Νανομηχανικές ιδιότητες επιφανειών με χρήση AFM &amp; Nanoindenter:
Creators: name: Νταβλούρος, Ευστάθιος Στέφανου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2014
Subjects: Νανομηχανική
Νανοσκληρομέτρηση
Μικροσκόπιο Ατομικών Δυνάμεων
Nanomechanics
Nanoindentation
Atomic Force Microscopy

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία μελετά τις νανομηχανικές ιδιότητες, με δύο μεθόδους (AFM - Nanoindenter), λεπτών υμενίων νανοϊνωδών ικριωμάτων πολυκαπρολακτόνης (PCL), τα οποία παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο Electrospray Deposition, για ενίσχυση της μηχανικής συμπεριφοράς των φυσικών πολυμερικών ικριωμάτων για αναγέννηση χόνδρου. Στόχος ήταν η διαπίστωση των περιορισμών που θέτουν οι δύο τρόποι μελέτης των νανομηχανικών ιδιοτήτων. Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη των νανομηχανικών ιδιοτήτων (μέτρο ελαστικότητας, σκληρότητα) είναι τα εξής: α) Atomic Force Microscopy - AFM Multimode της Digital Instruments, Veeco, β) Triboscope Nanomechanical Test System, Hysitron Inc. Χρησιμοποιώντας AFM πάρθηκαν οι καμπύλες δύναμης - μετατόπισης. Η επεξεργασία τους πραγματοποιήθηκε σε εξωτερικό λογισμικό (Nanoscope Analysis) που δίνεται από την εταιρεία. Εδώ γίνεται χρήση δύο μοντέλων ανάλυσης ανάλογα με την ακίδα. Τα μοντέλα αυτά είναι του Hertz (σφαιρική ακίδα) και του Sneddon (κωνική ή πυραμιδική). Οι ακίδες που χρησιμοποιήθηκαν είναι κατασκευασμένες από νιτρίδιο του πυριτίου (〖Si〗_3 N_4) (πυραμιδικές) και ένας κολλοειδής πρόβολος με σφαιρική ακίδα διοξειδίου του πυριτίου διαμέτρου 6,62μm (χρήση στη μελέτη πάνω σε κύτταρα). Χρησιμοποιώντας Nanoindenter λήφθηκαν οι καμπύλες δύναμης - βάθους διείσδυσης με ακίδα Berkovich. Τα φορτία που χρησιμοποιήθηκαν ήταν από 50μΝ έως 500μΝ. Η επεξεργασία έγινε απευθείας από το λογισμικό του οργάνου, χρησιμοποιώντας το μοντέλο Oliver - Pharr. Τα δείγματα που μελετήθηκαν αφορούν υλικά που είναι μέτρια σκληρά, μαλακά έως πολύ μαλακά και τέλος μελετήθηκε η περίπτωση προσκόλλησης κυττάρων (MG 63 human osteosarcoma cells) σ' αυτά. Πιο συγκεκριμένα μελετήθηκαν τα α) UHMWPE, β) 30% w/v PCL με διαλύτη 90% οξικό οξύ, γ) 30% w/v PCL + 5% w/v chi με διαλύτη 90% v/v οξικό οξύ και δ)30% w/v PCL + 5% w/v chi με διαλύτη 90% v/v οξικό οξύ (ακατέργαστο). Κατόπιν στο δείγμα 30% w/v PCL + 5% w/v chi με διαλύτη 90% v/v οξικό οξύ πραγματοποιήθηκε επικάλυψη ζελατίνης ώστε να προσκολληθούν κύτταρα. Σε κάθε στάδιο της τελευταίας διαδικασίας μελετήθηκαν οι νανομηχανικές ιδιότητες. Ως γενική παρατήρηση, η νανοεισχώρηση χρησιμοποιώντας Nanoindenter δουλεύει καλύτερα για σκληρά υλικά και έως μέτρια μαλακά. Αντίθετα χρησιμοποιώντας AFM παρατηρήθηκε ότι δουλεύει αρκετά καλά σε μαλακά δείγματα. Η μέθοδος AFM είναι αποτελεσματική για τη μελέτη των κυτταρικών μηχανικών ιδιοτήτων κατά τη διάρκεια της κυτταρικής προσκόλλησης. Το μοναδικό πλεονέκτημα της μεθόδου AFM είναι η ευκαιρία να εκτελέσει τη μέτρηση των μηχανικών ιδιοτήτων των κυττάρων και την οπτικοποίηση σημαντικών κυτταρικών δομών. Τέλος, ανάλογα και με το υλικό που δοκιμάζουμε κάθε φορά θα μπορούσαμε να αναπτύξουμε μοντέλα τα οποία θα προσέγγιζαν με πιο σωστό τρόπο την αλληλεπίδραση ακίδας - επιφάνειας αντί να στηριζόμαστε στα αποτελέσματα των έτοιμων μοντέλων που περιλαμβάνονται στο λογισμικό του οργάνου.
description: This master thesis studies the nanomechanical properties of biodegradable polymeric thin films nanofibrous scaffolds of polycaprolactone (PCL) with two methods (AFM - Nanoindenter). These samples were prepared by the Electrospray Deposition method to enhance the mechanical behavior of natural polymeric scaffolds for cartilage regeneration. The aim was to establish the limitations of the study by two ways of nanomechanical properties. The instruments used to study the nanomechanical properties (modulus, hardness) are: a) Atomic Force Microscopy - AFM Multimode of Digital Instruments, Veeco, b) Triboscope Nanomechanical Test System, Hysitron Inc. Using the AFM for taking the force - distance curves. The treatment was performed in external software (Nanoscope Analysis) given by the company. The software is using two models of analysis depending on the tip. These models are the Hertz model (spherical tip) and the Sneddon model (conical or pyramidal). The tips used were made of silicon nitride (pyramidal), and a Colloidal Probe with a silicon dioxide sphere of 6,62μm diameter at its end (use in study on cells). Using Nanoindenter obtained force - depth of penetration curves with Berkovich tip. The loads used were from 50μΝ to 500μΝ. The treatment was made directly by the instrument software using the Oliver - Pharr model. The samples studied, the concerning material is moderately hard, soft to very soft. Finally, cell adhesion (MG 63 human osteosarcoma cells) was studied. More specifically we tested a) UHMWPE, b) 30% w/v PCL with solvent 90% acetic acid, c) 30% w/v PCL + 5% w/v chi with solvent 90% v/v acetic acid and d)30% w/v PCL + 5% w/v chi with solvent 90% v/v acetic acid (untreated). Then the sample 30% w/v PCL + 5% w/v chi with solvent 90% v/v acetic acid was performed, in order to adhere the cells on a surface of gelatin coating. At each stage of the latter procedure were studied nanomechanical properties. As a general observation, using Nanoindenter works best for hard materials and soft to moderate. Unlike using the AFM, it was observed that it works well on soft samples. The AFM method is effective for the study of mechanical properties of the cell during cell adhesion. The unique advantage of the method AFM is the opportunity to perform the measurement of mechanical properties of cells and visualizing important cellular structures. Finally, depending on the material we experience whenever we could develop models which will be approached in a more correct way interaction tip - surface instead of relying on the results of the finished models included in the instrument software.