یہ طریقہ برانچڈ پولیمر کے قریب پہنچنے پر چپچپا اخراج کے اثرات کے بغیر رابطہ پوائنٹس کے درست تعین کی اجازت دیتا ہے۔اس کے علاوہ، یہ poroelasticity کے اثر کے بغیر انفرادی برش عناصر کی مکینیکل خصوصیات کا تعین کرنا ممکن بناتا ہے۔یہ ایک ڈیزائن (ٹپ سائز، جیومیٹری اور بہار کی شرح) کے ساتھ ایک AFM تحقیقات کو منتخب کرکے حاصل کیا جاتا ہے جو خاص طور پر نرم مواد اور حیاتیاتی نمونوں کی خصوصیات کی پیمائش کے لیے موزوں ہے۔یہ طریقہ انتہائی نرم مواد لیہفیلکون اے کی درست پیمائش کے لیے حساسیت اور درستگی کو بہتر بناتا ہے، جس کی سطح کے رقبے پر لچک کا انتہائی کم ماڈیولس (2 kPa تک) اور اندرونی (تقریباً 100%) پانی والے ماحول میں انتہائی اعلی لچک ہے۔ .سطحی مطالعہ کے نتائج نے نہ صرف لیہفیلکون اے لینس کی انتہائی نرم سطح کی خصوصیات کا انکشاف کیا بلکہ یہ بھی ظاہر کیا کہ شاخوں والے پولیمر برشوں کا ماڈیولس سلکان ہائیڈروجن سبسٹریٹ سے موازنہ کیا جا سکتا ہے۔اس سطح کی خصوصیت کی تکنیک کو دوسرے انتہائی نرم مواد اور طبی آلات پر لاگو کیا جا سکتا ہے۔
زندہ بافتوں کے ساتھ براہ راست رابطے کے لیے بنائے گئے مواد کی مکینیکل خصوصیات اکثر حیاتیاتی ماحول سے طے ہوتی ہیں۔ان مادی خصوصیات کا کامل مماثلت سیلولر ردعمل 1,2,3 کا سبب بنے بغیر مواد کی مطلوبہ طبی خصوصیات کو حاصل کرنے میں مدد کرتا ہے۔بلک یکساں مواد کے لیے، معیاری طریقہ کار اور جانچ کے طریقوں کی دستیابی کی وجہ سے مکینیکل خصوصیات کی خصوصیات نسبتاً آسان ہے (مثلاً مائیکرو انڈینٹیشن 4,5,6)۔تاہم، انتہائی نرم مواد جیسے جیل، ہائیڈروجلز، بائیو پولیمر، زندہ خلیات، وغیرہ کے لیے، یہ جانچ کے طریقے عام طور پر پیمائش کے حل کی حدود اور کچھ مواد کی غیر ہم آہنگی کی وجہ سے لاگو نہیں ہوتے ہیں۔برسوں کے دوران، روایتی انڈینٹیشن کے طریقوں میں ترمیم کی گئی ہے اور نرم مواد کی ایک وسیع رینج کی خصوصیت کے لیے ڈھال لیا گیا ہے، لیکن بہت سے طریقے اب بھی سنگین کوتاہیوں کا شکار ہیں جو ان کے استعمال کو محدود کرتے ہیں 8,9,10,11,12,13۔مخصوص جانچ کے طریقوں کی کمی جو کہ سپر سافٹ مواد اور سطح کی تہوں کی میکانکی خصوصیات کو درست اور قابل اعتماد طریقے سے نمایاں کر سکتی ہے، مختلف ایپلی کیشنز میں ان کے استعمال کو سختی سے محدود کرتی ہے۔
اپنے پچھلے کام میں، ہم نے lehfilcon A (CL) کانٹیکٹ لینس متعارف کرایا، ایک نرم متضاد مواد جس میں تمام انتہائی نرم سطح کی خصوصیات ہیں جو آنکھوں کے کارنیا کی سطح سے متاثر ہونے والے ممکنہ طور پر بائیو میمیٹک ڈیزائن سے اخذ کی گئی ہیں۔اس بائیو میٹریل کو پولی (2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC)) (PMPC) کی ایک برانچڈ، کراس لنکڈ پولیمر پرت کو ایک سلیکون ہائیڈروجیل (SiHy) 15 پر بنا کر تیار کیا گیا ہے جو طبی آلات کے لیے بنایا گیا ہے۔گرافٹنگ کا یہ عمل سطح پر ایک تہہ بناتا ہے جس میں انتہائی نرم اور انتہائی لچکدار شاخوں والے پولیمیرک برش کی ساخت ہوتی ہے۔ہمارے پچھلے کام نے اس بات کی تصدیق کی ہے کہ lehfilcon A CL کا بایومیمیٹک ڈھانچہ اعلی سطحی خصوصیات فراہم کرتا ہے جیسے بہتر گیلا اور گندگی کی روک تھام، چکنا پن میں اضافہ، اور سیل اور بیکٹیریل آسنجن 15,16 کو کم کرنا۔اس کے علاوہ، اس بایومیمیٹک مواد کا استعمال اور ترقی دیگر بائیو میڈیکل آلات میں مزید توسیع کا مشورہ بھی دیتی ہے۔لہذا، اس انتہائی نرم مواد کی سطحی خصوصیات کو نمایاں کرنا اور آنکھ کے ساتھ اس کے مکینیکل تعامل کو سمجھنا ضروری ہے تاکہ مستقبل میں ہونے والی پیشرفت اور ایپلی کیشنز کی حمایت کے لیے ایک جامع علمی بنیاد بنایا جا سکے۔زیادہ تر تجارتی طور پر دستیاب SiHy کانٹیکٹ لینز ہائیڈرو فیلک اور ہائیڈروفوبک پولیمر کے یکساں مرکب پر مشتمل ہوتے ہیں جو ایک یکساں مادی ڈھانچہ بناتے ہیں۔روایتی کمپریشن، ٹینسائل اور مائیکرو انڈینٹیشن ٹیسٹ کے طریقوں 18,19,20,21 کا استعمال کرتے ہوئے ان کی مکینیکل خصوصیات کی چھان بین کے لیے کئی مطالعات کیے گئے ہیں۔تاہم، lehfilcon A CL کا نیا بایومیمیٹک ڈیزائن اسے ایک منفرد متفاوت مواد بناتا ہے جس میں شاخوں والے پولیمر برش کے ڈھانچے کی مکینیکل خصوصیات SiHy بیس سبسٹریٹ سے نمایاں طور پر مختلف ہوتی ہیں۔لہذا، روایتی اور انڈینٹیشن کے طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے ان خصوصیات کو درست طریقے سے درست کرنا بہت مشکل ہے۔ایک امید افزا طریقہ اٹامک فورس مائیکروسکوپی (AFM) میں لاگو نینو انڈینٹیشن ٹیسٹنگ کا طریقہ استعمال کرتا ہے، ایک ایسا طریقہ جس کا استعمال نرم ویسکوئلاسٹک مواد جیسے حیاتیاتی خلیات اور بافتوں کے ساتھ ساتھ نرم پولیمر 22,23,24,25 کی مکینیکل خصوصیات کا تعین کرنے کے لیے کیا جاتا ہے۔ .26,27,28,29,30۔AFM nanoindentation میں، nanoindentation ٹیسٹنگ کے بنیادی اصولوں کو AFM ٹیکنالوجی میں جدید ترین پیشرفت کے ساتھ ملایا جاتا ہے تاکہ پیمائش کی حساسیت میں اضافہ اور موروثی طور پر سپر سافٹ مواد کی وسیع رینج کی جانچ فراہم کی جا سکے۔اس کے علاوہ، ٹیکنالوجی مختلف جیومیٹریوں کے استعمال کے ذریعے دیگر اہم فوائد پیش کرتی ہے۔انڈینٹر اور پروب اور مختلف مائع میڈیا میں جانچ کا امکان۔
AFM نینو انڈینٹیشن کو مشروط طور پر تین اہم اجزاء میں تقسیم کیا جا سکتا ہے: (1) سامان (سینسر، ڈیٹیکٹر، تحقیقات، وغیرہ)؛(2) پیمائش کے پیرامیٹرز (جیسے طاقت، نقل مکانی، رفتار، ریمپ سائز، وغیرہ)؛(3) ڈیٹا پروسیسنگ (بیس لائن درستگی، ٹچ پوائنٹ کا تخمینہ، ڈیٹا فٹنگ، ماڈلنگ، وغیرہ)۔اس طریقہ کار کے ساتھ ایک اہم مسئلہ یہ ہے کہ AFM نینو انڈینٹیشن کا استعمال کرتے ہوئے لٹریچر میں متعدد مطالعات ایک ہی نمونے/خلیہ/مادی کی قسم37,38,39,40,41 کے لیے بہت مختلف مقداری نتائج کی اطلاع دیتے ہیں۔مثال کے طور پر، Lekka et al.میکانکی طور پر یکساں ہائیڈروجیل اور متضاد خلیوں کے نمونوں کے ماپا ینگ کے ماڈیولس پر اے ایف ایم پروب جیومیٹری کے اثر و رسوخ کا مطالعہ اور موازنہ کیا گیا۔وہ رپورٹ کرتے ہیں کہ ماڈیولس کی قدریں کینٹیلیور کے انتخاب اور نوک کی شکل پر بہت زیادہ انحصار کرتی ہیں، جس میں اہرام کی شکل کی تحقیقات کے لیے سب سے زیادہ قدر اور کروی تحقیقات کے لیے سب سے کم قیمت 42 ہوتی ہے۔اسی طرح سیلہوبر-انکل وغیرہ۔یہ دکھایا گیا ہے کہ انڈینٹر کی رفتار، انڈینٹر سائز اور پولی کریلامائڈ (PAAM) کے نمونوں کی موٹائی ACM43 nanoindentation کے ذریعے ماپے گئے ینگ کے ماڈیولس کو کیسے متاثر کرتی ہے۔ایک اور پیچیدہ عنصر معیاری انتہائی کم ماڈیولس ٹیسٹ مواد اور مفت ٹیسٹ کے طریقہ کار کی کمی ہے۔اس سے اعتماد کے ساتھ درست نتائج حاصل کرنا بہت مشکل ہو جاتا ہے۔تاہم، یہ طریقہ اسی طرح کے نمونوں کی اقسام کے درمیان نسبتی پیمائش اور تقابلی تشخیص کے لیے بہت مفید ہے، مثال کے طور پر کینسر کے خلیات 44، 45 سے نارمل خلیات کو ممتاز کرنے کے لیے AFM نینو انڈینٹیشن کا استعمال۔
AFM نینو انڈینٹیشن کے ساتھ نرم مواد کی جانچ کرتے وقت، انگوٹھے کا ایک عام اصول یہ ہے کہ کم بہار مستقل (k) کے ساتھ ایک پروب کا استعمال کیا جائے جو نمونے کے ماڈیولس اور ایک ہیمسفیریکل/گول ٹپ سے قریب سے میل کھاتا ہے تاکہ پہلی تحقیقات نمونے کی سطحوں پر چھید نہ کرے۔ نرم مواد کے ساتھ پہلا رابطہ.یہ بھی ضروری ہے کہ پروب سے پیدا ہونے والا انحراف سگنل اتنا مضبوط ہو کہ لیزر ڈیٹیکٹر سسٹم 24,34,46,47 کے ذریعے پتہ لگایا جا سکے۔انتہائی نرم متضاد خلیات، بافتوں اور جیلوں کے معاملے میں، ایک اور چیلنج یہ ہے کہ پروب اور نمونے کی سطح کے درمیان چپکنے والی قوت پر قابو پانا تاکہ تولیدی اور قابل اعتماد پیمائش48,49,50 کو یقینی بنایا جا سکے۔کچھ عرصہ پہلے تک، AFM nanoindentation پر زیادہ تر کام حیاتیاتی خلیات، ٹشوز، جیل، ہائیڈروجلز، اور بائیو مالیکیولز کے میکانکی رویے کے مطالعہ پر مرکوز رہا ہے جو نسبتاً بڑی کروی تحقیقات کا استعمال کرتے ہیں، جنہیں عام طور پر کولائیڈل پروبس (CPs) کہا جاتا ہے۔, 47, 51, 52, 53, 54, 55۔ ان ٹپس کا رداس 1 سے 50 µm ہوتا ہے اور یہ عام طور پر بوروسیلیکیٹ گلاس، پولیمتھائل میتھکرائیلیٹ (PMMA)، پولی اسٹیرین (PS)، سلکان ڈائی آکسائیڈ (SiO2) اور ہیرے سے بنائے جاتے ہیں۔ کاربن (DLC) کی طرح۔اگرچہ CP-AFM nanoindentation نرم نمونے کی خصوصیت کے لیے اکثر پہلا انتخاب ہوتا ہے، لیکن اس کے اپنے مسائل اور حدود ہیں۔بڑے، مائکرون سائز کے کروی ٹپس کا استعمال نمونے کے ساتھ ٹپ کے کل رابطے کے علاقے کو بڑھاتا ہے اور اس کے نتیجے میں مقامی ریزولوشن کا نمایاں نقصان ہوتا ہے۔نرم، غیر ہم جنس نمونوں کے لیے، جہاں مقامی عناصر کی مکینیکل خصوصیات وسیع علاقے میں اوسط سے نمایاں طور پر مختلف ہو سکتی ہیں، CP انڈینٹیشن مقامی پیمانے پر خصوصیات میں کسی بھی غیر ہم آہنگی کو چھپا سکتا ہے۔کولائیڈل پروبس عام طور پر ایپوکسی چپکنے والی اشیاء کا استعمال کرتے ہوئے ٹپلیس کینٹیلیور کے ساتھ مائکرون سائز کے کولائیڈل دائروں کو جوڑ کر بنائے جاتے ہیں۔مینوفیکچرنگ کا عمل خود بہت سے مسائل سے بھرا ہوا ہے اور یہ تحقیقات کیلیبریشن کے عمل میں تضادات کا باعث بن سکتا ہے۔اس کے علاوہ، کولائیڈل ذرات کا سائز اور کمیت براہ راست کینٹیلیور کے مرکزی انشانکن پیرامیٹرز کو متاثر کرتی ہے، جیسے کہ گونجنے والی فریکوئنسی، بہار کی سختی، اور انحطاط کی حساسیت56,57,58۔اس طرح، روایتی AFM تحقیقات کے لیے عام طور پر استعمال ہونے والے طریقے، جیسے درجہ حرارت کیلیبریشن، CP کے لیے درست انشانکن فراہم نہیں کر سکتے ہیں، اور ان تصحیحات کو انجام دینے کے لیے دیگر طریقوں کی ضرورت ہو سکتی ہے نرم نمونوں کی خصوصیات کا مطالعہ کریں، جو نسبتاً بڑے انحراف 62,63,64 پر کینٹیلیور کے غیر لکیری رویے کی پیمائش کرتے وقت ایک اور مسئلہ پیدا کرتا ہے۔جدید کولائیڈل پروب انڈینٹیشن کے طریقے عام طور پر پروب کو کیلیبریٹ کرنے کے لیے استعمال ہونے والے کینٹیلیور کی جیومیٹری کو مدنظر رکھتے ہیں، لیکن کولائیڈل ذرات کے اثر کو نظر انداز کرتے ہیں، جس سے طریقہ38,61 کی درستگی میں اضافی غیر یقینی صورتحال پیدا ہوتی ہے۔اسی طرح، کانٹیکٹ ماڈل فٹنگ کے ذریعے کی گئی لچکدار ماڈیولی کا براہ راست انحصار انڈینٹیشن پروب کی جیومیٹری پر ہوتا ہے، اور ٹپ اور نمونے کی سطح کی خصوصیات کے درمیان مماثلت غلطیاں پیدا کر سکتی ہے27, 65, 66, 67, 68۔ Spencer et al کے کچھ حالیہ کام۔CP-AFM نینو انڈینٹیشن کے طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے نرم پولیمر برش کی خصوصیت کرتے وقت جن عوامل کو مدنظر رکھا جانا چاہیے ان پر روشنی ڈالی گئی ہے۔انہوں نے رپورٹ کیا کہ پولیمر برش میں چپچپا سیال کی برقراری رفتار کے کام کے طور پر سر کی لوڈنگ میں اضافہ کا باعث بنتی ہے اور اس وجہ سے رفتار پر منحصر خصوصیات کی مختلف پیمائشیں 30,69,70,71 ہیں۔
اس مطالعے میں، ہم نے ایک ترمیم شدہ AFM نینو انڈینٹیشن طریقہ کا استعمال کرتے ہوئے انتہائی نرم انتہائی لچکدار مواد لیہفلکن A CL کے سطحی ماڈیولس کی خصوصیت کی ہے۔اس مواد کی خصوصیات اور نئے ڈھانچے کو دیکھتے ہوئے، روایتی انڈینٹیشن کے طریقہ کار کی حساسیت کی حد اس انتہائی نرم مواد کے ماڈیولس کو نمایاں کرنے کے لیے واضح طور پر ناکافی ہے، اس لیے ضروری ہے کہ زیادہ حساسیت اور کم حساسیت کے ساتھ AFM نینو انڈینٹیشن کا طریقہ استعمال کیا جائے۔سطحموجودہ کولائیڈل AFM تحقیقات کی نینو انڈینٹیشن تکنیکوں کی کوتاہیوں اور مسائل کا جائزہ لینے کے بعد، ہم دکھاتے ہیں کہ ہم نے حساسیت، پس منظر کے شور، رابطے کے نقطہ نقطہ، نرم متضاد مواد جیسے سیال برقرار رکھنے جیسے رفتار کے ماڈیول کو ختم کرنے کے لیے ایک چھوٹی، اپنی مرضی کے مطابق ڈیزائن کردہ AFM تحقیقات کا انتخاب کیوں کیا۔ انحصاراور درست مقدار کا تعین۔اس کے علاوہ، ہم انڈینٹیشن ٹپ کی شکل اور طول و عرض کو درست طریقے سے ماپنے کے قابل تھے، جس سے ہمیں مواد کے ساتھ ٹپ کے رابطے کے علاقے کا اندازہ کیے بغیر لچک کے ماڈیولس کا تعین کرنے کے لیے کونی اسفیئر فٹ ماڈل کا استعمال کرنے کی اجازت ملتی ہے۔اس کام میں جن دو مضمر مفروضوں کی مقدار طے کی گئی ہے وہ ہیں مکمل لچکدار مادی خصوصیات اور انڈینٹیشن ڈیپتھ سے آزاد ماڈیولس۔اس طریقہ کار کو استعمال کرتے ہوئے، ہم نے سب سے پہلے ایک معروف ماڈیولس کے ساتھ انتہائی نرم معیارات کا تجربہ کیا تاکہ طریقہ کار کی مقدار درست ہو سکے، اور پھر اس طریقہ کو دو مختلف کانٹیکٹ لینس مواد کی سطحوں کو نمایاں کرنے کے لیے استعمال کیا۔بڑھتی ہوئی حساسیت کے ساتھ AFM نینو انڈینٹیشن سطحوں کی خصوصیت کا یہ طریقہ طبی آلات اور بائیو میڈیکل ایپلی کیشنز میں ممکنہ استعمال کے ساتھ بائیومیمیٹک متضاد الٹرا سافٹ مواد کی وسیع رینج پر لاگو ہونے کی امید ہے۔
Lehfilcon A کانٹیکٹ لینز (Alcon, Fort Worth, Texas, USA) اور ان کے سلیکون ہائیڈروجیل سبسٹریٹس کا انتخاب نینو انڈینٹیشن تجربات کے لیے کیا گیا تھا۔تجربے میں ایک خاص طور پر ڈیزائن کردہ لینس ماؤنٹ استعمال کیا گیا تھا۔جانچ کے لیے عینک کو نصب کرنے کے لیے، اسے گنبد کے سائز کے اسٹینڈ پر احتیاط سے رکھا گیا، اس بات کو یقینی بناتے ہوئے کہ کوئی ہوا کا بلبلا اندر نہ جائے، اور پھر کناروں کے ساتھ ٹھیک ہو جائے۔لینس ہولڈر کے اوپری حصے میں فکسچر میں ایک سوراخ مائع کو جگہ پر رکھتے ہوئے نینو انڈینٹیشن تجربات کے لیے لینس کے آپٹیکل سینٹر تک رسائی فراہم کرتا ہے۔یہ لینس کو مکمل طور پر ہائیڈریٹ رکھتا ہے۔500 μl کانٹیکٹ لینس پیکیجنگ حل بطور ٹیسٹ حل استعمال کیا گیا تھا۔مقداری نتائج کی تصدیق کرنے کے لیے، تجارتی طور پر دستیاب نان ایکٹیویٹڈ پولی کریلامائیڈ (PAAM) ہائیڈروجلز کو پولی کریلامائڈ-کو-میتھیلین-بیساکریلامائڈ کمپوزیشن (100 ملی میٹر پیٹری سوفٹ پیٹری ڈشز، میٹریجن، ارون، CA، USA) سے تیار کیا گیا تھا، جو ایک معروف لچکدار ماڈیولس ہے۔ کے پی اےفاسفیٹ بفرڈ نمکین کے 4-5 قطرے (تقریباً 125 µl) استعمال کریں (PBS from Corning Life Sciences, Tewkesbury, MA, USA) اور 1 ڈراپ OPTI-free Puremoist contact lens solution (Alcon, Vaud, TX, USA)۔) اے ایف ایم ہائیڈروجیل پروب انٹرفیس پر۔
Lehfilcon A CL اور SiHy سبسٹریٹس کے نمونے FEI Quanta 250 Field Emission Scanning Electron Microscope (FEG SEM) سسٹم کے ذریعے دیکھے گئے جو سکیننگ ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ (STEM) ڈیٹیکٹر سے لیس ہے۔نمونے تیار کرنے کے لیے، لینز کو پہلے پانی سے دھویا گیا اور پائی کی شکل کے پچروں میں کاٹا گیا۔نمونوں کے ہائیڈرو فیلک اور ہائیڈروفوبک اجزاء کے درمیان فرق کو حاصل کرنے کے لیے، RuO4 کا 0.10٪ مستحکم حل بطور رنگ استعمال کیا گیا، جس میں نمونوں کو 30 منٹ تک ڈبو دیا گیا۔lehfilcon A CL RuO4 سٹیننگ نہ صرف بہتر تفریق کنٹراسٹ حاصل کرنے کے لیے اہم ہے، بلکہ برانچڈ پولیمر برشز کی ساخت کو ان کی اصل شکل میں محفوظ رکھنے میں بھی مدد کرتا ہے، جو اس کے بعد STEM امیجز پر نظر آتے ہیں۔اس کے بعد انہیں ایتھنول / پانی کے مرکب کی ایک سیریز میں ایتھنول کے بڑھتے ہوئے ارتکاز کے ساتھ دھویا اور پانی کی کمی کی گئی۔اس کے بعد نمونے EMBed 812/Araldite epoxy کے ساتھ ڈالے گئے، جو 70°C پر راتوں رات ٹھیک ہو گئے۔رال پولیمرائزیشن کے ذریعہ حاصل کردہ نمونہ بلاکس کو الٹرا مائیکروٹوم کے ساتھ کاٹا گیا تھا، اور اس کے نتیجے میں پتلے حصوں کو 30 kV کے تیز رفتار وولٹیج پر کم ویکیوم موڈ میں STEM ڈیٹیکٹر کے ساتھ تصور کیا گیا تھا۔اسی SEM سسٹم کو PFQNM-LC-A-CAL AFM تحقیقات (Bruker Nano، Santa Barbara، CA، USA) کی تفصیلی خصوصیات کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔AFM تحقیقات کی SEM تصاویر 30 kV کے تیز رفتار وولٹیج کے ساتھ ایک عام ہائی ویکیوم موڈ میں حاصل کی گئیں۔AFM تحقیقاتی ٹپ کی شکل اور سائز کی تمام تفصیلات ریکارڈ کرنے کے لیے مختلف زاویوں اور میگنیفیکیشنز پر تصاویر حاصل کریں۔تصاویر میں دلچسپی کے تمام ٹپ جہتوں کو ڈیجیٹل طور پر ماپا گیا تھا۔
A Dimension FastScan Bio Icon اٹامک فورس مائکروسکوپ (Bruker Nano, Santa Barbara, CA, USA) "PeakForce QNM in Fluid" موڈ کے ساتھ lehfilcon A CL، SiHy سبسٹریٹ، اور PAAm ہائیڈروجل کے نمونوں کو دیکھنے اور نینو انڈینٹیٹ کرنے کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔امیجنگ کے تجربات کے لیے، 0.50 ہرٹج کی اسکین ریٹ پر نمونے کی ہائی ریزولیوشن امیجز کو حاصل کرنے کے لیے 1 nm کے برائے نام ٹپ رداس کے ساتھ ایک PEAKFORCE-HIRS-FA پروب (Bruker) کا استعمال کیا گیا۔تمام تصاویر پانی کے محلول میں لی گئی تھیں۔
اے ایف ایم نینو انڈینٹیشن کے تجربات PFQNM-LC-A-CAL تحقیقات (Bruker) کا استعمال کرتے ہوئے کیے گئے تھے۔AFM پروب میں 345 nm موٹی، 54 µm لمبا اور 4.5 µm چوڑا 45 kHz کی گونج والی فریکوئنسی کے ساتھ نائٹرائڈ کینٹیلیور پر سلکان ٹپ ہے۔یہ خاص طور پر نرم حیاتیاتی نمونوں پر مقداری نینو مکینیکل پیمائش کی خصوصیات اور انجام دینے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔سینسرز کو فیکٹری میں پہلے سے کیلیبریٹڈ اسپرنگ سیٹنگز کے ساتھ انفرادی طور پر کیلیبریٹ کیا جاتا ہے۔اس مطالعے میں استعمال ہونے والی تحقیقات کے موسم بہار کے مستقل 0.05–0.1 N/m کی حد میں تھے۔درست طریقے سے ٹپ کی شکل اور سائز کا تعین کرنے کے لئے، SEM کا استعمال کرتے ہوئے تحقیقات کی خصوصیت کی گئی تھی.انجیر پر۔شکل 1a PFQNM-LC-A-CAL تحقیقات کے اعلی ریزولیوشن، کم میگنیفیکیشن سکیننگ الیکٹران مائکروگراف کو ظاہر کرتا ہے، جو تحقیقات کے ڈیزائن کا ایک جامع منظر پیش کرتا ہے۔انجیر پر۔1b پروب ٹپ کے اوپری حصے کا ایک بڑا منظر دکھاتا ہے، جو ٹپ کی شکل اور سائز کے بارے میں معلومات فراہم کرتا ہے۔انتہائی سرے پر، سوئی ایک نصف کرہ ہے جس کا قطر 140 nm ہے (تصویر 1c)۔اس کے نیچے، نوک ایک مخروطی شکل میں ٹیپر ہوتی ہے، جس کی لمبائی تقریباً 500 nm تک پہنچ جاتی ہے۔ٹیپرنگ ریجن سے باہر، ٹپ بیلناکار ہے اور 1.18 µm کی کل ٹپ لمبائی میں ختم ہوتی ہے۔یہ پروب ٹپ کا اہم فعال حصہ ہے۔اس کے علاوہ، ایک بڑی کروی پولی اسٹیرین (PS) پروب (Novascan Technologies, Inc., Boone, Iowa, USA) جس کا قطر 45 µm ہے اور اسپرنگ مستقل 2 N/m کو بھی کولائیڈل پروب کے طور پر جانچ کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔موازنہ کے لیے PFQNM-LC-A-CAL 140 nm تحقیقات کے ساتھ۔
یہ اطلاع دی گئی ہے کہ نینو انڈینٹیشن کے دوران AFM پروب اور پولیمر برش کے ڈھانچے کے درمیان مائع پھنس سکتا ہے، جو AFM پروب کے حقیقت میں سطح کو چھونے سے پہلے ہی اوپر کی طرف زور دے گا۔سیال برقرار رکھنے کی وجہ سے یہ چپچپا اخراج اثر رابطے کے ظاہری نقطہ کو تبدیل کرسکتا ہے، اس طرح سطح ماڈیولس کی پیمائش کو متاثر کرتا ہے۔سیال کی برقراری پر تحقیقات جیومیٹری اور انڈینٹیشن کی رفتار کے اثر کا مطالعہ کرنے کے لیے، 1 µm/s اور 2 µm/s کی مستقل نقل مکانی کی شرح پر 140 nm قطر کی تحقیقات کا استعمال کرتے ہوئے لیہفیلکون A CL نمونوں کے لیے انڈینٹیشن فورس کے منحنی خطوط تیار کیے گئے تھے۔تحقیقات کا قطر 45 µm، فکسڈ فورس سیٹنگ 6 nN 1 µm/s پر حاصل ہوا۔140 nm قطر میں تحقیقات کے ساتھ تجربات 1 µm/s کی انڈینٹیشن رفتار اور 300 pN کی ایک سیٹ فورس پر کیے گئے، جو اوپری پلک کی جسمانی رینج (1–8 kPa) کے اندر رابطہ دباؤ پیدا کرنے کے لیے منتخب کیے گئے۔پریشر 72. 1 kPa کے دباؤ کے ساتھ PAA ہائیڈروجل کے نرم ریڈی میڈ نمونوں کو 140 nm کے قطر والی تحقیقات کا استعمال کرتے ہوئے 1 μm/s کی رفتار سے 50 pN کی انڈینٹیشن فورس کے لیے ٹیسٹ کیا گیا۔
چونکہ PFQNM-LC-A-CAL تحقیقات کے سرے کے مخروطی حصے کی لمبائی تقریباً 500 nm ہے، کسی بھی انڈینٹیشن گہرائی < 500 nm کے لیے یہ محفوظ طریقے سے فرض کیا جا سکتا ہے کہ انڈینٹیشن کے دوران پروب کی جیومیٹری اس کے مطابق رہے گی۔ شنک شکل.اس کے علاوہ، یہ فرض کیا جاتا ہے کہ ٹیسٹ کے تحت مواد کی سطح ایک الٹنے والا لچکدار ردعمل ظاہر کرے گی، جس کی تصدیق درج ذیل حصوں میں بھی کی جائے گی۔لہذا، ٹپ کی شکل اور سائز پر منحصر ہے، ہم نے اپنے AFM نینو انڈینٹیشن تجربات (NanoScope) پر کارروائی کرنے کے لیے، Briscoe، Sebastian اور Adams کی طرف سے تیار کردہ شنک اسفیئر فٹنگ ماڈل کا انتخاب کیا، جو کہ وینڈر کے سافٹ ویئر میں دستیاب ہے۔علیحدگی کے اعداد و شمار کے تجزیہ کا سافٹ ویئر، بروکر) 73. ماڈل ایک کروی چوٹی کی خرابی کے ساتھ ایک شنک کے لئے فورس-ڈسپلیسمنٹ رشتہ F(δ) کو بیان کرتا ہے۔انجیر پر۔شکل 2 کروی سرے کے ساتھ ایک سخت شنک کے تعامل کے دوران رابطہ جیومیٹری کو دکھاتا ہے، جہاں R کروی سرے کا رداس ہے، a رابطہ رداس ہے، b کروی سرے کے آخر میں رابطہ رداس ہے، δ ہے رابطہ رداسانڈینٹیشن ڈیپتھ، θ شنک کا نصف زاویہ ہے۔اس پروب کی SEM تصویر واضح طور پر ظاہر کرتی ہے کہ 140 nm قطر کی کروی ٹِپ ایک مخروطی طور پر ضم ہو جاتی ہے، لہذا یہاں b کی تعریف صرف R کے ذریعے کی گئی ہے، یعنی b = R cos θ۔وینڈر کی طرف سے فراہم کردہ سافٹ ویئر ینگ کے ماڈیولس (E) کی قدروں کو قوت سے علیحدگی کے اعداد و شمار سے شمار کرنے کے لیے ایک شنک اسفیئر کا رشتہ فراہم کرتا ہے اور یہ فرض کر کے a > b۔رشتہ:
جہاں F انڈینٹیشن فورس ہے، E ینگ کا ماڈیولس ہے، ν پوسن کا تناسب ہے۔رابطہ رداس a کا اندازہ اس کے ذریعے لگایا جا سکتا ہے:
برانچڈ پولیمر برش کی سطحی تہہ کے ساتھ لیفلکن کانٹیکٹ لینس کے مواد میں ایک کروی ٹپ کے ساتھ سخت شنک کی رابطہ جیومیٹری کی اسکیم۔
اگر a ≤ b، تعلق ایک روایتی کروی انڈینٹر کے لیے مساوات میں کم ہو جاتا ہے۔
ہمیں یقین ہے کہ پی ایم پی سی پولیمر برش کے برانچڈ ڈھانچے کے ساتھ انڈیٹنگ پروب کا تعامل رابطہ رداس a کو کروی رابطہ رداس b سے زیادہ کرنے کا سبب بنے گا۔لہذا، اس مطالعہ میں کئے گئے لچکدار ماڈیولس کی تمام مقداری پیمائشوں کے لیے، ہم نے کیس a > b کے لیے حاصل کردہ انحصار کا استعمال کیا۔
اس مطالعے میں زیر مطالعہ الٹرا سافٹ بائیو میمیٹک مواد کو نمونے کے کراس سیکشن کی اسکیننگ ٹرانسمیشن الیکٹران مائیکروسکوپی (STEM) اور سطح کی اٹامک فورس مائکروسکوپی (AFM) کا استعمال کرتے ہوئے جامع طور پر امیج کیا گیا تھا۔سطح کی یہ تفصیلی خصوصیت ہمارے پہلے شائع شدہ کام کی توسیع کے طور پر انجام دی گئی تھی، جس میں ہم نے طے کیا ہے کہ PMPC میں ترمیم شدہ لیہفیلکون A CL کی سطح کے متحرک طور پر برانچ والے پولیمرک برش ڈھانچے نے مقامی قرنیہ ٹشو 14 سے ملتی جلتی مکینیکل خصوصیات کی نمائش کی ہے۔اس وجہ سے، ہم کانٹیکٹ لینس کی سطحوں کو بایومیمیٹک مواد 14 کہتے ہیں۔انجیر پر۔3a,b شاخوں والے PMPC پولیمر برش ڈھانچے کے کراس سیکشنز کو بالترتیب ایک لیہفیلکن A CL سبسٹریٹ اور ایک غیر علاج شدہ SiHy سبسٹریٹ کی سطح پر دکھاتا ہے۔دونوں نمونوں کی سطحوں کا ہائی ریزولوشن AFM امیجز کا استعمال کرتے ہوئے مزید تجزیہ کیا گیا، جس نے STEM تجزیہ (تصویر 3c، d) کے نتائج کی مزید تصدیق کی۔ایک ساتھ لیا گیا، یہ تصاویر 300–400 nm پر PMPC برانچڈ پولیمر برش ڈھانچے کی تخمینی لمبائی دیتی ہیں، جو AFM نینو انڈینٹیشن پیمائش کی تشریح کے لیے اہم ہے۔امیجز سے اخذ کردہ ایک اور اہم مشاہدہ یہ ہے کہ سی ایل بایومیمیٹک مواد کی مجموعی سطح کا ڈھانچہ مورفولوجیکل طور پر SiHy سبسٹریٹ میٹریل سے مختلف ہے۔ان کی سطحی شکل میں یہ فرق انڈینٹنگ AFM تحقیقات کے ساتھ ان کے مکینیکل تعامل کے دوران اور اس کے بعد ماپا ماڈیولس اقدار میں ظاہر ہو سکتا ہے۔
(a) lehfilcon A CL اور (b) SiHy سبسٹریٹ کی کراس سیکشنل STEM تصاویر۔اسکیل بار، 500 این ایم۔لیہفیلکون A CL سبسٹریٹ (c) اور بیس SiHy سبسٹریٹ (d) (3 µm × 3 µm) کی سطح کی AFM تصاویر۔
بایو انسپائرڈ پولیمر اور پولیمر برش کے ڈھانچے فطری طور پر نرم ہیں اور ان کا وسیع پیمانے پر مطالعہ کیا گیا ہے اور مختلف بائیو میڈیکل ایپلی کیشنز74,75,76,77 میں استعمال کیا گیا ہے۔لہذا، AFM نینو انڈینٹیشن کا طریقہ استعمال کرنا ضروری ہے، جو ان کی میکانکی خصوصیات کی درست اور قابل اعتماد پیمائش کر سکتا ہے۔لیکن ایک ہی وقت میں، ان انتہائی نرم مواد کی منفرد خصوصیات، جیسے انتہائی کم لچکدار ماڈیولس، اعلی مائع مواد اور اعلی لچک، اکثر صحیح مواد، شکل اور انڈیٹنگ پروب کی شکل کا انتخاب کرنا مشکل بنا دیتے ہیں۔سائزیہ ضروری ہے تاکہ انڈینٹر نمونے کی نرم سطح کو چھید نہ کرے، جس سے سطح کے ساتھ رابطے کے مقام اور رابطہ کے علاقے کا تعین کرنے میں غلطیاں پیدا ہوں گی۔
اس کے لیے انتہائی نرم بایومیمیٹک مواد (lehfilcon A CL) کی مورفولوجی کی جامع تفہیم ضروری ہے۔امیجنگ کے طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے حاصل کردہ برانچڈ پولیمر برش کے سائز اور ساخت کے بارے میں معلومات AFM نینو انڈینٹیشن تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے سطح کی مکینیکل خصوصیات کی بنیاد فراہم کرتی ہے۔مائکرون سائز کے کروی کولائیڈل پروبس کے بجائے، ہم نے PFQNM-LC-A-CAL سلکان نائٹرائیڈ پروب (بروکر) کا انتخاب کیا جس کا قطر 140 nm ہے، جو خاص طور پر حیاتیاتی نمونوں 78، 79، 78 کی مکینیکل خصوصیات کی مقداری نقشہ سازی کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ , 81, 82, 83, 84 روایتی کولائیڈل پروب کے مقابلے نسبتاً تیز پروب کے استعمال کی دلیل کو مواد کی ساختی خصوصیات سے سمجھا جا سکتا ہے۔CL lehfilcon A کی سطح پر شاخوں والے پولیمر برشوں کے ساتھ پروب ٹپ سائز (~140 nm) کا موازنہ کرتے ہوئے، تصویر 3a میں دکھایا گیا ہے، یہ نتیجہ اخذ کیا جا سکتا ہے کہ ٹپ اتنی بڑی ہے کہ برش کے ان ڈھانچے کے ساتھ براہ راست رابطے میں آ جائے، جو ان کے ذریعے نوک چھیدنے کے امکانات کو کم کرتا ہے۔اس نکتے کو واضح کرنے کے لیے، تصویر 4 میں لیہفیلکون A CL کی STEM امیج اور AFM پروب کی انڈیٹنگ ٹِپ (پیمانے پر کھینچی گئی) ہے۔
lehfilcon A CL کی STEM امیج اور ACM انڈینٹیشن پروب کو دکھاتے ہوئے اسکیمیٹک (پیمانہ پر تیار کیا گیا)۔
اس کے علاوہ، 140 nm کا ٹپ سائز اتنا چھوٹا ہے کہ CP-AFM نینو انڈینٹیشن طریقہ69,71 کے ذریعہ تیار کردہ پولیمر برشوں کے لیے پہلے رپورٹ کیے گئے کسی بھی چپچپا اخراج اثرات کے خطرے سے بچا جا سکے۔ہم فرض کرتے ہیں کہ خاص مخروطی کروی شکل اور اس AFM ٹپ (تصویر 1) کے نسبتاً چھوٹے سائز کی وجہ سے، lehfilcon A CL نانو انڈینٹیشن کے ذریعے پیدا ہونے والے قوت وکر کی نوعیت کا انحصار انڈینٹیشن کی رفتار یا لوڈنگ/ان لوڈنگ کی رفتار پر نہیں ہوگا۔ .لہذا، یہ poroelastic اثرات سے متاثر نہیں ہوتا ہے۔اس مفروضے کو جانچنے کے لیے، lehfilcon A CL کے نمونوں کو PFQNM-LC-A-CAL تحقیقات کا استعمال کرتے ہوئے ایک مقررہ زیادہ سے زیادہ قوت پر انڈینٹ کیا گیا تھا، لیکن دو مختلف رفتاروں پر، اور اس کے نتیجے میں ٹینسائل اور ریٹریکٹ فورس کے منحنی خطوط کو قوت (nN) کی سازش کے لیے استعمال کیا گیا تھا۔ علیحدگی میں (µm) کو شکل 5a میں دکھایا گیا ہے۔یہ واضح ہے کہ لوڈنگ اور ان لوڈنگ کے دوران قوت کے منحنی خطوط مکمل طور پر اوورلیپ ہو جاتے ہیں، اور اس بات کا کوئی واضح ثبوت نہیں ہے کہ زیرو انڈینٹیشن گہرائی پر فورس شیئر فگر میں انڈینٹیشن اسپیڈ کے ساتھ بڑھتا ہے، یہ تجویز کرتا ہے کہ برش کے انفرادی عناصر کو بغیر کسی poroelastic اثر کے نمایاں کیا گیا تھا۔اس کے برعکس، سیال برقرار رکھنے کے اثرات (چپ دار اخراج اور پوریلاسسٹیٹی اثرات) 45 µm قطر کی AFM تحقیقات کے لیے اسی انڈینٹیشن کی رفتار سے واضح ہیں اور کھینچنے اور پیچھے ہٹنے والے منحنی خطوط کے درمیان ہسٹریسس کے ذریعے نمایاں کیے گئے ہیں، جیسا کہ شکل 5b میں دکھایا گیا ہے۔یہ نتائج مفروضے کی تائید کرتے ہیں اور تجویز کرتے ہیں کہ 140 nm قطر کی تحقیقات ایسی نرم سطحوں کی خصوصیت کے لیے ایک اچھا انتخاب ہیں۔
lehfilcon A CL انڈینٹیشن فورس منحنی خطوط ACM کا استعمال کرتے ہوئے؛(a) دو لوڈنگ کی شرحوں پر 140 nm کے قطر کے ساتھ ایک تحقیقات کا استعمال کرتے ہوئے، سطح کے انڈینٹیشن کے دوران ایک poroelastic اثر کی عدم موجودگی کو ظاہر کرتا ہے؛(b) 45 µm اور 140 nm کے قطر کے ساتھ تحقیقات کا استعمال۔s چھوٹی تحقیقات کے مقابلے بڑی تحقیقات کے لیے چپچپا اخراج اور poroelasticity کے اثرات دکھاتا ہے۔
الٹرا سافٹ سطحوں کی خصوصیت کے لیے، زیر مطالعہ مواد کی خصوصیات کا مطالعہ کرنے کے لیے AFM نینو انڈینٹیشن کے طریقوں میں بہترین تحقیقات ہونی چاہیے۔ٹپ کی شکل اور سائز کے علاوہ، AFM ڈٹیکٹر سسٹم کی حساسیت، ٹیسٹ کے ماحول میں ٹپ ڈیفلیکشن کی حساسیت، اور کینٹیلیور کی سختی نینو انڈینٹیشن کی درستگی اور وشوسنییتا کا تعین کرنے میں اہم کردار ادا کرتی ہے۔پیمائش.ہمارے AFM سسٹم کے لیے، پتہ لگانے کی پوزیشن سنسیٹیو ڈیٹیکٹر (PSD) کی حد تقریباً 0.5 mV ہے اور یہ پری کیلیبریٹڈ اسپرنگ ریٹ اور PFQNM-LC-A-CAL پروب کے حسابی سیال ڈیفلیکشن حساسیت پر مبنی ہے، جو نظریاتی بوجھ کی حساسیت۔0.1 pN سے کم ہے۔لہذا، یہ طریقہ بغیر کسی پیریفرل شور کے جزو کے کم از کم انڈینٹیشن فورس ≤ 0.1 pN کی پیمائش کی اجازت دیتا ہے۔تاہم، میکانی کمپن اور سیال حرکیات جیسے عوامل کی وجہ سے AFM سسٹم کے لیے پردیی شور کو اس سطح تک کم کرنا تقریباً ناممکن ہے۔یہ عوامل AFM نینو انڈینٹیشن کے طریقہ کار کی مجموعی حساسیت کو محدود کرتے ہیں اور اس کے نتیجے میں تقریباً ≤ 10 pN کا بیک گراؤنڈ شور سگنل بھی ہوتا ہے۔سطح کی خصوصیات کے لیے، lehfilcon A CL اور SiHy سبسٹریٹ کے نمونے SEM کی خصوصیت کے لیے 140 nm پروب کا استعمال کرتے ہوئے مکمل طور پر ہائیڈریٹڈ حالات میں انڈینٹ کیے گئے تھے، اور نتیجے میں قوت کے منحنی خطوط کو قوت (pN) اور دباؤ کے درمیان سپرمپوز کیا گیا تھا۔علیحدگی کا پلاٹ (µm) شکل 6a میں دکھایا گیا ہے۔SiHy بیس سبسٹریٹ کے مقابلے میں، lehfilcon A CL فورس وکر واضح طور پر ایک عبوری مرحلے کو ظاہر کرتا ہے جو فورک شدہ پولیمر برش کے ساتھ رابطے کے مقام سے شروع ہوتا ہے اور ڈھلوان میں تیز تبدیلی کے ساتھ ختم ہوتا ہے جو بنیادی مواد کے ساتھ ٹپ کے رابطے کو نشان زد کرتا ہے۔قوت وکر کا یہ عبوری حصہ سطح پر شاخ دار پولیمر برش کے حقیقی لچکدار رویے کو نمایاں کرتا ہے، جیسا کہ تناؤ کے منحنی خطوط کے قریب سے کمپریشن وکر اور برش کے ڈھانچے اور بڑے SiHy مواد کے درمیان مکینیکل خصوصیات میں تضاد سے ظاہر ہوتا ہے۔لیفلکن کا موازنہ کرتے وقت۔PCS (تصویر 3a) کی STEM امیج میں شاخوں والے پولیمر برش کی اوسط لمبائی اور تصویر 3a میں abscissa کے ساتھ اس کی قوت وکر کی علیحدگی۔6a سے پتہ چلتا ہے کہ یہ طریقہ سطح کے بالکل اوپر تک پہنچنے والے ٹپ اور برانچڈ پولیمر کا پتہ لگانے کے قابل ہے۔برش ڈھانچے کے درمیان رابطہ.اس کے علاوہ، طاقت کے منحنی خطوط کا قریبی اوورلیپ مائع برقرار رکھنے کے اثر کی نشاندہی کرتا ہے۔اس صورت میں، سوئی اور نمونے کی سطح کے درمیان بالکل کوئی چپکنے والی نہیں ہے۔دو نمونوں کے لیے طاقت کے منحنی خطوط کے سب سے اوپر والے حصے اوورلیپ ہوتے ہیں، جو سبسٹریٹ مواد کی مکینیکل خصوصیات کی مماثلت کو ظاہر کرتے ہیں۔
(a) lehfilcon A CL سبسٹریٹس اور SiHy سبسٹریٹس کے لیے AFM نینو انڈینٹیشن فورس منحنی خطوط، (b) پس منظر کے شور کی حد کا طریقہ استعمال کرتے ہوئے رابطہ نقطہ کا تخمینہ ظاہر کرنے والے قوت کے منحنی خطوط۔
قوت وکر کی باریک تفصیلات کا مطالعہ کرنے کے لیے، لیہفیلکون A CL نمونے کے تناؤ کے وکر کو تصویر 6b میں y-axis کے ساتھ زیادہ سے زیادہ 50 pN کی قوت کے ساتھ دوبارہ پلاٹ کیا گیا ہے۔یہ گراف اصل پس منظر کے شور کے بارے میں اہم معلومات فراہم کرتا ہے۔شور ±10 pN کی حد میں ہے، جس کا استعمال رابطہ نقطہ کا درست تعین کرنے اور انڈینٹیشن گہرائی کا حساب لگانے کے لیے کیا جاتا ہے۔جیسا کہ لٹریچر میں بتایا گیا ہے، مادی خصوصیات جیسے ماڈیولس 85 کا درست اندازہ لگانے کے لیے رابطہ پوائنٹس کی شناخت بہت ضروری ہے۔فورس وکر ڈیٹا کی خودکار پروسیسنگ میں شامل ایک نقطہ نظر نے نرم مواد86 کے لیے ڈیٹا فٹنگ اور مقداری پیمائش کے درمیان بہتر فٹ دکھایا ہے۔اس کام میں، رابطہ کے نکات کا ہمارا انتخاب نسبتاً آسان اور معروضی ہے، لیکن اس کی اپنی حدود ہیں۔رابطے کے نقطہ کا تعین کرنے کے لیے ہمارے قدامت پسندانہ نقطہ نظر کے نتیجے میں چھوٹی انڈینٹیشن گہرائیوں (<100 nm) کے لیے قدرے زیادہ تخمینہ شدہ ماڈیولس قدر ہو سکتی ہے۔الگورتھم پر مبنی ٹچ پوائنٹ کا پتہ لگانے اور خودکار ڈیٹا پروسیسنگ کا استعمال مستقبل میں ہمارے طریقہ کار کو مزید بہتر بنانے کے لیے اس کام کا تسلسل ہو سکتا ہے۔اس طرح، ±10 pN کے آرڈر پر اندرونی پس منظر کے شور کے لیے، ہم ≥10 pN کی قدر کے ساتھ شکل 6b میں x-axis پر پہلے ڈیٹا پوائنٹ کے طور پر رابطہ پوائنٹ کی وضاحت کرتے ہیں۔پھر، 10 pN کی شور کی حد کے مطابق، ~ 0.27 µm کی سطح پر ایک عمودی لکیر سطح کے ساتھ رابطے کے نقطہ کو نشان زد کرتی ہے، جس کے بعد اسٹریچنگ وکر اس وقت تک جاری رہتا ہے جب تک کہ سبسٹریٹ ~270 nm کی انڈینٹیشن گہرائی کو پورا نہ کر لے۔دلچسپ بات یہ ہے کہ امیجنگ کے طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے ناپے گئے برانچڈ پولیمر برش کی خصوصیات (300–400 nm) کے سائز کی بنیاد پر، CL lehfilcon کی انڈینٹیشن گہرائی پس منظر کے شور کی حد کے طریقہ کار کا استعمال کرتے ہوئے مشاہدہ کردہ ایک نمونہ تقریباً 270 nm ہے، جو بہت قریب ہے۔ STEM کے ساتھ پیمائش کا سائز۔یہ نتائج اس انتہائی نرم اور انتہائی لچکدار شاخوں والے پولیمر برش کے ڈھانچے کے انڈینٹیشن کے لیے AFM تحقیقاتی ٹپ کی شکل اور سائز کی مطابقت اور قابل اطلاق ہونے کی مزید تصدیق کرتے ہیں۔یہ ڈیٹا رابطہ پوائنٹس کی نشاندہی کرنے کے لیے پس منظر کے شور کو ایک حد کے طور پر استعمال کرنے کے ہمارے طریقہ کار کی حمایت کرنے کے لیے مضبوط ثبوت بھی فراہم کرتا ہے۔اس طرح، ریاضیاتی ماڈلنگ اور فورس کریو فٹنگ سے حاصل کردہ کوئی بھی مقداری نتائج نسبتاً درست ہونے چاہئیں۔
AFM نینو انڈینٹیشن طریقوں کے ذریعہ مقداری پیمائش مکمل طور پر اعداد و شمار کے انتخاب اور بعد کے تجزیے کے لیے استعمال کیے جانے والے ریاضیاتی ماڈلز پر منحصر ہے۔لہذا، کسی خاص ماڈل کو منتخب کرنے سے پہلے انڈینٹر، مادی خصوصیات اور ان کے تعامل کے میکانکس کے انتخاب سے متعلق تمام عوامل پر غور کرنا ضروری ہے۔اس معاملے میں، SEM مائیکروگرافس (تصویر 1) کا استعمال کرتے ہوئے ٹپ جیومیٹری کو احتیاط سے نمایاں کیا گیا تھا، اور نتائج کی بنیاد پر، سخت شنک اور کروی ٹپ جیومیٹری کے ساتھ 140 nm قطر AFM نینو انڈینٹنگ پروب lehfilcon A CL79 نمونوں کی خصوصیت کے لیے ایک اچھا انتخاب ہے۔ .ایک اور اہم عنصر جس کا احتیاط سے جائزہ لینے کی ضرورت ہے وہ پولیمر مواد کی لچک ہے جس کی جانچ کی جا رہی ہے۔اگرچہ نینو انڈینٹیشن کا ابتدائی ڈیٹا (تصویر 5a اور 6a) واضح طور پر تناؤ اور کمپریشن منحنی خطوط کے اوورلیپنگ کی خصوصیات کا خاکہ پیش کرتا ہے، یعنی مواد کی مکمل لچکدار بحالی، لیکن رابطوں کی خالصتاً لچکدار نوعیت کی تصدیق کرنا انتہائی ضروری ہے۔ .اس مقصد کے لیے، مکمل ہائیڈریشن کے حالات میں 1 µm/s کی انڈینٹیشن ریٹ پر لیہفیلکون A CL نمونے کی سطح پر ایک ہی جگہ پر لگاتار دو انڈینٹیشن کیے گئے۔نتیجے میں قوت وکر کا ڈیٹا انجیر میں دکھایا گیا ہے۔7 اور، جیسا کہ توقع کی گئی ہے، دونوں پرنٹس کی توسیع اور کمپریشن کروز تقریباً ایک جیسے ہیں، جو برانچڈ پولیمر برش کی ساخت کی اعلی لچک کو نمایاں کرتے ہیں۔
lehfilcon A CL کی سطح پر ایک ہی جگہ پر دو انڈینٹیشن فورس کروز لینس کی سطح کی مثالی لچک کی نشاندہی کرتے ہیں۔
بالترتیب پروب ٹِپ اور لیہفیلکون اے سی ایل کی سطح کی SEM اور STEM امیجز سے حاصل کردہ معلومات کی بنیاد پر، شنک اسفیئر ماڈل اے ایف ایم پروب ٹپ اور ٹیسٹ کیے جانے والے نرم پولیمر مواد کے درمیان تعامل کی معقول ریاضیاتی نمائندگی ہے۔اس کے علاوہ، اس شنک اسفیئر ماڈل کے لیے، نقوش شدہ مواد کی لچکدار خصوصیات کے بارے میں بنیادی مفروضے اس نئے بایومیمیٹک مواد کے لیے درست ہیں اور لچکدار ماڈیولس کی مقدار درست کرنے کے لیے استعمال کیے جاتے ہیں۔
AFM نینو انڈینٹیشن کے طریقہ کار اور اس کے اجزاء کی جامع تشخیص کے بعد، بشمول انڈینٹیشن پروب کی خصوصیات (شکل، سائز، اور موسم بہار کی سختی)، حساسیت (پس منظر میں شور اور رابطہ نقطہ کا تخمینہ)، اور ڈیٹا فٹنگ ماڈلز (مقداراتی ماڈیولس پیمائش)، طریقہ کار تھا۔ استعمال کیا جاتا ہےمقداری نتائج کی تصدیق کے لیے تجارتی طور پر دستیاب انتہائی نرم نمونوں کی خصوصیت کریں۔1 kPa کے لچکدار ماڈیولس کے ساتھ ایک تجارتی پولی کریلامائڈ (PAAM) ہائیڈروجیل کو 140 nm پروب کا استعمال کرتے ہوئے ہائیڈریٹڈ حالات میں جانچا گیا۔ماڈیول ٹیسٹنگ اور حسابات کی تفصیلات ضمنی معلومات میں فراہم کی گئی ہیں۔نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ ماپا گیا اوسط ماڈیولس 0.92 kPa تھا، اور معلوم ماڈیولس سے %RSD اور فیصد (%) انحراف 10% سے کم تھا۔یہ نتائج الٹرا سافٹ مواد کی ماڈیولی کی پیمائش کے لیے اس کام میں استعمال کیے گئے AFM نینو انڈینٹیشن طریقہ کی درستگی اور تولیدی صلاحیت کی تصدیق کرتے ہیں۔lehfilcon A CL نمونوں اور SiHy بیس سبسٹریٹ کی سطحوں کو مزید خصوصیات کی گئی تھی اسی AFM نینو انڈینٹیشن طریقہ کا استعمال کرتے ہوئے الٹرا سافٹ سطح کے ظاہری رابطہ ماڈیولس کا مطالعہ کرنے کے لیے انڈینٹیشن گہرائی کے فنکشن کے طور پر۔ہر قسم کے تین نمونوں (n = 3؛ ایک انڈینٹیشن فی نمونہ) کے لیے 300 pN، 1 µm/s کی رفتار، اور مکمل ہائیڈریشن پر انڈینٹیشن فورس علیحدگی کے منحنی خطوط تیار کیے گئے تھے۔انڈینٹیشن فورس شیئرنگ وکر کا تخمینہ شنک اسفیئر ماڈل کا استعمال کرتے ہوئے کیا گیا تھا۔انڈینٹیشن گہرائی پر منحصر ماڈیولس کو حاصل کرنے کے لیے، قوت وکر کا 40 nm چوڑا حصہ رابطہ کے مقام سے شروع ہونے والے 20 nm کے ہر ایک انکریمنٹ پر مقرر کیا گیا تھا، اور قوت وکر کے ہر قدم پر ماڈیولس کی قدروں کی پیمائش کی گئی تھی۔Spin Cy et al.پولی (لاریل میتھکریلیٹ) (P12MA) پولیمر برش کے ماڈیولس گریڈینٹ کی خصوصیت کے لیے اسی طرح کا طریقہ استعمال کیا گیا ہے جو کولائیڈل AFM پروب نینو انڈینٹیشن کا استعمال کرتے ہوئے ہے، اور وہ ہرٹز کانٹیکٹ ماڈل کا استعمال کرتے ہوئے ڈیٹا کے ساتھ مطابقت رکھتے ہیں۔یہ نقطہ نظر ظاہری رابطہ ماڈیولس (kPa) بمقابلہ انڈینٹیشن ڈیپتھ (nm) کا ایک پلاٹ فراہم کرتا ہے، جیسا کہ شکل 8 میں دکھایا گیا ہے، جو ظاہری رابطہ ماڈیولس/گہرائی کے میلان کو واضح کرتا ہے۔CL lehfilcon A نمونہ کا حساب شدہ لچکدار ماڈیولس نمونے کے اوپری 100 nm کے اندر 2–3 kPa کی حد میں ہے، جس سے آگے یہ گہرائی کے ساتھ بڑھنا شروع ہوتا ہے۔دوسری طرف، سطح پر برش نما فلم کے بغیر SiHy بیس سبسٹریٹ کی جانچ کرتے وقت، 300 pN کی قوت پر حاصل ہونے والی زیادہ سے زیادہ انڈینٹیشن گہرائی 50 nm سے کم ہے، اور ڈیٹا سے حاصل کردہ ماڈیولس قدر تقریباً 400 kPa ہے۔ ، جو بلک مواد کے لئے ینگ کے ماڈیولس کی اقدار سے موازنہ ہے۔
ماڈیولس کی پیمائش کرنے کے لیے شنک اسفیئر جیومیٹری کے ساتھ AFM نینو انڈینٹیشن طریقہ استعمال کرتے ہوئے لیہفیلکون A CL اور SiHy سبسٹریٹس کے لیے ظاہر رابطہ ماڈیولس (kPa) بمقابلہ انڈینٹیشن ڈیپتھ (nm)۔
ناول بایومیمیٹک برانچڈ پولیمر برش ڈھانچے کی سب سے اوپری سطح لچک کے انتہائی کم ماڈیولس (2–3 kPa) کی نمائش کرتی ہے۔یہ کانٹے دار پولیمر برش کے فری ہینگ اینڈ سے مماثل ہوگا جیسا کہ STEM امیج میں دکھایا گیا ہے۔جب کہ CL کے بیرونی کنارے پر ماڈیولس گریڈینٹ کے کچھ ثبوت موجود ہیں، اہم ہائی ماڈیولس سبسٹریٹ زیادہ اثر انگیز ہے۔تاہم، سطح کا سب سے اوپر 100 nm برانچڈ پولیمر برش کی کل لمبائی کے 20% کے اندر ہے، اس لیے یہ سمجھنا مناسب ہے کہ اس انڈینٹیشن ڈیپتھ رینج میں ماڈیولس کی پیمائش شدہ قدریں نسبتاً درست ہیں اور مضبوطی سے نہیں ہوتیں۔ نیچے کی چیز کے اثر پر منحصر ہے۔
Lehfilcon A کانٹیکٹ لینس کے منفرد بایومیمیٹک ڈیزائن کی وجہ سے، جس میں برانچڈ PMPC پولیمر برش ڈھانچے شامل ہیں جو SiHy سبسٹریٹس کی سطح پر پیوند کیے گئے ہیں، روایتی پیمائش کے طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے ان کی سطح کے ڈھانچے کی مکینیکل خصوصیات کو قابل اعتماد طریقے سے نمایاں کرنا بہت مشکل ہے۔یہاں ہم انتہائی نرم مواد جیسے لیفلکن اے کو پانی کی اعلی مقدار اور انتہائی اعلی لچک کے ساتھ درست طریقے سے نمایاں کرنے کے لیے ایک جدید ترین AFM نینو انڈینٹیشن طریقہ پیش کرتے ہیں۔یہ طریقہ ایک AFM پروب کے استعمال پر مبنی ہے جس کی نوک کے سائز اور جیومیٹری کو انتہائی نرم سطح کی خصوصیات کے ساختی جہتوں سے ملنے کے لیے احتیاط سے منتخب کیا گیا ہے۔تحقیقات اور ساخت کے درمیان طول و عرض کا یہ امتزاج بڑھتی ہوئی حساسیت فراہم کرتا ہے، جس سے ہم poroelastic اثرات سے قطع نظر برانچڈ پولیمر برش عناصر کی کم ماڈیولس اور موروثی لچکدار خصوصیات کی پیمائش کر سکتے ہیں۔نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ لینس کی سطح کی خصوصیت والے منفرد برانچ والے PMPC پولیمر برش میں انتہائی کم لچکدار ماڈیولس (2 kPa تک) اور بہت زیادہ لچک (تقریباً 100%) تھی جب پانی والے ماحول میں ٹیسٹ کیا گیا۔AFM nanoindentation کے نتائج نے ہمیں بایومیمیٹک لینس کی سطح کے ظاہری رابطہ ماڈیولس/گہرائی کے میلان (30 kPa/200 nm) کی خصوصیت کی بھی اجازت دی۔یہ میلان برانچڈ پولیمر برش اور SiHy سبسٹریٹ کے درمیان ماڈیولس فرق، یا پولیمر برش کی برانچڈ ڈھانچہ/کثافت، یا اس کے مرکب کی وجہ سے ہو سکتا ہے۔تاہم، ساخت اور خصوصیات کے درمیان تعلق کو مکمل طور پر سمجھنے کے لیے مزید گہرائی سے مطالعہ کی ضرورت ہے، خاص طور پر میکانی خصوصیات پر برش برانچنگ کا اثر۔اسی طرح کی پیمائش دیگر انتہائی نرم مواد اور طبی آلات کی سطح کی مکینیکل خصوصیات کو نمایاں کرنے میں مدد کر سکتی ہے۔
موجودہ مطالعے کے دوران تیار کردہ اور/یا تجزیہ کیے گئے ڈیٹاسیٹس متعلقہ مصنفین سے معقول درخواست پر دستیاب ہیں۔
رحمتی، ایم، سلوا، ای اے، ریسلینڈ، جے ای، ہیورڈ، کے اور ہوگن، ایچ جے بائیو میٹریلز کی سطحوں کی جسمانی اور کیمیائی خصوصیات پر حیاتیاتی رد عمل۔کیمیکل۔معاشرہایڈ49، 5178–5224 (2020)۔
چن، ایف ایم اور لیو، ایکس ٹشو انجینئرنگ کے لیے انسانی ماخوذ بائیو میٹریلز کی بہتری۔پروگرامنگپولیمرسائنس.53، 86 (2016)۔
Sadtler, K. et al.تخلیق نو ادویات میں بائیو میٹریلز کا ڈیزائن، طبی عمل درآمد، اور مدافعتی ردعمل۔نیشنل میٹ ریورنڈ 1، 16040 (2016)۔
Oliver WK اور Farr GM بوجھ اور نقل مکانی کی پیمائش کے ساتھ انڈینٹیشن تجربات کا استعمال کرتے ہوئے سختی اور لچکدار ماڈیولس کا تعین کرنے کا ایک بہتر طریقہ۔J. الما میٹر۔اسٹوریج ٹینک.7، 1564–1583 (2011)۔
ویلی، ایس ایم ہسٹوریکل اوریجنز آف انڈینٹیشن سختی ٹیسٹنگ۔الما میٹرسائنس.ٹیکنالوجیز28، 1028–1044 (2012)۔
برائٹ مین، E. انڈینٹیشن سختی کی پیمائش میکرو-، مائیکرو- اور نانوسکل: ایک تنقیدی جائزہ۔قبیلہرائٹ65، 1–18 (2017)۔
کافمین، جے ڈی اور کلیپریچ، ایس ایم سطح کا پتہ لگانے کی غلطیاں نرم مواد کی نینو انڈینٹیشن میں ماڈیولس حد سے زیادہ تخمینہ کا باعث بنتی ہیں۔جے میچا۔رویہ۔حیاتیاتی سائنس.الما میٹر2، 312–317 (2009)۔
کریم زادے اے، کولور ایس ایس آر، آیت اللخی ایم آر، بشریٰ اے آر اور یحییٰ ایم یو۔تجرباتی اور کمپیوٹیشنل طریقوں کا استعمال کرتے ہوئے متضاد نانوکومپوزائٹس کی مکینیکل خصوصیات کا تعین کرنے کے لیے نینو انڈینٹیشن طریقہ کا اندازہ۔سائنس.مکان 9، 15763 (2019)۔
Liu, K., VanLendingham, MR, and Owart, TS مکینیکل کریکٹرائزیشن آف soft viscoelastic gels by indentation and optimization-based inverse finite element analysis۔جے میچا۔رویہ۔حیاتیاتی سائنس.الما میٹر2، 355–363 (2009)۔
اینڈریوز JW، Bowen J اور Chaneler D. مطابقت پذیر پیمائش کے نظام کا استعمال کرتے ہوئے viscoelasticity کے تعین کی اصلاح۔نرم معاملہ 9، 5581–5593 (2013)۔
Briscoe, BJ, Fiori, L. اور Pellillo, E. پولیمیرک سطحوں کی نینو انڈینٹیشن۔J. طبیعیاتD. فزکس کے لیے درخواست دیں۔31، 2395 (1998)۔
Miyailovich AS, Tsin B., Fortunato D. اور Van Vliet KJ شاک انڈینٹیشن کا استعمال کرتے ہوئے انتہائی لچکدار پولیمر اور حیاتیاتی بافتوں کی viscoelastic مکینیکل خصوصیات کی خصوصیت۔جرنل آف بایومیٹریلز۔71، 388–397 (2018)۔
Perepelkin NV، Kovalev AE، Gorb SN، Borodich FM توسیع شدہ Borodich-Galanov (BG) طریقہ اور گہری انڈینٹیشن کا استعمال کرتے ہوئے نرم مواد کے لچکدار ماڈیولس اور چپکنے والے کام کی تشخیص۔کھالالما میٹر129، 198–213 (2019)۔
شی، ایکس وغیرہ۔سلیکون ہائیڈروجیل کانٹیکٹ لینسز کی بایومیمیٹک پولیمرک سطحوں کی نانوسکل مورفولوجی اور مکینیکل خصوصیات۔Langmuir 37، 13961–13967 (2021)۔