"Μελέτη των stent µε µικροσκοπία ατοµικών δυνάµεων AFM"

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Εργαστήριο Λεπτών Υµενίων Νανοσυστηµάτων & Νανοτεχνολογίας (LTFN) Πανεπιστηµιακό Νοσοκοµείο ΑΧΕΠΑ "Μελέτη των stent µε µικροσκοπία ατοµικών δυνάµεων AFM" Φαχούρι Σαλήµ Φοιτητής τµήµατος φυσικής ΑΠΘ. Επιβλέπων Καθηγητής: Στέργιος Λογοθετίδης Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2010

2 2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα πτυχιακή εργασία έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Λεπτών Υµενίων Νανοσυστηµάτων & Νανοτεχνολογίας (LTFN) του Τµήµατος Φυσικής του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Θερµές ευχαριστίες στον επιβλέποντα καθηγητή κ. Στέργιο Λογοθετίδη, διευθυντή του εργαστηρίου LTFN και του.π.μ.σ. «Νανοεπιστήµες & Νανοτεχνολογίες», για την ανάθεση στον γράφοντα του θέµατος αυτού αλλά και για την βοήθειά του, τις συµβουλές του και ιδιαιτέρως για την κατανόηση που έδειξε στις όποιες δυσκολίες µπορεί να προέκυπταν. Θερµές ευχαριστίες προς τους διδάκτορες κ. Σπυρίδωνα Κασσαβέτη και κα. Συλβί Λουσινιάν για την συµβολή τους και τον χρόνο που αφιέρωσαν προσφέροντας υπερπολύτιµη βοήθεια στην κατανόηση και τη χρήση της πειραµατικής διάταξης που χρησιµοποιήθηκε όπως και σε κάθε άλλη απορία που µπορεί να προέκυπτε κατά την πορεία της εργασίας. Χωρίς την βοήθειά τους αυτή η εργασία δεν θα έφτανε εις πέρας.

3 3 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η αρτηριακή εµφύτευση των stent είναι ένας σύγχρονος και εναλλακτικός τρόπος για την αντιµετώπιση της στένωσης της στεφανιαίας αρτηρίας σε σχέση µε την παραδοσιακή αγγειοπλαστική. Τα εµπορικώς διαθέσιµα stent έρχονται σε διάφορα σχέδια και µε διάφορες ιδιότητες που απαιτούνται κατά περίσταση. Φαρµακευτικές επικαλύψεις αποτελούν την νέα καθιερωµένη οδό για την βελτίωση των αποδόσεων και επιδόσεων ενός stent. Από την άποψη της επιστήµης των υλικών, τα επικαλυµµένα stent πρέπει να είναι βιοσυµβατά, µε εµπλουτισµένες µηχανικές επιδόσεις και να είναι σχετικά λείας επιφάνειας ώστε να αποτρέπουν την θρόµβωση και την αρτηριακή επαναστένωση γενικότερα. Σε αυτήν την εργασία έγινε για πρώτη φορά στα πλαίσια του εργαστηρίου, µια προσπάθεια να µελετηθούν οι ιδιότητες και οι αλλοιώσεις που υφίστανται τα stent κατά την έκτασή τους. Η έλλειψη πείρας µε το αντικείµενο απαιτούσε ένα πρώτο στάδιο εκµάθησης των βασικών βηµάτων στην χρήση του µικροσκοπίου ατοµικών δυνάµεων. Η µετέπειτα ενασχόληση µε τα stent αποκάλυψε ιδιαιτερότητες λόγω της διαφορετικότητας του δείγµατος σε σχέση µε αυτά που παραδοσιακά µετρούσε η διάταξή µας. Τροποποιήσεις στον τρόπο που εργάζεται κανείς έγιναν έτσι ώστε να προσεγγιστεί το αντικείµενο πιο αποτελεσµατικά. Χρησιµοποιήθηκαν τεχνικές σε contact και non-contact mode (ή semicontact mode) του AFM και σε συνεργασία µε τεχνικές SEM για να µπορέσουµε να λάβουµε εικόνες των δειγµάτων. Αυτή η εργασία θα χρησιµεύσει σαν οδηγός για όποιον θέλει να ασχοληθεί µε τα stent καθώς αποτελούν ένα αρκετά σύγχρονο θέµα µελέτης και υπάρχει αρκετός χώρος για βελτίωση όπως φυσικά και ερευνητικό ενδιαφέρον.

4 4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Α) ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: 1.1) Βασικές αρχές λειτουργίας... σελ.5 1.2) Περιγραφή διάταξης του AFM.... σελ Μηχανικός διεγέρτης... σελ Πιεζοηλεκτρικός Σαρωτής. σελ Σύστηµα καταγραφής αποκλίσεων σελ ) Θόρυβος στην SPM... σελ.15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: 2.1) υνάµεις αλληλεπίδρασης tip-επιφάνειας. σελ ) ιάγραµµα λειτουργίας AFM.... σελ ) Τρόποι λειτουργίας σάρωσης τουafm.. σελ Contact mode... σελ Non contact mode σελ Semi contact mode.. σελ ) Επιφανειακή τραχύτητα. σελ ) Φαινόµενο «σύζευξης» γεωµετρίας του tip κι µορφολογίας επιφάνειας (convolution)... σελ.28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: 3.1) Stent Εισαγωγή.. σελ ) Stent - Κυριότερα χαρακτηριστικά... σελ.33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: 4.1) Βασικά χαρακτηριστικά της SEM.... σελ ) Σύζευξη µε πειραµατικό µέρος. σελ. 41 Β) ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: 5.1) Μια εποπτική εικόνα.. σελ ) Λογισµικό Σύστηµα ελέγχου πιεζοηλεκτρικού σαρωτή. σελ ιαδικασία µέτρησης µε Contact mode. σελ ιαδικασία µέτρησης µε Semi-Contact mode... σελ ) Τοποθετώντας το stent στην διάταξη... σελ ) Προσεγγίζοντας το stent Landing. σελ ) Λήψη εικόνων «µε µια µατιά».. σελ Stent Apollo (ST-01)...σελ Stent Axion (ST-02)...σελ Stent Axion (ST-03)...σελ.69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Γενικά συµπεράσµατα και προτάσεις για το µέλλον. σελ.75

5 5 Α. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 1.1) Βασικές αρχές λειτουργίας. Ιστορικά, το σαρωτικό µικροσκόπιο φαινοµένου σήραγγος (scanning tunneling microscopy - STM) [1] ήταν το πρώτο της οικογένειας των σαρωτικών µικροσκοπίων µε διεγέρτη (scanning probe microscopes, SPM), που κατασκευάστηκε το 1981 από τους Gerd Binnig και Heinrich Rohrer στα εργαστήρια της IBM στη Ζυρίχη. Πέντε χρόνια µετά, τους απονεµήθηκε το βραβείο Nobel για αυτή τους την ιδιαίτερη κατασκευή. Η βασική ιδέα σε όλα τα σαρωτικά µικροσκόπια µε διεγέρτη-ανιχνευτή (probe) είναι ότι ο ανιχνευτής αλληλεπιδρά µε την επιφάνεια µέσω κάποιου φαινοµένου. Η ισχύς της αλληλεπίδρασης εξαρτάται από κάποιες τοπικές επιφανειακές ιδιότητες. Ανάλογα µε το ποιες ιδιότητες εκµεταλλεύεται ο χρήστης, προκύπτουν παραλλαγές της αρχικής δοµής του STM. Για τη µελέτη της επιφανειακής µορφολογίας αγώγιµων υλικών, µέχρι και ατοµική διακριτική ικανότητα υπό τις κατάλληλες συνθήκες, το φαινόµενο που εκµεταλλευόµαστε είναι το φαινόµενο σήραγγος, δηλαδή τα ηλεκτρόνια που υπερνικούν το φράγµα δυναµικού που υπάρχει µεταξύ της άκρης της ακίδας και της επιφάνειας. Το µέγεθος µε το οποίο καταµετράται η ισχύς της αλληλεπίδρασης είναι το ρεύµα σήραγγος. Αρχή λειτουργίας: Εφαρµόζεται τάση µεταξύ µιας αγώγιµης ακίδας και ενός αγώγιµου δείγµατος, τυπικής τάξης µεγέθους µερικών mv, ενώ η απόσταση στην οποία πλησιάζει η ακίδα την επιφάνεια είναι µόλις µερικά Å. Το µέσον µεταξύ ακίδας και δείγµατος, ο αέρας δηλαδή, είναι µονωτικό, οπότε υπό φυσιολογικές συνθήκες δεν θα έπρεπε να υπάρχει καθόλου ρεύµα µεταξύ της ακίδας και του δείγµατος. Παρόλα αυτά, λόγω της πολύ κοντινής απόστασης στην οποία έρχονται, υπεισέρχεται το φαινόµενο σήραγγος κατά το οποίο εµφανίζεται "απαγορευµένο" ρεύµα της τάξεως των µερικών nα ("απαγορευµένο" για την κλασική µηχανική, γιατί για την κβαντοµηχανική, στις αρχές της οποίας στηρίζεται το φαινόµενο σήραγγος, "όλα επιτρέπονται"). Καθώς η σχέση του ρεύµατος σήραγγος και της απόστασης ακίδας-δείγµατος είναι εκθετική, το ρεύµα σήραγγος είναι µια πολύ ευαίσθητη παράµετρος ελέγχου της απόστασης αυτής. Για παράδειγµα, µια µεταβολή της απόστασης κατά 0.1 nm προκαλεί µεταβολή στο ρεύµα σήραγγος περίπου επί ένα παράγοντα 10.

6 6 I T e 2kz ~ (1.1) 2m Με eu k= (1.2) 2 h Όπου U είναι η ενέργεια που απαιτείται για να περάσει ένα ηλεκτρόνιο το φράγµα δυναµικού, στην ουσία δηλαδή είναι η ενέργεια του φράγµατος. Σχήµα 1.1. Φράγµα δυναµικού το οποίο έχει να διαπεράσει το ηλεκτρόνιο για να µεταβεί από µια αρχική κατάσταση Ψ σε µια τελική µετά το φράγµα δυναµικού, ύψους U 0. Εδώ η τιµή L αντιστοιχεί στην απόσταση tip-επιφάνειας. [2] Σχήµα 1.2. Αναπαράσταση της αλληλεπίδρασης tip-επιφάνειας, κατά την οποία το ρεύµα σήραγγος ρέει από το τελευταίο άτοµο του tip προς το "απέναντι" άτοµο της επιφάνειας. Ιδιαίτερα χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι ακόµα κι αν δεν είναι τέλεια αιχµηρό το tip (ατοµικά αιχµηρό) πάντα θα υπάρχει ένα άτοµο που θα είναι πιο κάτω από όλα τα υπόλοιπα, και αυτό είναι στην ουσία που θα καθορίσει την διακριτική ικανότητα.

7 7 Λειτουργία σταθερού ρεύµατος (Constant Current mode). Σε αυτήν τη λειτουργία, το ρεύµα σήραγγος διατηρείται σταθερό από το σύστηµα ανάδρασης του συστήµατος οπότε οι αλλαγές στη µορφολογία της επιφάνειας αντανακλώνται σε κατακόρυφη κίνηση του "φορέα" (πιεζοσαρωτή) της ακίδας. Σχήµα 1.3. Λειτουργία σταθερού ρεύµατος. [1] Λειτουργία σταθερού ύψους (Constant Height mode). Σε αυτήν την περίπτωση, είναι η απόσταση ακίδας-επιφάνειας που κρατείται σταθερή, οπότε οι αλλαγές στη µορφολογία καταγράφονται µε τη µορφή µεταβολών στη ρεύµα σήραγγος. Ελάχιστες τιµές ρευµάτων που µπορούν να ανιχνευτούν αγγίζουν τα 0.05nΑ, εποµένως είναι δυνατό να µελετηθούν και επιφάνειες χαµηλής αγωγιµότητας, ακόµη και βιολογικά δείγµατα. Επιπλέον, επειδή µε αυτή τη λειτουργία δε χρειάζεται κίνηση του πιεζοσαρωτή και συνεχής ρύθµιση του ύψους του, επιτυγχάνονται µεγαλύτερες ταχύτητες σάρωσης. Το µειονέκτηµα όµως είναι ότι πρέπει η µελετώµενη επιφάνεια να είναι πολύ λεία, διότι ανωµαλίες ακόµα και της τάξεως των 5-10Å µπορεί να µην ανιχνευθούν ή και να προκαλέσουν καταστροφή του tip (από σύγκρουση του µε την επιφάνεια). Σχήµα 1.4. Λειτουργία σταθερού ύψους. [1] Μειονέκτηµα της STM συνιστά το γεγονός ότι η τελική εικόνα είναι αποτέλεσµα συνδυασµού πολλών παραµέτρων, όπως για παράδειγµα της πυκνότητας ηλεκτρονικών καταστάσεων (δηλαδή της ηλεκτρονικής δοµής του υλικού της επιφάνειας) µια που τα

8 8 ηλεκτρόνια µπορούν να µεταπηδήσουν µόνο από κατειληµµένες καταστάσεις από την ακίδα σε µη κατειληµµένες ηλεκτρονικές καταστάσεις στο δείγµα (ή το αντίθετο, ανάλογα µε το πρόσηµο της εφαρµοζόµενης τάσης). Άλλες παράµετροι είναι το πρόσηµο και η τιµή της τάσης πόλωσης (bias voltage), το ρεύµα σήραγγος κλπ. Με µια πρώτη µατιά, µια εικόνα STM απεικονίζει τη µορφολογία της επιφάνειας. Αυτό είναι σωστό, αλλά εν µέρει. Η εικόνα STM είναι στην ουσία µια εικόνα κατανοµής της ηλεκτρονικής πυκνότητας καταστάσεων στην επιφάνεια. Η STM αναγνωρίζει και καταγράφει το πλήθος των κατειληµµένων και µη κατειληµµένων ηλεκτρονικών καταστάσεων κοντά στο επίπεδο Fermi µέσα σε ένα εύρος ενεργειών που καθορίζεται από την bias voltage. Τελικά, αντί για την τοπογραφία καθαυτή, καταγράφει µια "επιφάνεια σταθερής πιθανότητας διέλευσης σήραγγος". 1.2) Περιγραφή διάταξης του AFM. Οι µετρήσεις για την εκπόνηση της παρούσας εργασίας έγιναν σε scanning probe microscope (SPM) της εταιρείας "NT-MDT" ("Molecular Devices and Tools for Nanotechnology"). Γενικά υπάρχουν δύο διαφορετικές διαµορφώσεις για τη σάρωση των δειγµάτων: i) To probe κινείται πάνω από το ακίνητο δείγµα, σαρώνοντας το (Scanning-by- Probe, µοντέλο Solver P47H Pro). Σχήµα 1.5. ιάταξη Scanning-by-probe AFM και συγκεκριµένα το µοντέλο Solver P47H Pro. [3]

9 9 ii) To δείγµα (που βρίσκεται πάνω στη βάση) κινείται κάτω από το ακίνητο probe (Scanning-by-Sample, µοντέλο Solver P47 Pro). Σχήµα 1.6. ιάταξη Scanning-by-sample AFM και συγκεκριµένα το µοντέλο Solver P47 Pro. [3] Τα κύρια µέρη του AFM είναι: 1. Ο µηχανικός διεγέρτης - ανιχνευτής (probe). 2. Ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής. 3. Το σύστηµα καταγραφής των αποκλίσεων του probe. 4. Σύστηµα ελέγχου πιεζοηλεκτρικού σαρωτή. 5. Αντικραδασµικό σύστηµα-τράπεζα. Σχήµα 1.7. Για τις ανάγκες των µετρήσεων στη ιπλωµατική Εργασία χρησιµοποιήθηκε η διάταξη Solver P47H Pro: 1. Controller, 2. Σύστηµα αντικραδασµικής προστασίας, 3. Θέση τοποθέτησης του δείγµατος και σάρωσης, 4. Κεφαλή σάρωσης. [1]

10 Μηχανικός ιεγέρτης. Ο µηχανικός διεγέρτης ή ανιχνευτής (probe) αποτελείται από έναν βραχίονα-µικροδοκό (cantilever) το ένα άκρο του οποίου είναι ενωµένο µε ένα chip πυριτίου (Si chip) ενώ το άλλο άκρο είναι ελεύθερο και υπάρχει µια ακίδα (tip) προσαρτηµένη σε αυτό. To cantilever προσοµοιώνεται µε ένα ελατήριο που στη µία άκρη είναι προσαρτηµένη µία σηµειακή µάζα, που εκτελεί ταλάντωση υπό την επίδραση δυνάµεων. Εικόνα 1.8. Σχηµατική αναπαράσταση του συστήµατος cantilever-tip ως ελατηρίου µε σηµειακή µάζα που ταλαντώνεται, µε σταθερά ελατηρίου που επηρεάζει την κατακόρυφη δύναµη που ασκείται στο δείγµα. Ένα υψηλής ευλυγισίας cantilever προκαλεί την άσκηση µικρότερων δυνάµεων πάνω στο δείγµα, οδηγώντας σε µικρότερη παραµόρφωση και βλάβη του δείγµατος. Γι αυτό το λόγο, τα AFM cantilevers έχουν συνήθως µικρή σταθερά ελατηρίου (spring constant) περίπου 0.1 N/m. Όσον αφορά την συχνότητα του συντονισµού ενός ελατηρίου (resonant frequency) δίνεται από την παρακάτω εξίσωση: resonant frequency= 1 2π spring cons tant mass Από την παραπάνω εξίσωση φαίνεται ότι το cantilever, για να έχει µικρή σταθερά ελατηρίου και υψηλή συχνότητα συντονισµού, πρέπει να έχει µικρή µάζα. Γι αυτό το λόγο, τα AFM cantilevers

11 11 είναι πολύ µικρά και κατασκευάζονται µε µικρολιθογραφία, διαδικασία που χρησιµοποιείται για την κατασκευή των computer chips. Για παράδειγµα στην παρακάτω εικόνα τα cantilevers έχουν µήκος 100µm και είναι από νιτρίδιο του πυριτίου επικαλυµµένα µε στρώµα χρυσού, για υψηλή ανακλαστικότητα. Εικόνα 1.9. Απεικόνιση 2 V-shaped cantilevers µήκους 100µm. [4] Τα cantilevers συνήθως απαντώνται σε δύο σχήµατα, ορθογώνιο και τριγωνικό ενώ τα βασικά υλικά από τα οποία κατασκευάζονται είναι το πυρίτιο (Si) και το νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4 ). Σχήµα Τρόπος παρασκευής Si 3 N 4 cantilevers µε µικρολιθογραφία. [4]

12 12 Επίσης και το σχήµα του tip µπορεί να ποικίλει, από πυραµιδοειδές, ή κωνικό, ή σε πιο ακραίες περιπτώσεις, για ειδικές εφαρµογές, σαν tip χρησιµοποιούνται νανοσωλήνες άνθρακα ή νανοσύρµατα πολύ µικρής διαµέτρου. Εικόνα ιάφορες γεωµετρίες cantilever και tip. [4]

13 13 Σχήµα Ορθογώνιο και τριγωνικό cantilever. [1] Χαρακτηριστικές παράµετροι για ένα tip είναι το ύψος του, το γωνιακό του άνοιγµα και κυρίως, η ακτίνα καµπυλότητας της αιχµής του. Συνήθως χρησιµοποιούνται τρία είδη tip: 1. Το "normal tip" που είναι πυραµιδοειδές, µε ύψος 3 µm και ακτίνα καµπυλότητας της αιχµής του περίπου 30nm. 2. Το "electron-beam-deposited tip (EBD)" ή "supertip", που έχει υψηλότερο 'aspect ratio', όντας λεπτό και µακρύ χρησιµοποιείται για την ανίχνευση ρωγµών. 3. Τέλος, το "ultralever" tip που κατασκευάζεται µε µικρολιθογραφία έχει γωνιακό άνοιγµα περίπου στα 10nm. Εικόνα Εικόνες ηλεκτρονικού µικροσκοπίου από τρία συνήθως χρησιµοποιούµενα είδη AFM tips. [4]

14 Πιεζοηλεκτρικός Σαρωτής. Ο πιεζοηλεκτρικός σαρωτής βρίσκεται σε επαφή µε το Si chip του cantilever και είναι κατασκευασµένος από ένα κεραµικό υλικό που έχει την ιδιότητα να εκτείνεται ή να συρρικνώνεται ανάλογα µε το πρόσηµο της τάσης που εφαρµόζεται σε αυτό (ονοµάζεται και πιεζοηλεκτρικό υλικό). Όντας σε επαφή µε το Si chip του cantilever, ελέγχει δύο ανεξάρτητες µεταξύ τους κινήσεις του cantilever: µία κατά το Χ-Υ επίπεδο και µία κάθετα προς την επιφάνεια, κατά τον Ζ- άξονα. Η πιο συνήθης διαµόρφωση του είναι η κοίλη κυλινδρική. Σχήµα Συνήθης διαµόρφωση του πιεζοηλεκτρικού σαρωτή του AFM. [4] Σύστηµα καταγραφής αποκλίσεων. Ένα σύστηµα καταγραφής των αποκλίσεων του probe (µηχανικός διεγέρτης), είναι απαραίτητο ώστε να επιτευχθεί η χαρτογράφηση της επιφάνειας του δείγµατος. Μία πηγή φωτός εκπέµπει laser, που µέσω της παρεµβολής ενός συγκεντρωτικού φακού ο οποίος εστιάζει την ακτίνα laser σε ένα spot εύρους 50µm, και δύο κατόπτρων, προσπίπτει στο πίσω µέρος του cantilever, το οποίο είναι επικαλυµµένο µε ένα στρώµα χρυσού και ανακλάται. Έπειτα, µέσω ενός µεγεθυντικού φακού καταλήγει στο φωτοανιχνευτή (position sensitive detector, PSD) που είναι µια φωτοδίοδος τεσσάρων τµηµάτων (4-segment photodiode).

15 15 Ακολουθεί µια κατανοµή του προσπίπτοντος φωτός σε καθένα από τα 4 αυτά τµήµατα (a, b, c και d) και στη συνέχεια, το φως µετατρέπεται σε ρεύµα/σήµα εξόδου από τον φωτοανιχνευτή. Αυτά τα 4 σήµατα τελικά "συγχωνεύονται" συνολικά σε τρία σήµατα στην έξοδο του ανιχνευτικού συστήµατος και ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία, λαµβάνεται η εικόνα τοπογραφίας µε ατοµική διακριτική ικανότητα. Εικ α. Σχηµατική αναπαράσταση της λειτουργίας του συστήµατος καταγραφής των αποκλίσεων του probe β. 'Animation' της Εικ α. Αφότου φτάσει το laser στη φωτοδίοδο, το φως µετατρέπεται σε ηλεκτρικό ρεύµα και ακολουθεί µια ολόκληρη διαδικασία ανάλυσης και ενίσχυσής του. Έπειτα, η κίνηση του cantilever στο Χ-Υ επίπεδο, αλλά και κατά Ζ ρυθµίζεται από ένα κλειστό κύκλωµα ανάδρασης που αποτελεί και το σύστηµα ελέγχου του πιεζοηλεκτρικού σαρωτή. 1.3) Θόρυβος στην SPM. Οι µετρήσεις επηρεάζονται από θόρυβο, ο οποίος γενικά προέρχεται από δύο διαφορετικές πηγές: 1. Θόρυβος από διεργασίες εγγενούς φύσεως της διάταξης 2. Θόρυβος από εξωγενείς παράγοντες (επίδραση περιβάλλοντος).

16 16 Ο θόρυβος από εξωγενείς παράγοντες µπορεί να ελαχιστοποιηθεί, ή ακόµα και να εξαλειφθεί µε διάφορους τρόπους, όπως για παράδειγµα: Χρήση ειδικού κλωβού για αποµόνωση από τον ηχητικό θόρυβο, ενώ η ιδανικότερη λύση είναι η τοποθέτηση του συστήµατος σε κενό, όπου δεν υπάρχει µηχανικό µέσο (αέρας) για τη διάδοση και µεταφορά ηχητικών κυµάτων. Αντικραδασµικό (anti-vibration) σύστηµα (παθητικό ή ενεργητικό) για απόσβεση των µηχανικών θορύβων ή κραδασµών. Κάθε διάταξη AFM αποτελείται από διάφορα υλικά και τµήµατα, καθένα από τα οποία χαρακτηρίζεται από µια ιδιοσυχνότητα συντονισµού. Εξωτερικοί µηχανικοί θόρυβοι λοιπόν µε συχνότητες στην κοντινή περιοχή της ιδιοσυχνότητας αυτής, προκαλούν φαινόµενα συντονισµού στα διάφορα τµήµατα του µικροσκοπίου, µε αποτέλεσµα την αλλοίωση της ποιότητας των εικόνων και των µετρήσεων. Για να αποφεύγονται τέτοια φαινόµενα, τα υλικά από τα οποία είναι κατασκευασµένα τα διάφορα τµήµατα της κεφαλής µέτρησης έχουν υψηλές ιδιοσυχνότητες, της τάξης των kHz. [3] Χρησιµοποιώντας ένα παθητικό αντικραδασµικό σύστηµα µε µια κατάλληλη συχνότητα συντονισµού (µερικές δεκάδες Hz), οι µόνες εξωτερικές διαταραχές που θα επιτρέψει το αντικραδασµικό σύστηµα να περάσουν στο µικροσκόπιο είναι όσες έχουν συχνότητα πολύ κοντά στην δική του, εξαλείφοντας αρκετά δραστικά τις εξωτερικές δονήσεις. Σχήµα Ελαστικό κορδόνι για απορρόφηση µηχανικού θορύβου. [3]

17 17 Η δραστικότητα του παθητικού αντικραδασµικού συστήµατος µπορεί να προσδιοριστεί ως εξής: Θεωρώντας m τη µάζα της κεφαλής µέτρησης και της τράπεζας, l την επιµήκυνση του κορδονιού και k τη σταθερά του, ισχύει από το νόµο του Hooke: Άρα, για να αποµονωθούν συχνότητες έως και 1 Hz πρέπει η επιµήκυνση του κορδονιού να είναι περίπου 25cm. To συγκεκριµένο σύστηµα Solver P47H Pro χαρακτηρίζεται από f ~ 2Hz. Οι διατάξεις για ενεργητική αντικραδασµική δράση είναι, στην ουσία, ηλεκτροµηχανικά συστήµατα µε αρνητικό σύστηµα ανάδρασης, το οποίο εξασφαλίζει τη σταθερή στο χώρο, θέση της βάσης (πλατφόρµας) της συσκευής. Σχήµα Ενεργό σύστηµα µηχανικής απόσβεσης κραδασµών και εξωτερικού µηχανικού θορύβου. [2] Ακόµα κι αν εξαλειφθεί, όµως, εξολοκλήρου ο θόρυβος που προέρχεται από εξωγενείς παράγοντες, παραµένει η συνιστώσα εκείνη που προέρχεται από τα εγγενή χαρακτηριστικά της διάταξης (για παράδειγµα, το υλικό που χρησιµοποιείται για την κατασκευή των διαφόρων µερών του και τις ιδιοσυχνότητες που χαρακτηρίζουν τα υλικά αυτά) και εποµένως αυτή η συνεισφορά είναι που θα καθορίσει τα όρια λειτουργίας και τη διακριτική ικανότητα της διάταξης (εφόσον βέβαια ο θόρυβος από εξωτερικούς παράγοντες έχει µηδενιστεί, ειδάλλως, εάν ο τελευταίος είναι µεγαλύτερος, τότε αυτός είναι που θα καθορίσει τελικά το όριο στη διακριτική ικανότητα).

18 18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.1) υνάµεις αλληλεπίδρασης tip-επιφάνειας. Οι δυνάµεις που υπεισέρχονται στις µετρήσεις στη µικροσκοπία ατοµικών δυνάµεων µπορούν να καταταχθούν σε δύο κατηγορίες ανάλογα µε την εµβέλεια και την ισχύ τους: Μικρής εµβέλειας (Short-range forces): Οι δυνάµεις που υφίστανται όταν τα κέντρα των µορίων βρίσκονται σε απόσταση µικρότερη από 3Å. Μακράς εµβέλειας (Long-range forces): Οι δυνάµεις που υπερισχύουν σε µεγαλύτερες διαµοριακές αποστάσεις. Σχήµα 2.1. AFM tip κοντά στην επιφάνεια ενός δείγµατος. Οι δυνάµεις µικρής εµβέλειας (shortrange) απεικονίζονται µε κόκκινο σηµάδι ως η επικάλυψη των ηλεκτρονικών νεφών και οι δυνάµεις µακράς εµβέλειας απεικονίζονται µε βέλη. [1] Αν τα µόρια δεν έχουν την τάση να αλληλεπιδράσουν µεταξύ τους χηµικά (δηλαδή να σχηµατίσουν χηµική ένωση) τότε οι δυνάµεις µικρής εµβέλειας είναι απωστικές και προέρχονται από τις αλληλεπιδράσεις των "εµπλεκόµενων" ηλεκτρονικών νεφών. Αντίθετα, για µόρια σχηµατίζουν χηµικούς δεσµούς οι δυνάµεις µικρής εµβέλειας είναι ελκτικές. Στην περίπτωση της µικροσκοπίας ατοµικών δυνάµεων, οι δυνάµεις µικρής εµβέλειας αφορούν τα µόρια του tip και τα µόρια της επιφάνειας, οπότε δεν έχει νόηµα ο χηµικός δεσµός, συνεπώς οι δυνάµεις αυτές είναι πάντα απωστικές. Οι δυνάµεις µακράς εµβέλειας, είναι ουσιαστικά οι δυνάµεις van der Waals, οι οποίες είναι πάντα ελκτικές, και είναι υπεύθυνες για πολλά µακροσκοπικά φαινόµενα, όπως η τριβή, η πρόσφυση, η επιφανειακή τάση, το ιξώδες, κλπ.

19 19 Οι απωστικές δυνάµεις µεταξύ ατόµων οφείλονται στην αλληλοεπικάλυψη των ηλεκτρονικών νεφών και περιγράφονται από την απαγορευτική αρχή του Pauli. Όταν άτοµα πλησιάσουν τόσο ώστε τα ηλεκτρονικά τους νέφη να αλληλεπικαλύπτονται, τα ηλεκτρόνια τείνουν να καταλάβουν ίδιες κβαντικές καταστάσεις µε αποτέλεσµα να προκαλείται άπωση. Οι ελκτικές δυνάµεις µακράς εµβέλειας είναι οι γνωστές δυνάµεις van der Waals, οι οποίες αναπτύσσονται µεταξύ µη µόνιµων (επαγόµενων) δίπολων. Οι δυνάµεις van der Waals είναι παντού παρούσες ανεξαρτήτως της χηµείας της επιφάνειας, και είναι πάντα ελκτικής φύσεως. Η δύναµη αλληλεπίδρασης van der Waals µεταξύ δύο ατόµων σε απόσταση z, είναι της µορφής -1/d 6 ενώ σε απόσταση µεγαλύτερη από 5nm παίρνει τη µορφή -1/d 7. [1] Ακόµη, µπορεί να ασκηθούν και τριχοειδικές δυνάµεις, γιατί σε συνθήκες περιβάλλοντος πάντα υπάρχει νερό που προσροφάται στην επιφάνεια (σε υδρόφιλες επιφάνειες) µε τη µορφή πολύ λεπτού στρώµατος. Σε µικρή απόσταση µεταξύ tip και επιφάνειας, σχηµατίζεται ένας µηνίσκος νερού που παρουσιάζει εξάρτηση και από την απόσταση tip-επιφάνειας. Οι τριχοειδείς δυνάµεις περιγράφονται από τη σχέση: Όπου, R η ακτίνα καµπυλότητας του tip, Θ η γωνία διαβροχής, γ η επιφανειακή τάση. Εικ.2.2. Σχηµατική αναπαράσταση δηµιουργίας µηνίσκου νερού µεταξύ του tip και της επιφάνειας. [4]

20 20 2.2) ιάγραµµα λειτουργίας AFM. Οι δυνάµεις αλληλεπίδρασης µεταξύ του tip του AFM και της επιφάνειας του υλικού συνοψίζονται στο παρακάτω διάγραµµα, µαζί µε τους διαφορετικούς τρόπους σάρωσης που υποστηρίζει η µικροσκοπία ατοµικών δυνάµεων. Σχήµα 2.3. ιάγραµµα της δύναµης αλληλεπίδρασης µεταξύ tip-επιφάνειας συναρτήσει της µεταξύ τους απόστασης και περιοχές λειτουργίας του AFM. Σε µεγάλες αποστάσεις, της τάξεως των nm από την επιφάνεια, υπεισέρχονται οι ελκτικές δυνάµεις, υπό την επίδραση των οποίων το tip έλκεται προς την επιφάνεια. Σε αυτήν την περιοχή λειτουργεί το Non-Contact mode, και εποµένως η λειτουργία του στηρίζεται στην ανίχνευση και καταγραφή ελκτικών δυνάµεων. Στις πολύ κοντινές αποστάσεις, της τάξης των λίγων Å, υπεισέρχονται οι µικρής εµβέλειας απωστικές δυνάµεις οι οποίες τείνουν να αποµακρύνουν το tip από την επιφάνεια. Είναι εµφανές ότι η κλίση της καµπύλης σε αυτήν την περιοχή είναι πολύ µεγάλη, εποµένως και η δύναµη πολύ ισχυρή. Αυτή είναι η περιοχή λειτουργίας του Contact mode, η οποία στηρίζεται στην ανίχνευση και καταγραφή των απωστικών δυνάµεων πάνω στο tip. Τέλος, στις ενδιάµεσες αποστάσεις, είναι η περιοχή λειτουργίας του Semi-Contact mode. To tip ταλαντώνεται µεταξύ της περιοχής που υπερισχύουν οι ελκτικές δυνάµεις (περιοχή Non- Contact,

21 21 όταν το tip βρίσκεται στα ανώτερα σηµεία της ταλάντωσής του) και της περιοχής που υπερισχύουν οι απωστικές δυνάµεις (περιοχή Contact mode, όταν το tip βρίσκεται στα κατώτερα σηµεία της ταλάντωσής του ή ακόµα και σε επαφή µε την επιφάνεια). Σχήµα 2.4. ιάγραµµα δύναµης µεταξύ tip-επιφάνειας σε συνάρτηση µε την µεταξύ τους απόσταση. [2] ιακρίνεται από το Σχήµα 1.18, ότι σε Non-Contact mode το πλάτος ταλάντωσης είναι µικρό, ώστε το tip να µην εισέρχεται στην περιοχή των απωστικών δυνάµεων ενώ αντίθετα, σε Semi- Contact mode το πλάτος ταλάντωσης είναι αρκετά µεγάλο, ώστε κατά τη διάρκεια της ταλάντωσής του, το tip εισέρχεται στην περιοχή τόσο των ελκτικών, όσο και των απωστικών δυνάµεων. [1]

22 22 2.3) Τρόποι λειτουργίας - σάρωσης του AFM. Οι τρεις κύριοι τρόποι λειτουργίας του AFM όπως αναφέρθηκαν και προηγουµένως είναι οι εξής: 1. Contact mode 2. Non-Contact mode 3. Semi-Contact mode Contact mode. Στον τρόπο λειτουργίας contact mode, το tip σαρώνει το δείγµα ευρισκόµενο σε επαφή µε την επιφάνεια. Οι δυνάµεις που ασκούνται είναι απωστικές µε µέση τιµή 10-9 Ν. Γενικά, κατά τη λειτουργία contact mode, υπάρχουν δύο τρόποι ανίχνευσης των διαφοροποιήσεων της επιφανειακής µορφολογίας, αφενός µε µεταβολή της κάµψης του cantilever, και αφετέρου µε κίνηση του πιεζοσωλήνα στην κατακόρυφη διεύθυνση. Στην πρώτη περίπτωση, η απόσταση του πιεζοσωλήνα από την επιφάνεια διατηρείται σταθερή, µε αποτέλεσµα η ανίχνευση των διαφοροποιήσεων της επιφάνειας να γίνεται µέσω της κάµψης του cantilever. Με αυτόν τον τρόπο λειτουργίας τύπου "σταθερού ύψους - Constant Height Mode», η απόσταση του πιεζοσωλήνα από την επιφάνεια διατηρείται σταθερή, µε αποτέλεσµα η ανίχνευση των διαφοροποιήσεων της επιφάνειας να γίνεται µέσω της κάµψης του cantilever (Σχήµα 1.20). Ακόµη, µπορεί ταυτόχρονα να γίνει και µια απεικόνιση της κατανοµής των δυνάµεων που δέχεται το tip στην περιοχή σάρωσης (force mapping). To πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι ότι η σάρωση γίνεται σε µεγαλύτερες ταχύτητες διότι δεν χρειάζεται να ρυθµίζεται διαρκώς η θέση του probe κατά τον z-άξονα. Το µειονέκτηµα όµως είναι ότι µένοντας σε ένα σταθερό ύψος, υπάρχει κίνδυνος να σπάσει το tip αν συναντήσει κάποια ανωµαλία στην επιφάνεια. Επιπλέον, για να έχει µεγάλη ευαισθησία στις µετρήσεις του, το cantilever πρέπει να χαρακτηρίζεται από πολύ µικρές τιµές σταθεράς k c.

23 23 Σχήµα 2.5. Τρόπος λειτουργίας AFM 'σταθερού ύψους'. [5] Στην δεύτερη περίπτωση, όπου η κάµψη του cantilever διατηρείται σταθερή, (σύµφωνα µε νόµο του Hooke F = kz) και η αντίστοιχη δύναµη θα διατηρείται σταθερή, ενώ ο πιεζοσαρωτής κινείται στον z-άξονα. Με αυτή τη λειτουργία «σταθερής δύναµης - Constant Force Mode» και µέσω των µεταβολών της ζ-κίνησης του πιεζοσαρωτή ανιχνεύεται η τοπογραφία της επιφάνειας (Σχήµα 1.22). Σχήµα 2.6. Τρόπος λειτουργίας AFM 'σταθερής δύναµης'. [5]

24 24 Τα πλεονεκτήµατα του contact mode έγκειται στην υψηλή ταχύτητα σάρωσης και στην δυνατότητα του 'force-mapping', ενώ αντίθετα σε µαλακά δείγµατα όπως τα βιολογικά, υπάρχει ο κίνδυνος καταστροφής τους από το tip. Ακόµη, λόγω των τριχοειδών δυνάµεων µπορεί να µειωθεί η διακριτική ικανότητα της µεθόδου ενώ η ανάπτυξη πλευρικών δυνάµεων µπορεί να οδηγήσει σε παραµόρφωση της εικόνας. Σε περίπτωση λειτουργίας του AFM µε το δείγµα και cantilever να βυθίζονται σε ένα ρευστό, υπάρχουν πολλά πλεονεκτήµατα όπως η εξάλειψη των τριχοειδών δυνάµεων, η µείωση των Van der Waals δυνάµεων και δυνατότητα να µελετηθούν οι σηµαντικές διαδικασίες που πραγµατοποιούνται στις διεπιφάνειες µεταξύ υγρού και στερεού. Παρόλα αυτά υπάρχουν επίσης µερικά µειονεκτήµατα, όπως η δυσχερής ανεύρεση της συχνότητας συντονισµού και η καταστροφή κάποιων βιολογικών δειγµάτων από την υπερυδάτωση Non-Contact mode. Κατά τη λειτουργία του Non-Contact mode, το tip ταλαντώνεται πάνω από το δείγµα σε απόσταση Å, αλλά δεν αγγίζει καθόλου την επιφάνεια. Οι ελκτικές δυνάµεις van der Waals που ενεργούν µεταξύ της άκρης του tip και του δείγµατος ανιχνεύονται, και οι εικόνες τοπογραφίας της επιφάνειας λαµβάνονται. υστυχώς οι ελκτικές αυτές δυνάµεις είναι ουσιαστικά πιο ασθενείς από τις δυνάµεις που ασκούνται στο Contact mode. Γι αυτό, στο tip πρέπει να δοθεί µια µικρή ταλάντωση ώστε να µπορούν να ανιχνευθούν οι µικρές δυνάµεις µεταξύ της άκρης tip και του δείγµατος µε τη µέτρηση της αλλαγής στο πλάτος, τη φάση ή τη συχνότητα ταλάντωσης του ταλαντευόµενου cantilever ως απάντηση στις κλίσεις δύναµης από το δείγµα. Σχήµα 2.7. Αρχή λειτουργίας του Non-Contact AFM. [5]

25 25 Η δύναµη που ασκεί ένα ταλαντευόµενο cantilever σε non contact mode είναι πολύ µικρή, της τάξης των pico Newton, γεγονός που δίνει πλεονέκτηµα στην τεχνική αυτή σε περίπτωση µελέτης µαλακών υλικών. Το πλεονέκτηµα της µεθόδου είναι ότι δεν έρχεται καθόλου σε επαφή µε το δείγµα, αλλά αντίθετα υπάρχει ο κίνδυνος, υπό την επίδραση των ελκτικών δυνάµεων, να πλησιάσει πολύ απότοµα το tip στο δείγµα και να φθαρεί (ή να φθείρει το δείγµα αν το τελευταίο είναι µαλακό), γι αυτό και η σταθερά του cantilever k c για non contact λειτουργία πρέπει να είναι αρκετά µεγαλύτερη από την αντίστοιχη k c για contact, ώστε το cantilever να είναι αρκετά άκαµπτο για να µην έλκεται εύκολα προς την επιφάνεια Semi-Contact mode. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας είναι µία εξέλιξη του AFM αφού επιτρέπει τη λήψη εικόνων τοπογραφίας υψηλής ακρίβειας δειγµάτων που καταστρέφονται εύκολα, όπως τα βιολογικά δείγµατα, υλικών που προσκολλώνται χαλαρά στο υπόστρωµα τους, ή υλικών που απεικονίζονται δύσκολα µε άλλες AFM τεχνικές. To 'tapping mode' ξεπερνά προβλήµατα που σχετίζονται µε την τριβή, την πρόσφυση, τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις µεταξύ του tip και του δείγµατος. Το χαρακτηριστικό αυτού είναι ότι καθώς το cantilever ταλαντώνεται, ακουµπάει ελαφρά ("taps") την επιφάνεια µια φορά σε κάθε κύκλο ταλάντωσης, στο κατώτερο σηµείο της. Το πλάτος ταλάντωσης κυµαίνεται στην περιοχή από l-100nm. Καθώς το tip ταλαντώνεται, εισέρχεται από τις ελκτικές δυνάµεις στις απωστικές και αντίστροφα. Όσο η απόσταση είναι σχετικά µεγάλη, η αλληλεπίδραση είναι ελκτική µε άσκηση δυνάµεων van der Waals µακράς εµβέλειας, µέχρι το tip να εισέλθει στην απωστική περιοχή του δυναµικού αλληλεπίδρασης, οπότε και η αλληλεπίδραση αυξάνεται ισχυρά. Έτσι, κατά τη "σύγκρουση" στην επιφάνεια χάνεται ποσό της ενέργειας του tip, και συγκεκριµένα όση ενέργεια είχε αποθηκευτεί κατά τον υπόλοιπο χρόνο της ταλαντωτικής περιόδου. Όταν το tip έρχεται σε επαφή µε την επιφάνεια, η υψηλή συχνότητα (50k-500k Hz) κάνει τις επιφάνειες σκληρές και οι δυνάµεις πρόσφυσης µεταξύ του tip και του δείγµατος µειώνονται σηµαντικά. Άµεση συνέπεια είναι να µη κολλάει το tip πάνω στο δείγµα και να καταστρέφεται λιγότερο συχνά κατά τη σάρωση. Ακόµη, το δείγµα, δεν µετακινείται πλευρικώς λόγω των πλευρικών δυνάµεων αφού η δύναµη που ασκείται είναι κάθετη. [3] Κατά την ταλάντωση του cantilever, το ανακλώµενο laser spot εκτελεί και αυτό µε τη σειρά του ταλαντωτική κίνηση πάνω στη φωτοδίοδο σε κατακόρυφη διεύθυνση που µε τη σειρά της προκαλεί µεταβαλλόµενο ηλεκτρικό σήµα "DFL". Το πλάτος του τελευταίου είναι ανάλογο µε το πλάτος ταλάντωσης του cantilevers. Στη συνέχεια, το µεταβλητό αυτό σήµα "DFL" υπόκειται σε

26 26 ηλεκτρονική επεξεργασία και τελικά, παίρνουµε το σήµα "MAG", το οποίο ισούται µε το πλάτος ταλάντωσης του µεταβλητού "DFL" σήµατος. Έτσι, το πλάτος ταλάντωσης χρησιµοποιείται ως παράµετρος που χαρακτηρίζει την αλληλεπίδραση tip-επιφάνειας και καταγράφει αυτήν την αλληλεπίδραση χαρτογραφώντας την επιφάνεια. [3] 2.4) Επιφανειακή τραχύτητα. Η επιφανειακή τραχύτητα καθώς και πολλές άλλες παράµετροι (µεταβλητές) που χρησιµοποιούνται για τον χαρακτηρισµό της µορφολογίας µιας επιφάνειας είναι µαθηµατικές σχέσεις που προκύπτουν από τη στατιστική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η κάθε εικόνα από AFM είναι µια κατανοµή υψών. Με άλλα λόγια, σε κάθε σηµείο (x,y) της επιφάνειας αντιστοιχεί ένα συγκεκριµένο ύψος z, έτσι ώστε τελικά να προκύπτει µια συνάρτηση (συνάρτηση επιφάνειας) της µορφής z=f(x,y), και όπως κάθε κατανοµή, έτσι και αυτή επιδέχεται µαθηµατική επεξεργασία µε τη χρήση διαφόρων παραµέτρων. Η επιφανειακή τραχύτητα δεν είναι η µόνη παράµετρος που χαρακτηρίζει τη µορφολογία µιας επιφάνειας και αυτό διότι δυο επιφάνειες µπορεί να έχουν την ίδια τιµή επιφανειακής τραχύτητας, αλλά στην πραγµατικότητα να έχουν τελείως διαφορετική µορφολογία. Χαρακτηριστικό είναι το παράδειγµα που ακολουθεί: Σχήµα 2.8. Επιφάνειες ίδιας τραχύτητας αλλά διαφορετικής µορφολογίας. [1]

27 27 Γι αυτό το λόγο ορίζονται και άλλες παράµετροι για το χαρακτηρισµό της µορφολογίας, που φαίνονται στον πίνακα παρακάτω [6]. Μέση επιφάνεια 1 N N N x y (R mean ) Rmean Z mean = Μέση επιφανειακή τραχύτητα (R α ) RMS επιφανειακή τραχύτητα (R q ) Peak-to-Peak R R R a q = = max 1 N N x = Z x y 1 N N max N N x y i= 1 j= 1 y N x Z( i, y N i= 1 j= 1 j) Z Z mean N x y ( Z( i, j) Z mean ) Z i= 1 j= 1 min ij 2 Τέλος, ανάλογα προς την επιφανειακή τραχύτητα, ορίζεται και η "γραµµική τραχύτητα" (linear roughness), η οποία εκφράζει την κατανοµή του ύψους του δείγµατος όχι πλέον σε µια επιφάνεια, αλλά κατά µήκος µιας γραµµής. Η γραµµή αυτή µπορεί να είναι είτε µια διατοµή κατά Χ ή Υ της εικόνας (Χ, Υ section) είτε ένα οποιοδήποτε ευθύγραµµο τµήµα αυθαίρετου µήκους και διεύθυνσης (arbitrary section).

28 28 2.5) Φαινόµενο "σύζευξης" γεωµετρίας του tip και µορφολογίας επιφάνειας (convolution). Η ακίδα µε την οποία σαρώνεται το δείγµα δεν χαρακτηρίζεται από απειροστή οξύτητα, αλλά έχει µια πεπερασµένη ακτίνα καµπυλότητας. Έτσι, η τελική εικόνα της µορφολογίας της επιφάνειας είναι στην πραγµατικότητα ένας "συνδυασµός" του σχήµατος του tip και των αντικειµένων της επιφάνειας. Αναπόφευκτα λοιπόν, υπεισέρχεται µια "διεύρυνση" του πραγµατικού µεγέθους των επιφανειακών αντικειµένων, η οποία εξαρτάται από την ακτίνα καµπυλότητας του tip. Συγκεκριµένα, όσο µικρότερη είναι η ακτίνα τόσο µικρότερα επιφανειακά χαρακτηριστικά µπορούν να διακριθούν. Σχήµα 2.9. ιαφορετική απεικόνιση της ίδιας επιφάνειας ανάλογα µε την καµπυλότητα του tip. [1] Επίσης, αν υπάρχουν οξεία επιφανειακά χαρακτηριστικά πιο οξεία από το γωνιακό άνοιγµα του tip, τότε το τελικό αποτέλεσµα είναι στην ουσία η απεικόνιση του tip και όχι των µορφολογικών χαρακτηριστικών.

29 29 Σχήµα Η ιακριτική ικανότητα περιορίζεται από την πεπερασµένη καµπυλότητα της αιχµής του tip. Γειτονικά επιφανειακά χαρακτηριστικά ενδέχεται να φανούν ως ένα λόγω του "convolution effect". [1] Τελικώς η διακριτική ικανότητα ενός AFM καθορίζεται από τους ακόλουθους παράγοντες: Την ευαισθησία των ηλεκτρονικών κυκλωµάτων και κυρίως του συστήµατος ανάδρασης. Την ικανότητα του πιεζοκρυστάλλου να συστέλλεται και να διαστέλλεται κατά πολύ µικρά ποσά ώστε να µετακινεί το tip (ή το δείγµα) σε πολύ µικρά steps. To tip να µην είναι φθαρµένο, να έχει µικρή ακτίνα καµπυλότητας και µικρή γωνία αιχµής, για να αποφεύγεται το "convolution effect" αλλά και για να διακρίνει απότοµες αλλαγές στην κλίση των επιφανειακών χαρακτηριστικών του δείγµατος.

30 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 3.1) Stent Εισαγωγή. Τα stent είναι ιατρικά επινοήµατα (διατάξεις, συσκευές), τα οποία χρησιµοποιούνται ως πλαίσια στήριξης σε αρτηρίες που έχουν στενέψει, για να εµποδίσουν την επαναστένωσή τους. Τα stent είναι φτιαγµένα κατά κύριο λόγο από 316L ανοξείδωτο ατσάλι, όπου 316 είναι ο λεγόµενος βαθµός του ατσαλιού και το L υποδεικνύει την low carbon έκδοσή του. Το ατσάλι αυτό χρησιµοποιείται συνήθως για την κατασκευή ρολογιών και κοσµηµάτων. Από τα µέσα της δεκαετίας του 1990, άρχισαν αυτές οι συσκευές να εµφυτεύονται µε στεφανιαία αγγειοπλαστική επέµβαση, χρησιµοποιώντας ένα συµβατικό ηµιδιαφανές µπαλόνι. Πλέον περίπου ένα εκατοµµύριο stent εµφυτεύονται παγκοσµίως κάθε χρόνο. [7] Σχήµα 3.1 Φωτογραφία µεταλλικού stent τοποθετηµένο σε ιατρικό µπαλονάκι. Πως καταλήξαµε στα stent όµως; Αρχικά στην αγγειοπλαστική, ένα λεπτό και µαλακό σωληνάκι έχει στην άκρη του ένα µικρό αλλά επίµηκες µπαλόνι που φουσκώνει και ξεφουσκώνει. Το σωληνάκι (καθετήρας) οδηγείται µε προσοχή υπό ακτινοσκοπικό έλεγχο από τη µηριαία αρτηρία (ελιά) στον στεφανιαίο κλάδο που έχει την αρτηριακή στένωση. Όταν φουσκώνουµε το µπαλονάκι το πουρί της αρτηρίας (αθήρωµα) συνθλίβεται στο αρτηριακό τοίχωµα. Μετά από 3-4 συνθλίψεις ο αυλός της αρτηρίας ανοίγει στο σηµείο αυτό και το αίµα ρέει εύκολα, χωρίς κώλυµα. Αυτή η τεχνική (αγγειοπλαστική µε µπαλόνι), που εφαρµόζεται από το 1972, ενώ στην αρχή φαίνεται

31 31 τόσο εύκολη, απλή και ανώδυνη συγκριτικά µε την κλασική εγχείρηση bypass, αποδεικνύεται άνθρακας ως θησαυρός απλότητος και τεχνικής σε ένα ποσοστό που κυµαίνεται από 30% έως 50% στο πρώτο εξάµηνο µετά τη διάνοιξη, όχι αµέσως. Αυτό το πρόβληµα της επαναστένωσης αποδείχθηκε µε συνεχείς ερευνητικές µελέτες ότι είναι βιολογικό. Σχήµα 3.2 Σχηµατική αναπαράσταση τοποθέτησης stent σε αρτηρία, διόγκωσής του µε το µπαλονάκι και αφαίρεση του µπαλονιού. Τα κύτταρα τοπικά του τοιχώµατος της αρτηρίας (λεία µυϊκά κύτταρα) επάνω στα οποία έγινε η σύνθλιψη του βουλώµατος (αθήρωµα) αντιδρούν. Αντιδρούν στη µηχανική πίεση που τους ασκήθηκε µε την έκπτυξη του µπαλονιού. Υπερπλάσσονται, που σηµαίνει πολλαπλασιάζονται σε φοβερά µεγάλο αριθµό. Αυτή η υπερπλασία των µυϊκών κυττάρων του τοιχώµατος της αρτηρίας προκαλεί την επαναστένωση. Χρονολογικά µετά την αγγειοπλαστική µε µπαλόνι εφαρµόστηκε η αθηρεκτοµή, εκτοµή ή αφαίρεση του αθηρώµατος µε ειδικό καθετήρα, που εισάγεται πάντα µε τοπική αναισθησία στη µηριαία αρτηρία και οδηγείται µε ακτινοσκοπικό έλεγχο και τηλεχειρισµό στη στένωση της στεφανιαίας αρτηρίας. Και η αθηρεκτοµή, όπως και η αγγειοπλαστική µε µπαλόνι, έχει περίπου το ίδιο ποσοστό επαναστένωσης. Η πλέον ευρύτερα εφαρµοζόµενη τεχνολογία αγγειοπλαστικής σε όλο τον κόσµο είναι το stent (έχει µεταφραστεί ως ενδοαγγειακή πρόσθεση, ενδοαγγειακός νάρθηκας κι άλλα συνώνυµα κατά το δοκούν). Ο κόσµος το καταλαβαίνει καλύτερα ως σπιράλ. Μοιάζει µε το µεταλλικό σπιράλ της ράχης του τετραδίου ή του µικρού µπλοκ γραφής. Το stent όταν τοποθετηθεί επακριβώς στη στενωµένη περιοχή του αυλού της αρτηρίας εκπτύσσεται και το αγγείο διανοίγεται.

32 32 Τα stent έγιναν δηµοφιλή παγκοσµίως διότι έχουν µικρότερο ποσοστό επαναστένωσης από ότι το µπαλόνι, περί το 20% το πρώτο εξάµηνο. Σχήµα 3.3 Φωτογραφία stent σε αρτηρία, διογκωµένο και στηρίζοντας το αρτηριακό τοίχωµα. Παρά την επιτυχία των «γυµνών» µεταλλικών stent, η επαναστένωση παραµένει ένα µεγάλο µέληµα. Για να µειωθεί το ποσοστό της επαναστένωσης, εισήχθησαν τα επικαλυµµένα stent (coated) και τα stent που εξάγουν φάρµακα (drug-eluting), τα οποία έχουν διαφορετικές επιφανειακές ιδιότητες σε επαφή µε το βιολογικό περιβάλλον όπου και τοποθετούνται. Περαιτέρω, η επικάλυψη θα µπορούσε να προστατέψει το stent από την διάβρωση, διατηρώντας έτσι µακροπρόθεσµα την ακεραιότητα του και προστατεύοντας τον ασθενή από πιθανή έκλυση τοξικών µεταλλικών ιόντων του stent. Παρόλα αυτά, αρκετά κλινικά προβλήµατα παραµένουν µε τα coated και drug-eluting stent όπως επαναστένωση, θρόµβωση, θραύση των stent και αποτυχηµένες επικαλύψεις. Τα τελευταία χρόνια αρµόδιοι φορείς (όπως ο Αµερικανικός εθνικός οργανισµός φαρµάκων) εξέδωσαν οδηγίες προς την βιοµηχανία παραγωγής stent, για την αποτίµηση της ασφάλειας και της αποτελεσµατικότητας των coated και drug-eluting stent. Σύµφυση, αποτελεσµατικότητα φραγής, αντοχή και σταθερότητα της επικάλυψης, είναι µερικές από τις παραµέτρους που πρέπει να καθοριστούν για να επιδείξει αποτελεσµατικότητα η επικάλυψη. Όµως ο σχεδιασµός των ανάλογων τεστ για τον έλεγχο ειδικότερα καθενός εκ των χαρακτηριστικών αυτών, δεν είναι µια ασήµαντη υπόθεση. Πολλές αναφορές εκπίπτουν από την βιβλιογραφία όπου αναφέρουν αποτυχία επικαλύψεων όπως ρωγµές και διαχωρισµός σε στρώµατα ιδιαίτερα µετά την έκταση του stent και σε συσχετισµό µε το σχέδιο και το υλικό του. [7]

33 33 3.2) Stent Κυριότερα χαρακτηριστικά. Μερικές από τις παραµέτρους ενός (στεφανιαίου) stent, πέραν της όποιας επικάλυψης που πιθανόν να φέρει αυτό, είναι η δοµή, η γεωµετρία και οι διαστάσεις του. Αυτές οι διαφορετικοί παράµετροι παίζουν καθοριστικό ρόλο στην στηρικτική του απόδοση και γενικότερα στη διαδικαστική του επιτυχία, δηλαδή στην αποτροπή της επαναστένωσης και άλλων καρδιαγγειακών ασθενειών. Οι παράµετροι που παρατίθενται παρακάτω είναι ο τύπος του stent, όπως αυτεπεκτεινόµενο ή επεκτεινόµενο µε µπαλονάκι, ο υλικός σχεδιασµός, όπως ελικοειδές (coil) ή σωληνοειδές (tube), διαστατικές επιπτώσεις σε µήκος και φάρδος, καθώς και η γεωµετρία του stent όσων αφορά των αριθµό των δοκών και το πάχος αυτών. Υπάρχουν δύο πιθανά σχέδια για ένα stent, το αυτεπεκτεινόµενο και επεκτεινόµενο µε µπαλονάκι. Το παλαιότερο επεκτεινόµενο stent µε µπαλονάκι είναι ένα stent που αποτελείται από µία έλικα, ένα πλέγµα ή ένα σχέδιο ζιγκ-ζαγκ, και βρίσκεται περιορισµένο σε µια θήκη. Όταν η θήκη αφαιρεθεί, το stent ελαστικά ανοίγει και επεκτείνεται σε ένα προκαθορισµένο µέγεθος που αντιστοιχεί στην στεφανιαία αρτηριακή διάµετρο. Σήµερα, το stent είναι προ-τοποθετηµένο σε ένα µπαλόνι και η διόγκωση (φούσκωµα) του µπαλονιού διευρύνει πλαστικά του stent σε σχέση µε τη διάµετρο του µπαλονιού. Σε ένα αυτεπεκτεινόµενο stent, το «έξυπνο υλικό» υλικό διαστέλλεται σε ένα υπολογιζόµενο µέγεθος. Ωστόσο, σε ορισµένες περιπτώσεις, µε την πάροδο του χρόνου αυτά τα αυτεπεκτεινόµενα stent συνεχίζουν να διευρύνονται. Ως αποτέλεσµα, ένα αυτοαναπτυσσόµενο stent δεν συνιστάται και χρησιµοποιείται σπάνια αυτές τις µέρες γιατί προβληµατίζει όσων αφορά θέµατα σχετικά µε τη ασφάλειά του. Τα stent που επεκτείνονται χρησιµοποιώντας µπαλονάκι µπορούν να διαχωριστούν σε δύο οµάδες, τα σωληνοειδή και τα ελικοειδή. Στο σχήµα 3.4 απεικονίζεται η διαφοροποίηση µεταξύ των δύο. Το ελικοειδές σχέδιο ενσωµατώνει ένα συνεχές τυλιγµένο σύρµα ή µία σειρά από επίπεδα εκτεταµένα και πολύ λεπτά ελικοειδή στρώµατα. Το πλάτος των δοκών είναι µεγαλύτερο, υπάρχουν κενά µεταξύ των δοκών καθώς και κανενός είδους σύνδεση µεταξύ τους, καθιστώντας τους πιο ευέλικτους. Παρόλα αυτά, το σχέδιο στερείται ακτινικής ισχύος και τα πλατιά κενά κάνουν τους ιστούς να κρέµονται χωρίς καλή στήριξη. Σαν αποτέλεσµα, το ελικοειδές σχέδιο έχει ουσιαστικά εγκαταλειφθεί εν όψει του πιο ισχυρού σωληνοειδούς σχεδίου.

34 34 Σχήµα 3.4 Ελικοειδές και σωληνοειδές πρότυπο σχεδιασµού. [8] Coil Tube Ο σχεδιασµός πλέον έχει επικεντρωθεί στα σωληνοειδή stent µε µπαλονάκι, και απαντώνται µε προδιαγραφές σχισµοειδή σωλήνα και αρθρωτού σωλήνα. Σε κλινικές µελέτες φάνηκε ότι τα σχισµοειδή stent αντιστάθηκαν της επαναστένωσης περισσότερο σε σχέση µε τα αρθρωτά stent. Πέραν τούτου, και οι δύο µορφές είναι πανοµοιότυπες καθώς προέρχονται από κοπή laser µετάλλου, οπότε έχουν κοινή σύσταση και ευελιξία. Οι διαστάσεις του stent, όπως το µήκος και το πλάτος, έρχονται σε άµεση συσχέτιση µε το ποσοστό επαναστένωσης που µπορεί αυτό να παρουσιάσει. Σε κλινικές µελέτες έχει παρατηρηθεί ότι ένα κοντό stent έχει λιγότερα περιστατικά επαναστένωσης από ένα µακρύ. Αντίστοιχες µελέτες σχετικές µε το πλάτος παρουσιάζουν ότι ένα stent µε πλατιά διάµετρο, προτιµάται από ένα στενότερο. Στο σχήµα 3.5 απεικονίζεται η διαφοροποίηση µεταξύ των δύο. Το drug-eluting stent δεν λύνει αυτό το πρόβληµα, οπότε το µέγεθος και µάκρος ενός stent είναι µια σηµαντική παράµετρος για τον σχεδιασµό και την κατασκευή του.

35 35 Σχήµα 3.5 Φαρδύ και στενό πρότυπο σχεδιασµού. [8] Wide Narrow Η γεωµετρία του stent είναι ακόµα ένας σηµαντικός παράγοντας από άποψη µηχανικής. Σε µελέτη που έγινε σε λαγόνιες αρτηρίες κουνελιών, διαπιστώθηκε ότι stent µε λιγότερες δοκούς (struts) παρουσίαζαν µικρότερη πιθανότητα επαναστένωσης σε σχέση µε περισσότερες δοκούς. Στο σχήµα 3.6 απεικονίζεται η διαφοροποίηση µεταξύ των δύο. Όσων αφορά το πάχος των δοκών, λεπτότεροι δοκοί είναι ικανοί να ταιριάξουν καλύτερα ανάµεσα σε ιστούς άρα και να τοποθετηθούν και βαθύτερα σε σχέση µε stent µε πιο παχύς δοκούς. Αλλά σε αντίθεση µε παχύτερες δοκούς, παρουσιάζουν λιγότερες γωνιακές µορφές κατά την έκταση τους και δεν στηρίζουν τόσο καλά το αρτηριακό τοίχωµα. Το πάχος των δοκών των stent, συνδέεται απευθείας µε το ποσοστό της µεταλλικής τους επικάλυψης, και έγκειται στο ότι το ποσοστό που κατανεµήθηκε πρέπει να αντιστοιχεί στο ποσοστό που απαιτεί µία λεπτή δοκός. Επίσης ένα αξιοσηµείωτο µέρος της γεωµετρίας των stent είναι η διατοµή τους. Ένα σχέδιο µε δοκούς στρογγυλής διατοµής είναι ιδανικό για να προαχθεί η λειότητα. Αντιθέτως, ένα stent µε τετράγωνη διατοµή δοκών δεν συνιστάται καθώς εµπλέκεται µε της ροή του αίµατος λόγω των µυτερών ακρών του που µπορούν να τεµαχίζουν κύτταρα αίµατος. Με την σηµερινή πρόοδο της επιστήµης των υλικών, υλικά όπως το Co-Cr (χρώµιο κοβαλτίου), επιτρέπουν τον σχεδιασµό stent µε λιγότερες και λεπτότερες δοκούς.

36 36 Σχήµα 3.6 Περισσότερες και λιγότερες δοκοί. [8] More struts Less struts Σχήµα 3.7 Παχύς και λεπτοί δοκοί (A, B) & τετράγωνες και στρογγυλές διατοµές (B, C). [8] Square Thick Square Thin Round

37 37 Η λειότητα ενός stent µπορεί να επηρεάσει την απόδοση και την βιοσυµβατότητά του και πλέον είναι βασικό κριτήριο που καθορίζει την ποιότητά του. Για να επιτευχθεί η οµαλότητα της επιφάνειας, το stent πρέπει να υποστεί µια όξινη «πλύση» και µετά ηλεκτροχηµική λείανση. Η διαδικασία αυτή αποµακρύνει υπολείµµατα όπως αποθέµατα και ιζήµατα, που σχηµατίστηκαν στην επιφάνεια του stent λόγω της κοπής µε laser κατά την διαδικασία της παραγωγής. Σχήµα 3.8 Φωτογραφίες stent διαφόρων σχεδίων και µεγεθών καθώς επίσης και µια εποπτική εικόνα για το µέγεθος τους.

38 38 Τελικώς, αξίζει να αναφερθεί ότι για περισσότερο από 15 χρόνια τα stent µε µπαλονάκι κατασκευάζονται από 316L ανοξείδωτο ατσάλι. Μπορούν ακόµα να επικαλυφθούν µε κάποιο άλλο κράµα µε γαλβάνιση όπως βοµβαρδισµός µε ιόντα αργού (argon ion bombardment), αλλά έρευνες έδειξαν ότι η επιπλέον επικάλυψη οδηγούσε στην εµφάνιση πόρων και ρωγµών στην επιφάνεια. Τα τελευταία χρόνια νέα υποσχόµενα υλικά όπως κοβάλτιο, χρώµιο και νικέλιο, ανταγωνίζονται για την κυριότητα στην κατασκευή των stent. Επιπλέον, πολυµερή πρώτης γενιάς, όπως το polyester stent, εισήχθησαν στον ανταγωνισµό. Σχήµα 3.9 Φωτογραφίες µεταλλικών σωλήνων και µεταλλικού σύρµατος από ανοξείδωτο ατσάλι 316L.

39 39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 4.1) Βασικά χαρακτηριστικά της SEM. Η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης (Scanning Electron Microscopy, SEM) είναι µία από τις σύγχρονες και ευέλικτες µεθόδους ανάλυσης της µικροδοµής µεγάλου αριθµού υλικών. Η ικανότητα των οπτικών µικροσκοπίων περιορίζεται λόγω της φύσης του φωτός σε επίπεδα µεγεθύνσεων έως 1000 x και σε διακριτική ικανότητα έως 0.2 µm. Στις αρχές της δεκαετίας του 30 υπήρχε ήδη η ανάγκη για εξέταση του εσωτερικού του κυττάρου (πυρήνας, µιτοχόνδρια κλπ.) που απαιτούσε µεγεθύνσεις µεγαλύτερες του x. Η απαίτηση αυτή οδήγησε στην ανακάλυψη και εφαρµογή των ηλεκτρονικών µικροσκοπίων. Το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο διέλευσης ή διαπερατότητας (TEM, Transmission Electron Microscope) ήταν το πρώτο είδος ηλεκτρονικού µικροσκοπίου και στη συνέχεια ακολούθησε το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης (SEM, Scanning Electron Microscope). Το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης είναι ένα όργανο που λειτουργεί όπως περίπου και ένα οπτικό µικροσκόπιο µόνο που χρησιµοποιεί δέσµη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αντί για φως, για να εξετάσει αντικείµενα σε λεπτοµερή κλίµακα. Τα ηλεκτρόνια λόγω της κυµατικής τους φύσης µπορούν να εστιαστούν όπως και τα φωτεινά κύµατα αλλά σε πολύ µικρότερη επιφάνεια (π.χ. κόκκος υλικού). Η δέσµη ηλεκτρονίων σαρώνει την επιφάνεια του δείγµατος µε το οποίον αλληλεπιδρά. Από την αλληλεπίδραση αυτή προκύπτουν πληροφορίες σε σχέση µε τα άτοµα των στοιχείων που απαρτίζουν το εξεταζόµενο υλικό. Από τα άτοµα των στοιχείων εκπέµπονται κυρίως δευτερογενή (secondary) και οπισθοσκεδαζόµενα (backscattered) ηλεκτρόνια καθώς και ακτίνες Χ. Η ένταση των εκπεµποµένων ηλεκτρονίων επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας. Ετσι το SEM δίνει πληροφορίες που αφορούν κυρίως στη µορφολογία και στη σύσταση της επιφανείας. Εφαρµόζοντας ένα σύστηµα ανίχνευσης της διασποράς των ενεργειών των ακτίνων Χ που δηµιουργούνται στην επιφάνεια από την προσπίπτουσα δέσµη, µπορεί να γίνει ηµιποσοτική στοιχειακή ανάλυση του υλικού. Εποµένως το SEM χρησιµοποιείται για την εξέταση µικροδοµής στερεών δειγµάτων και για να δίνει εικόνες υψηλού βαθµού διείσδυσης.

40 40 Η λειτουργία του SEM στηρίζεται στις αλληλεπιδράσεις του προς εξέταση δείγµατος και της προσπίπτουσας σε αυτό δέσµης ηλεκτρονίων. Οι βασικές διατάξεις που υπάρχουν στο µικροσκόπιο είναι το σύστηµα παραγωγής δέσµης ηλεκτρονίων, το σύστηµα κατεύθυνσης της δέσµης, το σύστηµα πληροφοριών και τέλος το σύστηµα κενού. Τα βασικά στάδια λειτουργίας ενός ηλεκτρονικού µικροσκοπίου είναι: 1. Σχηµατίζεται µια δέσµη ηλεκτρονίων από την πηγή η οποία επιταχύνεται προς το δείγµα µέσω ενός θετικού ηλεκτρικού δυναµικού 2. Χρησιµοποιώντας µεταλλικά ανοίγµατα, ηλεκτροµαγνητικούς φακούς και πηνία σάρωσης, επιτυγχάνεται µια λεπτή εστιασµένη µονοχρωµατική δέσµη η οποία σαρώνει την επιφάνεια του δείγµατος 3. Οι αλληλεπιδράσεις δέσµης δείγµατος καταγράφονται από τους ανιχνευτές και µετατρέπονται σε εικόνα. Τα παραπάνω στάδια ισχύουν για όλους τους τύπους ηλεκτρονικών µικροσκοπίων. [9] Σχήµα 4.1 ιάγραµµα λειτουργίας µικροσκοπίου SEM. [9]

41 41 4.2) Σύζευξη µε το πειραµατικό µέρος. Η µικροσκοπία SEM µας είναι χρήσιµη διότι µπορεί να µας προσφέρει µια εποπτική εικόνα του stent και µε µια πρώτη µατιά να διακρίνουµε διάφορα στοιχεία επ αυτού όπως ατέλειες, ρωγµές, οπές κτλ. Γι αυτό το λόγο και συνήθως στην βιβλιογραφία θα συναντήσει κανείς ότι εικόνες stent AFM και SEM εµφανίζονται σε ζευγάρια ή έστω ότι µια κάποια εικόνα AFM πολύ πιθανόν να συνοδεύεται και από µια SEM εικόνα. Ένα µειονέκτηµα όµως της διάταξης είναι ότι δεν µπορούµε να τοποθετήσουµε σε αυτή ένα stent µαζί µε το καθετήρα καθώς δεν χωράει. Οπότε όλες σχεδόν οι φωτογραφίες SEM που βλέπουµε είναι για εκτεταµένο stent. Περισσότερα όµως θα αναφερθούν στο πειραµατικό µέρος παρακάτω. Σχήµα 4.2 Εικόνες SEM από βιβλιογραφία. Επιχρυσωµένες επιφάνειες stent πριν(a, b) και µετά την θέρµανσή τους (c, d) σε µεγέθυνση x350 (a, c) και x1500 (b, d). [10] Σχήµα 4.3 Τα ίδια δείγµατα σε 3D απεικόνιση AFM πριν(a) και µετά (b). [10]

42 42 Β. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 5.1) Μια εποπτική εικόνα. Όπως έχει αναφερθεί στα προηγούµενα, τα stent χρησιµοποιούνται εν γένει για την αντιµετώπιση αρτηριακών στενώσεων. Εν συντοµία, αυτό επιτυγχάνεται τοποθετώντας το stent στην όποια αρτηρία, και εκτείνοντάς το εφαρµόζοντας υδροστατική πίεση. Το ενδιαφέρον για την µικροσκοπία ατοµικών δυνάµεων έγκειται στην µελέτη της επίδρασης της µηχανικής παραµόρφωσης την οποία µπορεί να υφίσταται το stent, όπως επίσης στην µελέτη των επιφανειακών ιδιοτήτων του επικαλυµµένου stent, πριν και µετά την έκτασή του. Θεωρητικά λοιπόν, αυτός είναι ο απώτερος σκοπός. Πρακτικά όµως αποδεικνύεται ότι οι µετρήσεις αυτού του είδους και γενικά η λήψη εικόνων από stent, είναι µια πολύ δύσκολη κι επίπονη διαδικασία. Ο λόγος που συµβαίνει αυτό είναι διότι τα stent εκ των πραγµάτων αποτελούν «εξωτικό» αντικείµενο για το µικροσκόπιο ατοµικών δυνάµεων. Η διάταξη AFM του εργαστηρίου (Solver P47H Pro) φέρει προδιαγραφές για δείγµατα τα οποία συνήθως είναι πλακίδια, υµένια κτλ., όπου ουσιαστικά είναι δύο διαστάσεων (έτσι τα αντιµετωπίζει το µικροσκόπιο). Τα stent αντίθετα είναι τριών διαστάσεων κι επιπλέον η κυλινδρική/σωληνοειδής τους µορφή ανεβάζει τον παράγοντα δυσκολίας. Καλό θα ήταν λοιπόν να υπάρχει κάποια εµπειρία µε την διάταξη προτού ασχοληθεί κάποιος µε τα stent ειδικά. Η διαδικασία λήψης εικόνων µε AFM είναι εγγενώς ευαίσθητη στο θόρυβο, οπότε τα stent ανεβάζουν τις απαιτήσεις απώλειας θορύβου στο έπακρο, φυσικά µέσα στα πλαίσια των δυνατοτήτων του εκάστοτε εργαστηρίου µε ιδανικό πρότυπο το clean room. Ακόµα και η τοποθέτηση του stent στην διάταξη απαιτεί κάποια τροποποίηση από τον επίδοξο ερευνητή που θα αναφερθεί παρακάτω. Εν κατακλείδι δεν υπάρχει κάποιος «µαγικός» τρόπος για την καλή λήψη εικόνων από stent. Το σηµείο κλειδί της διαδικασίας είναι η επιτυχής προσγείωση (landing) του tip πάνω στο stent, πράγµα το οποίο επιτυγχάνεται µε διαρκή προσπάθεια σωστού και λάθους (trial and error) µέχρις ότου να έχουµε ένα ικανοποιητικό αποτέλεσµα. Οι πολλές επαναλήψεις στο landing γίνονται για να επιτευχθούν ευνοϊκές συνθήκες για την µέτρηση αλλά υπάρχουν και ορισµένοι κίνδυνοι για την διάταξη και το δείγµα, οι οποίοι θα επισηµανθούν παρακάτω.

43 43 Τελικά στα πλαίσια αυτής της εργασίας θα αποπειραθούµε να αναπτύξουµε έναν τρόπο/οδηγό για το πώς µπορούµε να προσεγγίσουµε την µέτρηση των stent µε µικροσκόπιο ατοµικών δυνάµεων, και να παραθέσουµε τις όποιες εικόνες στάθηκε δυνατό να ληφθούν. Παρακάτω ακολουθεί η λίστα µε τα stent τα οποία παραδόθηκαν στο εργαστήριο µαζί µε κάποια περιγραφή τους και λεπτοµέρειες, όπου υπήρχαν και όπως παραδόθηκαν. ΚΩ ΙΚΟΣ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΕΤΑΙΡΙΑ ΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ST-01 1/11/2006 APOLLO ST-02 1/11/2006 AXION 2,75 x 23 mm Επικαλυµµένο µε τριχίδια γλυκόζης. ST-03 31/5/2007 AXION 2,75 x 8 mm Επικαλυµµένο. Φουσκώθηκε 31/5/2007 στις 14 atm. ST-04 31/5/2007 BARE 3,8 x 16 mm ST-05 31/5/2007 BARE 3,5 x 16 mm ST-06 31/5/2007 AXION DES 2,75 x 18 mm ST-07 31/5/2007 AXION DES 3 x 18 mm ST-08 31/5/2007 AXION DES 2,75 x 15 mm ST-09 31/5/2007 AXION DES 3,5 x 12 mm ST-10 31/5/2007 AXION DES 3 x 12 mm ST-11 31/5/2007 AXION DES 3 x 18 mm ST-12 31/5/2007 AXION DES 3,5 x 20 mm Επικαλυµµένο. ST-13 31/5/2007 AXION 3 x 12 mm Επικαλυµµένο. ST-14 31/5/2007 Endeavor 3 x 15 mm Επικαλυµµένο. ST-15 31/5/2007 Endeavor 3 x 18 mm Επικαλυµµένο. ST-16 31/5/2007 Endeavor 3 x 15 mm

44 44 Όπως είπαµε παραπάνω, το ενδιαφέρον έγκειται στην µελέτη της επίδρασης της µηχανικής παραµόρφωσης την οποία υφίσταται το stent, και στην µελέτη των ιδιοτήτων της επικαλυµµένης επιφάνειας, πριν και µετά την έκταση. Η έκταση του stent έγινε σε δύο τιµές υδροστατικής πίεσης, P 1 =4 atm και P 2 =14 atm, η οποία είναι και η εργονοµική τιµή πίεσης στην οποία εκτείνεται το stent αφού έχει τοποθετηθεί αρτηριακά. Η έκταση γίνεται µε τη χρήση ενός ειδικού εξαρτήµατος, του inflation gun (Medtronic Everest 20cc Disposable Inflation & Survival Kit), το οποίο συνδέεται µε το µπαλονάκι πάνω στο οποίο εφαρµόζει το stent, και µε τη χρήση νερού εφαρµόζει την επιθυµητή τιµή υδροστατικής πίεσης. Σχήµα 5.1 Medtronic Everest 20cc Disposable Inflation & Survival Kit. Σε αυτό το σηµείο είναι καλό να γίνει αναφορά στο λογισµικό που χρησιµοποιεί η διάταξη του AFM (Solver P47H Pro) και να συµπληρώσουµε έτσι το θεωρητικό µέρος καθώς πλέον οδηγούµαστε στο κυρίως κοµµάτι των µετρήσεων.

45 45 5.2) Λογισµικό - Σύστηµα ελέγχου πιεζοηλεκτρικού σαρωτή ιαδικασία µέτρησης µε Contact mode. Αφότου φτάσει το laser spot στη φωτοδίοδο, όπως προαναφέρθηκε στο θεωρητικό µέρος (βλ. παράγραφο 1.2), το φως µετατρέπεται σε ρεύµα και ακολουθεί µια ολόκληρη διαδικασία ανάλυσης και ενίσχυσής του. Έπειτα, η κίνηση του cantilever στο Χ-Υ επίπεδο, αλλά και κατά Ζ ρυθµίζεται από ένα κλειστό κύκλωµα ανάδρασης. Η πορεία που ακολουθείται φαίνεται στο παρακάτω διάγραµµα που είναι το κύκλωµα ανάδρασης στην περίπτωση του Contact mode. Σχήµα 5.2 Σύστηµα ανάδρασης για Contact mode. [3]

46 46 Οι βασικές παράµετροι του κυκλώµατος αυτού, που είναι και βασικές παράµετροι του λογισµικού της διάταξης, για την βελτιστοποίηση των συνθηκών µέτρησης, και κατ' επέκταση την ποιότητα των µετρήσεων είναι οι εξής: i. FB Input: Είναι το ρεύµα-σήµα εισόδου στο κύκλωµα ανάδρασης και είναι ανάλογο µε κάποια φυσική ποσότητα που χαρακτηρίζει την κίνηση του cantilever. Έτσι, στην περίπτωση Contact mode το "FB Input" ονοµάζεται "DFL" και είναι ανάλογο της κατακόρυφης κάµψης του cantilever υπό την επίδραση της συνολικής δύναµης που ασκείται στο tip. Ο χρήστης δίνει µια αρχική τιµή "DFL" πριν προσεγγίσει το tip στην επιφάνεια. Τυπικές αρχικές τιµές του "DFL" είναι µεταξύ -1 nα και -2 nα. ii. Set Point: Με την παράµετρο αυτή ο χρήστης ρυθµίζει την κάµψη του cantilever στη θέση προσέγγισης, καθορίζοντας έτσι το µέγεθος της αλληλεπίδρασης µεταξύ tip και δείγµατος (µια που το σήµα "DFL" είναι ανάλογο της κάµψης, και αυτή µε τη σειρά της ανάλογη της εφαρµοζόµενης δύναµης). Συνήθως δίνονται τιµές από 1-2 nα πάνω από το "DFL". iii. FB Gain: Η ταχύτητα απόκρισης του συστήµατος ανάδρασης εξαρτάται από τον "παράγοντα ενίσχυσης του κυκλώµατος ανάδρασης" (Loop Gain Factor). Γενικά είναι επιθυµητό ένα γρήγορο σύστηµα ανάδρασης (που σηµαίνει γρήγορη επεξεργασία του σήµατος, άρα υψηλές τιµές του Loop Gain Factor) ώστε να εξασφαλίζονται γρήγοροι ρυθµοί σάρωσης. Βέβαια, εάν η τιµή του "FB Gain" είναι υπερβολικά µεγάλη τότε αρχίζει να δηµιουργείται θόρυβος και διαταραχές του σήµατος, µε αποτέλεσµα την απώλεια της καλής ποιότητας επεξεργασίας του σήµατος. Εποµένως, υπάρχει µια βέλτιστη περιοχή τιµών όπου επιτυγχάνεται η µέγιστη ακρίβεια του συστήµατος ανάδρασης. Τώρα, για το ποια είναι η βέλτιστη τιµή (ή εύρος τιµών) για το "FB Gain", η τιµή του ρυθµίζεται εµπειρικά από το χρήστη από τη ρύθµιση "FB Gain" στο λογισµικό του µικροσκοπίου περίπου 50-70% κάτω από την τιµή εκείνη στην οποία αρχίζει να δηµιουργείται θόρυβος (generation threshold). Ο ρόλος του συστήµατος ανάδρασης είναι να διατηρεί σταθερό το σήµα εισόδου που φτάνει στη φωτοδίοδο ως φως και µετατρέπεται έπειτα σε ρεύµα (και το οποίο µεταβάλλεται σε κάθε σηµείο λόγω της αλληλεπίδρασης tip-δείγµατος), µετακινώντας τον πιεζοσαρωτή ή το cantilever (ή το δείγµα αντί το cantilever, ανάλογα µε τη διάταξη) και καταγράφοντας έτσι, τη µορφολογία της επιφάνειας.

47 47 Για να πραγµατοποιηθεί µια µέτρηση, υπάρχουν ορισµένα βήµατα που παρεµβάλλονται µεταξύ της έναρξης λειτουργίας του µηχανήµατος και της έναρξης σάρωσης, και περιγράφονται παρακάτω: 1. Ευθυγράµµιση της ακτίνας του laser πάνω στην ανακλαστική επιφάνεια του πίσω µέρους του cantilever ώστε το laser spot στη φωτοδίοδο να έχει τη µέγιστη ένταση. Αυτό γίνεται µε ειδικά κουµπιά χειρισµού που βρίσκονται πάνω στην κεφαλή µέτρησης Σχήµα 5.3 Αριστερά: To laser spot πρέπει να µετακινηθεί ώστε να συµπέσει πάνω στο ελεύθερο άκρο του cantilever ώστε να δώσει κροσσούς περίθλασης [3]. εξιά: Η µετακίνηση γίνεται µε τους "µοχλούς" 3 και 4, ενώ µε τους 1 και 2 ρυθµίζεται η ένταση του laser spot (η παράµετρος "LASER" που αναφέρθηκε προηγουµένως) στο µέγιστό της. Αποδεκτές τιµές είναι πάνω από 10. Χρειάζεται προσοχή στη ρύθµιση διότι πιθανώς µεγάλη τιµή του σήµατος "LASER" να µην οφείλεται σε σωστή θέση του spot. [3] 2. Επιλογή του τρόπου λειτουργίας και του σήµατος-εισόδου στο κύκλωµα ανάδρασης, στην προκειµένη περίπτωση "DFL". Αυτό γίνεται µε την επιλογή "Modulation"=OFF. Ρύθµιση της αρχικής τιµής "DFL" σε ένα εύρος τιµών µεταξύ -1nA και -2nΑ, µε ένα µικρό "misalignment" της τιµής "VER.DFL" που φαίνεται στο σχήµα Η τιµή που θέτουµε είναι ενδεικτική της αλληλεπίδρασης που θα έχει το tip όταν πλησιάσει στο δείγµα. Η τιµή "DFL" πάντοτε συνδυάζεται µε την τιµή "Set Point" που επίσης πρέπει να ρυθµιστεί σε αυτό το σηµείο. Αυτό που γίνεται, στην ουσία, είναι ότι το tip θα πλησιάζει στο δείγµα, έως ότου η τιµή "DFL" γίνει ίση µε την τιµή "Set Point". To γεγονός ότι "Set Point">"DFL" σηµαίνει πως όταν ολοκληρωθεί η προσέγγιση, το cantilever είναι λυγισµένο προς τα πάνω, και εποµένως λόγω της δύναµης επαναφοράς του (η οποία έχει φορά προς τα κάτω) ασκεί κάποια δύναµη στο δείγµα. Αυτή πρέπει να είναι τόσο

48 48 µικρότερη όσο mo µαλακό είναι το δείγµα. Τέλος, ρυθµίζεται και η τιµή του "FB Gain" (γύρω στο 1.) Σχήµα 5.4 Εικόνα της φωτοδιόδου κατά την πτώση του laser spot (λειτουργία Contact mode). [3] 3. Προσέγγιση (Landing) του tip στην επιφάνεια. 4. Βελτιστοποίηση των τιµών των παραµέτρων "Set Point" και "FB Gain". Για το "FB Gain" επιλέγουµε µια τιµή χαµηλότερη από την τιµή όπου αρχίζει ο θόρυβος. Ακολουθεί ρύθµιση των παραµέτρων σάρωσης: περιοχή σάρωσης, ταχύτητα σάρωσης και αριθµός σηµείων σάρωσης (Nx, Ny). Aν δεν υπάρχουν στοιχεία για την επιφάνεια, τότε καλό είναι να αρχίσει η σάρωση από µια µικρή περιοχή (π.χ.1 x 1µm) και να αυξάνεται σταδιακά. Η επιλογή της περιοχής σάρωσης γίνεται µε τη µετακίνηση ενός τετραγώνου πάνω στην περιοχή σάρωσης (σχήµα 2.23). Εάν κατά τη µετακίνηση αυτή η έκταση του πιεζοκρυστάλλου αυξηθεί στο µέγιστο (σχήµα. 2.22), σηµαίνει ότι η περιοχή δεν είναι κατάλληλη για σάρωση, είτε λόγω κλίσης του δείγµατος είτε λόγω ύπαρξης κάποιας βαθιάς περιοχής. Σχήµα 5.5 Έκταση του πιεζοκρυστάλλου.[3]

49 49 Σχήµα 5.6 Επιλογή περιοχής σάρωσης. [3] Η επιλογή της βέλτιστης τιµής της ταχύτητας σάρωσης εξαρτάται από τις ανοµοιοµορφίες της επιφάνειας. Ένα δείγµα µε µικρές επιφανειακές διαφοροποιήσεις µπορεί να σαρωθεί µε µεγαλύτερη ταχύτητα. Επίσης, η βέλτιστη τιµή της ταχύτητας σάρωσης εξαρτάται και από τις εξωτερικές συνθήκες και από την περιοχή σάρωσης. Τέλος, σχετικά µε τον αριθµό των σηµείων σάρωσης, όσο µικρότερη είναι η περιοχή σάρωσης τόσο λιγότερα ενδείκνυται να είναι τα σηµεία. 5. Ορισµός των µεγεθών που θέλουµε να µετρήσουµε, π.χ. "Height" για τοπογραφία, "Lateral F" για καταγραφή των πλευρικών δυνάµεων και απεικόνιση της τριβολογικής συµπεριφοράς της επιφάνειας, κλπ). 6. Έναρξη σάρωσης. Ακόµα και κατά τη διάρκεια της σάρωσης υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής και βελτιστοποίησης των τιµών κάποιων παραµέτρων ("Set point", "FB Gain", ταχύτητα σάρωσης) για την επίτευξη εικόνας καλύτερης ποιότητας και διακριτικής ικανότητας ιαδικασία µέτρησης µε Semi-Contact mode. Για τη λειτουργία Semi-Contact mode, οι βασικές παράµετροι του λογισµικού µε τις οποίες ρυθµίζεται η λειτουργία της διάταξης είναι οι εξής: i. FB Input: Είναι το ρεύµα-σήµα εισόδου στο κύκλωµα ανάδρασης. Σε αντιδιαστολή µε το Contact mode, είναι ανάλογο µε το πλάτος ταλάντωσης του cantilever (στη συχνότητα συντονισµού, δηλαδή το Α(ω 0 )). Στο Semi Contact mode το "FB Input" ονοµάζεται

50 50 "MAG" και προτεινόµενες αρχικές τιµές πριν την προσέγγιση στην επιφάνεια είναι γύρω στα 12 na. To πλάτος ταλάντωσης µπορεί να ρυθµιστεί από 2 παραµέτρους: Voltage: Είναι η τάση που εφαρµόζεται στον πιεζοκρύσταλλο ο οποίος είναι συνδεδεµένος µε το cantilever. Gain: Επιτελεί ενίσχυση του σήµατος στον Lock-In Amplifier. ii. Set Point: Με την παράµετρο αυτή ο χρήστης ρυθµίζει το πλάτος ταλάντωσης του cantilever στη θέση προσέγγισης, καθορίζοντας έτσι το µέγεθος της αλληλεπίδρασης µεταξύ tip και δείγµατος, µια που το σήµα "MAG" είναι ανάλογο της µέσης τιµής του πλάτους ταλάντωσης. iii. FB Gain: Είναι η ίδια παράµετρος που υπεισέρχεται και στις µετρήσεις Contact mode, και αφορά την ταχύτητα απόκρισης του συστήµατος ανάδρασης. Για Semi-Contact mode, µερικά από τα προκαταρκτικά βήµατα είναι ίδια µε το Contact mode. Συγκεκριµένα η διαδικασία είναι η ακόλουθη: 1. Ευθυγράµµιση της ακτίνας του laser πάνω στην ανακλαστική επιφάνεια του πίσω µέρους του cantilever ώστε το laser spot στη φωτοδίοδο να έχει τη µέγιστη ένταση και να βρίσκεται στο κέντρο της φωτοδιόδου. Σχήµα 5.7 Ρύθµιση του laser spot στην περίπτωση Semi-Contact mode. [3] 2. Επιλογή του mode λειτουργίας, και του σήµατος-εισόδου στο κύκλωµα ανάδρασης, στην προκειµένη περίπτωση "MAG", γίνεται µε την επιλογή "Modulation"=Probe. 3. Ρύθµιση των παραµέτρων που χρειάζονται για την ταλάντωση του cantilever, και συγκεκριµένα της εφαρµοζόµενης τάσης στον πιεζοκρύσταλλο "V". Έπειτα εύρεση της συχνότητας και της φάσης συντονισµού. Ανάλογα µε τη µορφή (και το ύψος) της

51 χαρακτηριστικής καµπύλης πλάτους - συχνότητας ταλάντωσης µεταβάλλουµε την εφαρµοζόµενη τάση ώστε να επιτύχουµε πλάτος ταλάντωσης στη συχνότητα συντονισµού στην περιοχή µεταξύ 11nA και 13nΑ. Τότε οι καµπύλες πλάτους ταλάντωσης και φάσης θα πρέπει να έχουν περίπου την παρακάτω µορφή: Σχήµα 5.8 Χαρακτηριστική καµπύλη εξάρτησης πλάτους και φάσης ταλάντωσης από τη συχνότητα. [1] 4. Προσέγγιση του tip στην επιφάνεια. 5. Έλεγχος ξανά της συχνότητας συντονισµού. Εάν δεν έχει τη χαρακτηριστική γκαουσιανή µορφή αλλά είναι διαστρεβλωµένη, πρέπει να µειωθεί το "FB Gain" ή να αυξηθεί το "Set point". Ακολουθεί καθορισµός των µεγεθών προς µέτρηση: π.χ. "Height" για τοπογραφία, "Phase" για την εικόνα διαφοράς φάσεων, "MAG" για "χαρτογράφηση" του πλάτους ταλάντωσης κατά τη σάρωση, κλπ. Τέλος, ρύθµιση των παραµέτρων σάρωσης: περιοχή σάρωσης, ταχύτητα και σηµεία σάρωσης. 6. Έναρξη σάρωσης. Ακόµα και κατά τη διάρκεια της σάρωσης υπάρχει η δυνατότητα αλλαγής και βελτιστοποίησης των τιµών κάποιων παραµέτρων ("Set point", "FB Gain", ταχύτητα σάρωσης) για την επίτευξη εικόνας καλύτερης ποιότητας και διακριτικής ικανότητας.

52 52 5.3) Τοποθετώντας το stent στην διάταξη. Αναφέρθηκε προηγουµένως ότι για την µέτρηση του stent ενδεχοµένως να είναι απαραίτητες κάποιες τροποποιήσεις, Οι προβληµατισµοί αρχίζουν ευθύς αµέσως, και στην προσπάθεια ακόµα να το τοποθετήσουµε στην διάταξη του AFM. Τα τυπικά δείγµατα που καλείται να αντιµετωπίσει η διάταξη, συνήθως τοποθετούνται σε πλαστικά πλακίδια µε τη χρήση κολλητικής ταινίας διπλής όψεως βοηθώντας έτσι στην σταθερότητά τους κατά την διάρκεια της µέτρησης. Στην περίπτωση όµως του stent, τα πράγµατα διαφοροποιούνται. Καθώς όπως αναφέραµε και νωρίτερα, για την διάταξη το stent είναι τριών διαστάσεων, οπότε η κολλητική ταινία δεν βοηθάει ικανοποιητικά στην σταθεροποίηση του stent. Αυτό συµβαίνει γιατί κατά την προσέγγιση αλλά και κατά την ίδια την µέτρηση (εάν µπορούµε να πούµε ότι είναι δυνατή υπό αυτές τις συνθήκες) το stent ταλαντεύεται. Για την ακρίβεια µικροταλαντεύεται αλλά αρκετά ώστε να επηρεαστούν οι µετρήσεις. Στην πραγµατικότητα οι µετρήσεις αυτές δεν υφίστανται καθώς από την στιγµή που ενδεχοµένως να µην έγινε σωστά landing στην επιφάνεια, οι φαινόµενες µετρήσεις δεν ανταποκρίνονται στην πραγµατικότητα οπότε και οδηγούµαστε στα λεγόµενα artifacts. Ο τρόπος µε τον οποίο αντιµετωπίστηκε αυτό το πρόβληµα είναι ο ακόλουθος. Ενώ το stent είναι πάνω στον καθετήρα (µπαλονάκι µη εκτεταµένο) το σταθεροποιούµε σε µία βάση πυριτίου (Si) κολλώντας το µε ασηµόκολλα (silver paste). Η ασηµόκολλα προτιµάται σε σχέση µε άλλα µονωτικά διότι µπορούµε έπειτα να αφαιρέσουµε το stent από το πυρίτιο χωρίς να το καταστρέψουµε, να εκτείνουµε το stent και να επαναλάβουµε τις µετρήσεις µας παροµοίως. Προσοχή: Η ένωση του stent και του πυριτίου πρέπει να είναι παράλληλη προς το υπόστρωµα, δηλαδή κατά µήκος του µεγάλου του άξονα.

53 53 5.4) Προσεγγίζοντας το stent - Landing. Το συγκεκριµένο στάδιο της διαδικασίας είναι και το πιο καθοριστικό, αν υποθέσουµε φυσικά ότι οι περιβαλλοντολογικές συνθήκες κι ο θόρυβος µας ευνοούν. Η επιτυχής «προσεδάφιση» (landing) του tip στην επιφάνεια του stent, παίζει τον σηµαντικότερο ρόλο στην επιτυχή λήψη εικόνων από την επιφάνεια αυτή. εδοµένων των διαστάσεων και των λοιπόν ιδιαιτεροτήτων του stent, είναι µια ενδεχοµένως πολύωρη διαδικασία αυξηµένης δυσκολίας και απαιτεί αρκετές επαναλήψεις έως ότου έχουµε κάποιο ικανοποιητικό αποτέλεσµα. Εργαζόµαστε δηλαδή βάσει δοκιµής και λάθους, trail and error. Βέβαια και σε µια ικανοποιητική προσεδάφιση, κατά την διάρκεια της µέτρησης υπάρχει το ενδεχόµενο, ανάλογα µε την περιοχή στην οποία βρίσκεται το tip, να «γλιστρήσει» το tip και από κάποια στιγµή και µετά να πάψουµε να λαµβάνουµε πραγµατικές εικόνες. Σε αυτή την περίπτωση πρέπει να αποµακρυνθεί το tip και να επιχειρηθεί εκ νέου landing επί της επιφάνειας. Σε αυτό το σηµείο αξίζει να κάνουµε µια σηµαντική επισήµανση που προκύπτει εκ των υστέρων. Το στάδιο του landing κρύβει και ορισµένους κινδύνους. Είναι δυνατόν κατά την προσέγγιση του tip αυτό να κατευθύνεται σε µια περιοχή όπου βρίσκεται κάποιο από τα κενά του πλέγµατος του stent. Αν το περάσει θα συνεχίζει να κατεβαίνει αναζητώντας την επιφάνεια, µε αποτέλεσµα πολύ πιθανόν το tip να σπάσει ή και να παραµορφώσει το stent καθώς θα ασκεί πίεση πάνω του. Αυτό συµβαίνει κυρίως γιατί είναι δύσκολο µε γυµνό µάτι να υπολογίσει κάποιος που περίπου θα προσεγγίσει το tip το stent, οπότε και δεν είναι καθόλου απίθανο να πραγµατοποιηθεί το παραπάνω σενάριο. Σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι η µέτρηση ενός stent είναι εν γένει µια απαιτητική, χρονοβόρα και επίπονη διαδικασία αλλά και για να αποτραπεί κάποια ζηµιά µικρή ή µεγάλη, προτείνεται το εξής. Να αναλάβουν την µελέτη του stent δύο άτοµα αντί του ενός, για να µπορεί να µοιραστεί ο φόρτος εργασίας αλλά και κατά το landing ένα άτοµο να χειρίζεται την διάταξη µέσω υπολογιστή, και ένα άτοµο να παρατηρεί την πρόοδο του tip καθώς αυτό προσεγγίζει την επιφάνεια έτσι ώστε αν χρειαστεί να ζητήσει άµεσα την διακοπή της διαδικασίας. Αυτή η λύση είναι κάπως πρωτογενής αλλά χρήσιµη ελλείψει κάποιου εποπτικού οργάνου (π.χ. ενσωµατωµένη κάµερα) ώστε να δείχνει την ακριβή πορεία που χαράσσει το tip.

54 54 5.5) Λήψη εικόνων «µε µια µατιά». Ο τρόπος εργασίας για την λήψη των εικόνων είναι ο εξής: 1. Σταθεροποίηση του stent σε υπόβαθρο πυριτίου µε ασηµόκολλα. 2. Μέτρηση AFM. 3. Έκταση του stent µε πίεση P 1 =4 atm. 4. Μέτρηση AFM. 5. Μέτρηση SEM. 6. Τελική έκταση στις P 2 =14 atm. 7. Μέτρηση AFM. 8. Μέτρηση SEM. Οι µετρήσεις σε SEM γίνονται για εποπτικούς λόγους, για να µπορούµε να έχουµε µια εικόνα της επιφάνειας και να µπορούµε να σχηµατίσουµε µερικές πρώτες εντυπώσεις για το που και πως θέλουµε να κινηθούµε στην συνέχεια. Οι πρώτες προσπάθειες λήψης εικόνων έγιναν στα πλαίσια της προσπάθειας εξοικείωσης µε τα stent. Η εργασίες έγιναν πάνω στα ST-01 (APOLLO) και ST-02 (AXION). Ακολουθούν φωτογραφίες τους, εικόνες τους σε SEM και εικόνες από AFM που ήταν κάποιας καλύτερης ποιότητας από την πληθώρα των εικόνων που ελήφθησαν. ~200nm Stent Apollo Stent Axion Σχήµα 5.9 Φωτογραφίες των ST-01 και ST-02.

55 Σχήµα 5.10 Φωτογραφίες SEM του Stent Apollo. 55

56 56 Σχήµα 5.11 Φωτογραφίες SEM επικεντρωµένες σε σηµεία επί των δοκών όπου η επιφάνεια διαφοροποιείται, φέροντας ορατά σηµάδια διαβρώσεων, οπών κτλ.

57 57

58 58 Ακολουθούν AFM εικόνες όπου υπάρχουν 2D, 3D και Phase ή Lateral Force απεικονίσεις καθώς και στατιστικές τιµές για την κάθε επιφάνεια (peak to peak, mean, root-mean-sq), καθώς και επιλεκτικές απεικονίσεις κατά X και Y άξονα Stent Apollo (ST-01). Figure 01: 2D Figure 01: 3D

59 59 Rmax (nm) (peak to peak) 3,900 Rmean (nm) 1,464 Rq (nm) (root-mean-sq) 0,441 Ra (nm) (roughness) 0,348 Figure 01: PH

60 60 Figure 02: 2D Figure 02: 3D

61 61 Rmax (nm) (peak to peak) 5,640 Rmean (nm) 2,807 Rq (nm) (root-mean-sq) 0,534 Ra (nm) (roughness) 0,408 Figure 02: PH

62 62 Figure 03: 2D Figure 03: 3D

63 63 Rmax (nm) (peak to peak) 3,480 Rmean (nm) 1,502 Rq (nm) (root-mean-sq) 0,304 Ra (nm) (roughness) 0,239 Figure 03: PH

64 64 Όπως φαίνεται από τις εικόνες, το να πάρει κανείς µια απόλυτα καθαρή εικόνα είναι αρκετά δύσκολο. Παρόλα αυτά, αν συγκρίνουµε τις κατανοµές τιµών κατά των αξόνων X και Y, θα δούµε ότι φέρουν κάποια ικανοποιητική ευκρίνεια σε αντίθεση µε τις παρακάτω δύο εικόνες. Αυτές αποτελούν αντιπροσωπευτικό παράδειγµα περίπτωσης όπου το tip δεν έχει προσγειωθεί σωστά στην επιφάνεια, γλιστράει και καταλήγουµε να µετράµε το tip παρά την επιφάνεια. Παράδειγµα 1 Η «θολούρα» στο σχήµα, αντιστοιχεί σε γλίστρηµα του tip πάνω στην επιφάνεια. Στην κατανοµή κατά τον Y άξονα, διαγράφεται και η µορφή του tip.

65 65 Παρόµοια περίπτωση παραδείγµατος προς αποφυγή. Παράδειγµα 2

66 Stent Axion (ST-02). Κάτι σηµαντικό που φαινόταν καθαρά στις εικόνες του SEM, είναι διάφορες µικρές οπές στην επιφάνεια του stent, τις οποίες αναζητούσαµε να συµπεριλάβουµε στις εικόνες µας λαµβάνοντας έτσι καλύτερες πληροφορίες για την επιφάνεια. Να σηµειώσουµε επίσης ότι οι προηγούµενες εικόνες είχαν ληφθεί µε το παλιότερο λογισµικό του AFM (Nova) ενώ από αυτό το σηµείο κι έπειτα χρησιµοποιήθηκε νεότερη έκδοσή του. Παρόλα αυτά, οι µετρήσεις δεν διαφοροποιούνται απλά το λογισµικό έχει ένα πιο απλό κι εύχρηστο interface. Figure 04: 2D Figure 04: Lat. F

67 67 Figure 04: 2D (Zoomed area) Figure 04: 3D (Zoomed area) Rmax (nm) (peak to peak) 315,84 Rmean (nm) 47,8368 Rq (nm) (root-mean-sq) 37,0624

68 68 Figure 05: 2D Figure 05: Lat. F Rmax (nm) (peak to peak) 590,76 Rmean (nm) 80,6219 Rq (nm) (root-mean-sq) 62,4131 Figure 05: 3D