环境可控的微拉伸测试用于力学自适应聚合物纳米复合材料的研究 离体 表征

本实验的总体目标是量化聚乙烯基醋酸盐纳米复合结构在植入组织后随时间变化的刚度改变。首先对聚合物纳米复合样品进行图案化处理，并将其粘附于丙烯酸支架上，以便植入组织并进行微机械测试。第二步是构建微型拉伸测试环境，通过体外使用湿度源和辐射热源来模拟生理环境。

接下来，将植入样品插入组织中，并在指定时长后取出。最后一步是将样品装入环境可控的微型拉伸测试仪中，进行力学测试，以确定材料在指定植入时长后的杨氏模量。最终，通过这种环境可控的微型拉伸测试，展示材料在生理环境中随时间变化的力学刚度变化，该变化以杨氏模量的测量值来表征。

与现有的测量可变机械性能的方法（如动态力学分析）相比，该技术的主要优势在于其可应用于微尺度样品，并且能够控制湿度和温度。该方法有助于回答神经接口领域中的关键问题，例如植入物材料的刚度如何影响机体对植入物的炎症反应。首先，采用溶液浇铸与压缩技术制备厚度为25至100微米的聚醋酸乙烯酯基纳米复合薄膜。

接下来，将薄膜在70摄氏度的热板上加热两分钟，使其粘附于硅晶圆上。这一步骤可促进薄膜与晶圆之间的紧密接触，并确保薄膜在微加工过程中保持平整。随后采用激光微加工技术将薄膜加工成所需的测试样品形貌。

直接右激光微加工参数设置为功率0.5瓦，速度56毫米每秒，每英寸1000个脉冲。用于建立环境条件的样品称为设置样品，将其加工成狗骨形结构，侧垫尺寸为1.5毫米×1.5毫米，横向梁尺寸为300微米×3000微米。厚度与薄膜在整个机器上的样品一致，用于体外实验的样品称为植入样品，加工成300微米×6毫米的梁，厚度与薄膜相同。

从微加工装置中取出晶圆后，使用剃刀刀片和镊子小心地将样品从晶圆上剥离，以便进行后续操作。准备设计好的丙烯酸样品夹具，该夹具将作为微拉伸测试仪夹持系统的一部分。本实验中，每个夹具尺寸为11毫米×7毫米，厚度为2.2毫米，并设有两个孔，用于与微拉伸测试仪中的螺栓对齐。

激光蚀刻标记显示夹具中心线位于末端起始处1.5毫米处。每个种植体样本需使用一个丙烯酸夹具，在夹具中心线上涂抹少量Sano丙烯酸凝胶粘合剂，并小心地将一段1.5毫米长的种植体样本粘附到夹具上，使其覆盖标记的中心线。注意确保粘合剂凝胶仅保留在聚乙酸乙烯酯基纳米复合材料与丙烯酸夹具粘接的1.5毫米长度范围内。

首先将一个干燥的试样装入微型拉伸测试仪中。先将试样夹紧在移动夹具之间，再夹紧在固定夹具之间。将带有盛水储液罐的喷枪固定在指定位置，喷嘴对准微型拉伸试样。通过塑料管将喷枪连接至空气压缩机，连接时确保喷枪喷嘴完全关闭。

打开空气压缩机。开始进行循环微拉伸测试程序，交替对样品施加拉伸应变和压缩应变。测试应保持在应力-应变曲线的线性弹性区域内。

在此情况下，施加的应变限制在小于2%。在这些实验中，控制应变率，同时测量达到该应变所需的力。为确定所需的湿度条件，逐渐增加喷雾器喷嘴的气流，并监测应力-应变曲线斜率随喷雾器气流量的变化；在60秒内不会导致杨氏模量显著下降的最大气流量，即为离体实验所采用的水平。最后，测量样品附近的温度。

理想的设置应包括带有数字读数的热电偶，并在喷笔运行时进行测量。调节辐射热源的强度和距离，使样品温度维持在37摄氏度，以模拟生理条件。对照比较实验首先将装置样品浸入磷酸盐缓冲液（PBS）中至少30分钟，使其充分软化至最低杨氏模量。

将样品快速装入微型拉伸测试仪中，在环境条件下自然干燥的同时关闭喷雾器并开始循环微型拉伸测试，由此数据获得的杨氏模量可反映样品在非受控条件下的干燥速度。接着，装载第二个经磷酸盐缓冲液（PBS）饱和处理的样品，将其装入微型测试仪中，在开启喷雾器的条件下开始循环微型拉伸测试，此处计算得到的杨氏模量可反映样品在受控湿度条件下的干燥速度。

固定一块皮层组织样本。在本实验中，移植的组织在实验前及实验过程中均保存在37摄氏度的人工脑脊液中以保持湿润。接下来，将植入样本及其支架固定在显微操作器的夹具上。

将探针定位至与皮层组织垂直。使用显微操作仪的手动控制装置，将聚合物样品缓慢降入皮层。

将样品留在皮层组织中，直至达到目标植入时间，即1到30分钟。在探针植入皮层期间，需采取措施防止组织干燥。通过将干燥杆设置到距固定夹具3毫米的零位移位置，来准备微型拉伸测试仪。

同时将喷笔喷嘴的流量设置和辐射热源功率设置调整为先前确定的数值。在指定的植入时间结束时，立即使用显微操作手控装置将探针从皮层中提起，并小心地将样品从显微操作器夹具中取出，在取出后两分钟内迅速送至微拉伸测试仪开始测试。立即加载样品至微拉伸测试仪的两组夹具之间。由于样品 holder 被设计用作一组夹具的上半部分，因此应将植入样品组件放置在可移动夹具的一侧，样品朝下。

必须将样品安装至每个夹具的中心位置，且夹具之间需保持水平。这可确保仅沿探针长度方向施加应变。现在调整样品位置，使夹具之间的距离为3毫米，并将探针末端放入固定夹具中。

夹具之间3毫米的长度是用于后续计算的样品标距。在将样品固定于两个夹具之间后，立即在从神经组织分离后的两分钟内，启动拉伸方向的电机，以恒定速率拉伸样品。此处的速率为10微米每秒。

同时测量并记录样品的伸长以及产生应变所需的相应作用力。当样品发生机械失效或达到干燥棒范围时，停止微拉伸试验。导出采集的数据以供分析。

对每种样品和/或植入条件重复进行微拉伸测试。使用软件绘制每个样品的应力-应变曲线。接下来，提取曲线中的线弹性部分。

所选取的曲线部分应包含至少10个数据点，并应取自曲率最大的区域。接下来，使用基于软件的曲线拟合工具对该部分进行最佳拟合。最佳拟合直线的斜率即对应于样品的杨氏模量。

对于以循环模式测试的设置样品，确定每个循环的杨氏模量。完成此步骤后，绘制每个循环的杨氏模量随时间变化的曲线图。该图选用在循环拉伸测试过程中测得的杨氏模量作为时间的函数，以确定用于控制环境的正确喷笔设置。

阴影区域表示使用设定参数的喷笔开启的时间段。杨氏模量随时间变化不显著，这表明样品从喷笔雾化空气中吸收的水分不足以导致刚度降低。

以下是水分饱和样品在湿度控制和非控制拉伸测试环境中，杨氏模量随时间的变化情况。在受控环境中，初始杨氏模量的恢复速度要慢得多。这表明样品在此环境中干燥所需时间增加，在该环境下，这段额外的时间可用于对已植入的样品进行力学测试。

这些是代表性图示，显示了干燥样品和在大鼠皮层植入30分钟后湿润样品的应力-应变曲线。杨氏模量对应于应力-应变图线性弹性区域的斜率，干燥样品的杨氏模量明显更大。两种样品均被拉伸至断裂。

该最终图表显示了植入皮层的样品的杨氏模量随植入时间的变化关系。植入约五分钟后，样品的杨氏模量几乎不再发生变化，这表明样品在此时间段内已达到饱和状态并具有最小刚度。

在进行该操作时，重要的是要提前规划，以确保组织样本及体外测试环境中的生理条件得以维持。该方法也可用于评估其他具有环境依赖性特性的材料的力学行为，包括可生物降解材料，并可用于评估聚合物材料在体内的降解速率或力学稳定性。