环境控制机械自适应聚合物纳米复合材料的微拉伸测试体外表征

Summary

一种方法的讨论在体内刺激响应性材料的机械行为进行监测作为时间的函数。测试样品体外与环境控制用微拉伸测试仪模拟生理环境。这项工作进一步促进理解在体内

Abstract

植入微型器件获得重大关注的几个生物医学应用^1-4。这样的设备已经从一系列的材料，提供自己的优点和缺点^5,6。最突出的是，由于微尺度装置尺寸，高的弹性模量是必需的，以便植入到生物体组织。相反，该设备的刚度应与周围组织的匹配，以尽量减少引起的局部应变^7-9。因此，我们最近开发的一类新的仿生材料，以满足这些要求，通过响应对环境刺激的机械性能的变化^10-14。具体而言，为聚（乙酸乙烯酯）为基础的纳米复合材料（聚醋酸乙烯酯-NC）显示一个刚度降低时，接触到水和升高的温度（ 例如体温）。不幸的是，一些方法存在量化材料在体内 ¹⁵的刚度，机甲外anical测试的生理环境，往往需要大样本，不适合植入。此外，刺激响应材料外植后可能会很快恢复其初始刚度。因此，我们已经开发了一种方法，通过它的机械性能植入microsamples可以测量体外模拟生理条件下保持使用的湿度和温度控制^13,16,17。

为此，一个自定义的微拉伸测试仪的设计，以适应广泛不同的杨氏模量（在10MPa至5 GPA所在的范围）的微型样品^13,17。由于大家的利益是在PVAC-NC的应用作为一种生物适应性神经探针底物，工具，能够在微尺度样本是必要的机械特性。这个工具被改编提供湿度和温度控制，干燥，冷却¹⁷最小化样本。其结果，技工密切反映这些人的特点，植样品的样品之前外植。

该方法的总体目标是在体内的机械性能，特别的刺激响应性，机械自适应聚合物为基础的材料的杨氏模量，定量评估。这是通过首先建立的环境条件下，将外植后的样品的机械性能的变化最小化，而不有助于减少刚度无关，因植入。制备的样品，然后注入，处理，和检测（ 图1A）。大鼠大脑皮质这里取出的大鼠脑组织，在指定的持续时间（ 图1B），这是代表每个样品的注入。在这一点上，将样品取出的，并立即装入的微拉伸测试仪，然后进行拉伸试验（ 图1C）。随后的数据分析提供了洞察这些创新材料的力学行为在大脑皮质的环境。

Protocol

1。样品制备

1. 制备聚醋酸乙烯酯-NC膜的厚度在25-100微米的范围内使用溶液流延法和压缩技术^10-12。
2. 粘附膜的硅晶片上的热板上加热两分钟，在70℃（玻璃化转变温度以上），以促进膜和晶片之间的紧密接触。此步骤可确保所制备的膜的硅晶片，这是必要的平面的微机械加工工艺保持平整，并且固定。
3. 通过激光微加工（VLS 3.50，VersaLASER）到测试样品几何图案的电影。 CO ₂的直接写入的激光微加工参数设置2.0％的功率（0.5 W），8.0％的速度（56毫米/秒），和每英寸1000个脉冲^13,16。
4. 模式标本将用于建立为狗骨头形状的结构与侧焊盘尺寸1.5×1.5平方^毫米 ，外侧束昏暗的环境条件（"设置样本"）ensions ^{300×3,000μm2}的厚度匹配，该膜在整个（ 图2）。
5. 柄体外实验样品（"植入物样本"）成束为300μm×6毫米，具有厚度的膜相匹配的。
6. 从晶片用剃刀刀片和镊子小心地释放样品。
7. 样品处理，准备定制加工设计的丙烯酸持有人作为微拉伸测试仪握系统的一部分。激光蚀刻的标记显示在支架的中心线，从端部150毫米。将少量凝胶氰基丙烯酸酯系粘接剂，丙烯酸类持有人的中心线，并小心地坚持1.5毫米长的样品的支架的植入物和重叠标记的中心线（ 图3）。每个种植体样本需要一种丙烯酸持有人。要小心，以确保粘合剂凝胶仍然只能沿着坚持ACR PVAC-NC 1.5毫米的长度噻持有人。否则，该粘合胶可干扰的样品的机械性能。
8. 从所有样品通过将它们放置在干燥器中至少24小时，除去水分。
9. 测量使用光学显微镜的样品的长度，宽度和厚度的尺寸。

2。建立环境条件

1. 装入干燥的微拉伸测试仪（ 见图4），设置样品放入第一夹紧之间的移动把手之间，然后固定夹具。
2. 安装一个空气刷与一个装满水的储到一个固定的位置，与喷嘴朝向微拉伸试样。将空气刷到一个空气压缩机，通过塑料管。随着空气刷喷嘴完全封闭，打开空气压缩机上。
3. 开始循环微拉伸测试过程中，拉伸应变（正应变）和压缩应变（负应变）应用到t之间交替他样品，剩余的线性弹性区域内的应力 - 应变曲线。对于聚醋酸乙烯酯-NC，所施加的应变被限制到小于2％。在这些实验中使用的自定义的微拉伸测试仪，应变速率的控制，而所需要的力来实现，该菌株测定。另外，可能涉及不同的设置控制所施加的力，而由此产生的应变测量。
4. 逐渐增加的流量从空气刷喷嘴，并监视流从空气刷的量的函数的应力 - 应变曲线的斜率。不会导致显着性（> 10％）的杨氏模量超过60秒的一段时间的减少的最大流量水平，将用于体外实验。在这一点上，在湿度条件下，将不会湿润干燥的样品（并因此向的杨氏模量的降低），也将减少在被暴露在体内的生物体液样品干燥已被静电喷涂blished。
5. 测量的样品附近的温度。一个理想的设置将包括一个数字读出热电偶，喷枪运行时进行。设置辐射热源，使得样品的温度保持37℃，符合生理条件下的强度和距离。

3。比较非环境控制环境控制

1. 设置浸入样品进行至少30分钟在磷酸盐缓冲盐水。在此之后的时间量，样品是完全饱和的，已经降低到其最低的杨氏模量在给定温度。
2. 快速加载到微拉伸测试仪样品，并开始循环的微拉伸测试，用空气刷过，而样品干了。这将决定如何快速的样品在非受控条件下干燥。
3. 微拉伸测试仪装入第二个设置样品放入PBS饱和，并开始循环的微拉伸测试的空气刷上。这将决定如何快速的样品在控制的环境条件下干燥。

4。探针植入和外植

1. 将植入物样品的一个显微钳和正交位置的皮层组织。
2. 在插入之前，保持组织足够用生理盐水湿润以确保同质化的组织力学。
3. 降低聚合物样品到皮质使用的显微手控制。留下皮层组织样本，直到的目标植入物的时间，一般在1和30分钟之间。为了防止组织干燥时间点，超过5分钟，轻轻民建联组织每隔5分钟用盐水浸泡过的棉签。
4. 皮层植入探针时，制备的微拉伸测试仪，用于加载当前注入的样品通过设置驱动杆从固定样品夹为3.0mm的零位移位置。此外，设置空气刷喷嘴流设置到适当的强度，确定在步骤2.4中的辐射热源。
5. 在指定的植入时间的结束，提高探头的皮质使用的显微手控制。随即，并小心的是，取出样品的显微钳和加载到微拉伸测试仪，在步骤5.2中更详细地描述。

5。牙本质植入样品测试

1. 为了节省时间外植后，确保微拉伸测试仪完全准备好接受种植体的样品植入前，中所描述的步骤4.4。
2. 紧随外植后，装入样品两套之间的微拉伸测试仪夹。由于样品被安装到丙烯酸类保持器设计为作为一个夹具的上半部分中，将所述植入物的样本组件上移动的抓地力，样品的一面朝下。重要的是要确保样本被安装使得菌株APPLIED 仅沿其长度的探针，以避免在测试过程中施加扭矩样品。因此，样品必须被安装到每个夹子的中心，和夹具必须相对于彼此水平。
3. 调整样品的位置，使得夹具之间的距离为3.0 mm，在探头的端部被放置到固定钳。此3.0毫米夹具间的长度为样品的标距长度，并在以后的计算中，将被用于确定在样品上的应变。
4. 后立即固定在这两个夹具之间的试样，并在2分钟内从神经组织的外植，激活电机在拉伸方向上细长的样品以恒定的速率（10微米/秒这里使用的），同时测量和记录样品的伸长率（使用位移指示器，Mitutoyu 543-561）和相关的应变样品所需的力（使用测力传感器，换能器技术的MDB-2.5）。
5. 重复的微拉伸，每个样品的测试和/或每一组的条件（ 即插入时间）。

6。数据分析

1. 原料的伸长率数据转换于工程应变施加到植入物的样品通过的距离除以伸长的初始标距长度，方程1中所描述的，其中，ε是所施加的应变，t是时间，d是由千分尺测量的位移指示器，和L ₀是样品的初始标距长度:
   （1）
2. 原力数据转换的工程应力除以样品上的力（牛顿），通过传统nsverse的横截面面积，公式（2）中所描述的:
   （2）
   其中σ是在样品上的应力，F是由测力传感器测得的力（牛顿）， 瓦特₀是样品的初始宽度，t ₀是样品的初始厚度。
3. 绘制应力（σ[T]）与应变（ε[T]）每个样品使用的计算机程序，如Microsoft Excel的曲线。
4. 隔离的情节的线状弹性部，并使用基于软件的曲线拟合工具，以找到最好的拟合线，以该部分。最佳拟合线的斜率对应于样品的杨氏模量。的情节的隔离部分应包括至少10应力 - 应变点，应该从斜率为最大的部分的情节。
5. 对于循环试验，杨氏模量将需要被确定的每个周期。这可以自动或手动执行。
6. 对于循环试验，情节的杨氏模量随时间变化的每个周期。这表明如何测得的弹性模量随时间的变化，这是表示设置样品如何迅速地润湿或干燥。
7. 对于植入物的样品，每个样品和时间种植体对应于一个周期内的循环试验。测量的杨氏模量，使用上面描述的过程对每个植入物样品。
8. 绘制的杨氏模量与植入时间。在这一点上，比较，可以向台式调查，等

Results

几乎所有的聚合物材料，包括聚醋酸乙烯酯-NC的机械性能取决于暴露于环境条件。最值得注意的是，这些包括对热和湿气的曝光。被塑化的材料时，由于水分的吸收，或经历了一个热转变时，它显示的杨氏模量的降低。在制备的水分的体外样品的机械特性和温度受控制的环境中，这是重要的，以确保有样品的水分含量非常少的改变，同时将样品加载到微拉伸测试仪，以及在机械测试。评估使用的控制设置样品实验，以确保该样本是不影响所产生的空气刷的水分，也不会在外部环境中快速干燥。 图5示出的示例性绘图展示的干燥设置的力学行为样品在CYCL适当的空气刷防潮设置的iCal拉伸试验。打开空气刷时的杨氏模量在任何变化，是最小的。这是很重要的，随着外部环境的不应该向刚度的减少或增加。当从空气的流动刷设置得太高，样品的杨氏模量在约60秒内将显着降低。

在机械测试环境的控制也可以确保物料不会过早地干出来的。例如，我们的水分控制的环境中使用，增加取出的样品所需要的时间，进行干燥和恢复植入前的机械性能。 图6演示了两个控制设置样品浸泡至饱和，然后下进行周期...

Discussion

可植入生物医学微电子机械系统（微机电）与生物系统进行交互的进步是激励具有高度定制的特性的新材料的发展。其中一些材料的设计表现出材料性能的变化，发现在生理环境中对刺激的响应。一个最近开发的一类材料氢键形成的液体（ 例如水）和高温下的杨氏模量，材料的刚度的措施，减少了三个数量级^10,11,18的存在下的反应。这些聚合物纳米复合材料具有柔软的聚合物基体（ 即聚（乙酸乙烯酯）），纤维素纳米纤维作为纳米填料相。纤维素纳米纤维之间的相互作用决定作为一个整体的材料的机械性能，并已开启"的"干燥时，把"关"时湿。此外，水的增塑的聚合物缺nocomposite，从而降低了玻璃化转变温度低于体温（37℃），从而进一步降低的杨氏模量。这类材料的一种应用是作为一种生物适应性基板皮质内探针与单个神经元连接^13,17。然而，机械适应性材料的好处不局限于与神经系统的接口。

这里介绍的是一种基于PVAC-NC-柱石的力学行为神经组织植入后，可以评估一个指定的时间量。使用这种方法， 体外机械数据可以被收集，台式的研究进...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
硅片	大学晶片		机械级
挤出亚克力板	专业塑料	SACR 062EF	厚度 0.062 英寸
剃须刀片	McMaster-Carr	3962A3
镊子	McMaster-Carr	8384A47	#5 尖端
Super Glue Gel	Loctite	130380
Air刷	式卡扣式工业	BF175TA
空气压缩机	Paasche	B002YKN8YO	D500
热电偶	Omega	HH12A
热板	Cimarec	SP131325Q
CO2 直写激光器	VersaLaser	3.5
Dessicator	Fisher Scientific	08-595
灯			定制
Microtensile Tester			customized built