August 20th, 2013
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
该程序的总体目标是量化聚乙烯、醋酸盐基纳米复合结构的刚度变化作为植入组织的时间的函数。这是通过首先对聚合物纳米复合材料样品进行图案化并将其粘附到丙烯酸支架上以插入组织和微观力学测试来实现的。第二步是准备一个微型拉伸试验机环境,以模拟生理环境,离体使用湿度源和辐射热源。
接下来,将植入物样本插入组织中,并在指定的持续时间后取出。最后一步是将样品加载到环境控制的微拉伸测试仪中,并进行机械测试,以确定材料在指定植入持续时间后的杨氏模量。最终,这种环境控制的微拉伸测试用于显示机械刚度的变化,该变化由杨氏模量测量,是暴露于生理环境中的时间的函数。
与现有的可变机械性能测量方法(如动态力学分析)相比,该技术的主要优点是它可以应用于微量样品,并且可以控制湿度和温度。这种方法可以帮助回答神经接口领域的关键问题,例如植入物材料的刚度如何影响对植入物的炎症反应。首先,获得厚度为 25 至 100 微米的聚醋酸乙烯酯基纳米复合薄膜,采用固溶流延和压缩技术生产。
接下来,通过在 70 摄氏度的热板上加热 2 分钟,将薄膜粘附在硅胶晶片上。这促进了薄膜和晶圆之间的紧密接触,并确保薄膜在微加工中保持平坦。现在使用激光微米加工将薄膜图案化成所需的测试样品几何形状。
直接右激光微加工参数设置为 0.5 瓦的功率、每秒 56 毫米的速度和每英寸机器 1000 个脉冲。将用于建立环境条件的样品称为将样品设置成狗骨形结构,侧垫尺寸为 1.5 毫米 x 1.5 毫米,侧梁尺寸为 300 微米 x 3000 微米。整个机器中的薄膜厚度与薄膜的厚度相匹配,用于离体实验的样品称为植入样品,光束尺寸为 300 微米 x 6 毫米,厚度与薄膜的厚度相匹配。
从微加工装置中取出晶片后,使用剃须刀片和镊子小心地将样品从晶片中取出以处理样品。准备亚克力支架,用作微型拉伸试验机中握持系统的一部分。在这个实验中,每个支架的尺寸为 11 毫米 x 7 毫米,厚度为 2.2 毫米,并有两个孔,用于与微型拉伸试验机中的螺栓对齐。
激光蚀刻标记显示支架的中心线距离末端 1.5 毫米。每个植入物样品需要一个丙烯酸支架,在丙烯酸支架的中心线上放置少量 Sano 丙烯酸凝胶基粘合剂,并小心地将 1.5 毫米长的植入物样品粘附到与标记中心线重叠的支架上。小心确保胶粘剂凝胶仅沿着粘附在丙烯酸支架上的聚醋酸乙烯酯基纳米复合材料的 1.5 毫米长度上保持。
首先将干燥设置样品加载到微型拉伸测试仪中。首先夹在移动夹具之间,然后在固定夹具之间,将带有注水储液罐的喷枪安装到固定位置,喷嘴指向微拉伸样品。在喷枪喷嘴完全关闭的情况下,通过塑料管将喷枪连接到空气压缩机。
打开空气压缩机。开始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。试验应保持在应力应变图的线弹性区域。
在这种情况下,施加的应变限制在 2% 以下在这些实验中,在测量达到该应变所需的力的同时控制应变率。为了确定所需的湿度条件,逐渐增加来自喷枪喷嘴的流量并监测应力序列图的斜率作为来自喷枪的流量的函数,在 60 秒内不会导致杨氏模量显着降低的最大流量是将用于离体实验的水平。最后,测量样品附近的温度。
理想的设置包括带有数字读数的热电偶,并在喷枪运行时进行测量。设置辐射热源的强度和距离,使样品温度保持在 37 摄氏度以匹配生理条件。对照比较首先将设置样品浸入磷酸盐缓冲盐水或 PBS 中至少 30 分钟,使其软化至最小杨氏模量。
当样品在环境条件下干燥时,将样品快速加载到微型拉伸测试仪中,并在关闭喷枪的情况下开始循环微拉伸测试,从这些数据中找到的 Young 模量将指示样品在非受控条件下的干燥速度。接下来,加载第二个 PBS 饱和设置。将样品放入微量测试仪中,然后用喷枪开始循环微拉伸测试,这是计算出的杨氏模型,我将指示样品在受控湿度条件下干燥的速度。
获取皮质组织样本。在这个演示中,在实验之前和整个实验过程中,将移植的组织保持在 37 摄氏度的人工脑脊髓液浴中保持水分。接下来,将植入物样品的支架连接到微型纵器夹上。
放置探针,使其与皮质组织正交。使用微米纵器将聚合物样品降低到皮层中。手动控制。
将样品留在皮质组织中,直到目标植入时间在 1 到 30 分钟之间。在此期间,当探针植入皮层时,请采取预防措施防止组织干燥。通过将干杆设置到距离固定夹具 3 毫米的零位移位置来准备微型拉伸测试仪。
此外,将喷枪喷嘴流量设置和辐射热源功率设置设置为之前确定的值。在指定的植入时间结束时,立即使用微米机械手控制器将探针从皮层中抬起,并小心地从微米机械手夹中取出样品,并将其带到微拉力测试仪开始测试,解释后立即在两分钟内,将样品加载到两组微拉力测试仪夹之间。由于样品架设计为用作一个夹具的上半部分,因此请将植入物样品组件放在移动夹具样品面上,面朝下。
样品必须安装在每个夹具的中心,并且夹具必须彼此保持水平。这确保了应变仅沿探针的长度施加。现在调整样品位置,使夹具之间的距离为 3 毫米,并将探针的末端放入固定夹具中。
夹具之间的 3 毫米长度是样品的标距长度,用于以后的计算。在将样品固定在两个夹具之间并在神经组织解释后的两分钟内,立即在拉伸方向上激活电机以恒定速率拉长样品。这里的速率是每秒 10 微米。
同时测量和记录样品的伸长率以及过滤样品所需的相关力。当样品发生机械故障或达到干棒范围时,停止微拉伸试验。导出收集的数据以进行分析。
对每个样品和/或植入条件重复微拉伸试验。使用软件绘制每个样品的应力与应变曲线。接下来,隔离图的线弹性部分。
图的孤立部分应至少包括 10 个点,并且应取自图中斜率最大的部分。现在使用基于软件的曲线拟合工具找到与该部分的最佳拟合线。最佳拟合线的斜率对应于样本的杨氏模量。
对于已在循环模式下测试的设置样品,确定每个循环的杨氏模量。完成后,绘制每个周期的杨氏模量与时间的关系。该图选择杨氏模量作为时间的函数,在循环拉伸测试期间测量,以确定用于控制环境的正确喷枪设置。
阴影区域是按所使用的喷枪设置打开喷枪的时间。杨氏模量不会随时间发生显著变化。这表明设置样品从喷枪中吸收的水量不足以导致刚度降低。
以下是在湿度控制和非控制拉伸测试环境中水饱和样品的杨氏模量与百里香的关系。在受控环境中,初始杨氏模量的恢复要慢得多。这表明样品干燥所需的时间增加 在这种环境中,这些额外的时间可用于对植入的样品进行机械测试。
这些是代表性图,显示了干燥样品和植入大鼠皮层 30 分钟的湿样品的应力序列曲线。杨氏模量对应于线性弹性区域中应力系图的斜率,对于干样品来说,杨氏模量显然要大得多。两个样品都经过过滤以磨合。
最后的图是放置在皮层中的样品的杨氏模量与植入物持续时间的关系。植入约 5 分钟后,样品的杨氏模量变化不大。这表明样品在这段时间内达到饱和和最小刚度。
在尝试此程序时,请务必记住提前计划,以确保组织和离体测试环境中的生理条件都能得到维持。该方法可用于评估其他具有环境依赖性的材料(包括可生物降解材料)的机械行为,并可用于评估聚合物材料在体内的降解速率或机械稳定性。
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本文讨论了一种随时间监测体内刺激响应材料机械行为的方法。该研究利用带有环境控制的微拉伸试验机来模拟生理条件,增强了对体内材料行为的理解。
This method enables quantitative assessment of stiffness changes in stimuli-responsive polymer nanocomposites after implantation, addressing a critical gap in evaluating biomaterials under physiological conditions. By maintaining controlled humidity and temperature during ex vivo testing, it preserves the in vivo mechanical state of microscale samples, supporting reliable evaluation of material-tissue interactions. This capability enhances predictive confidence in early-stage biomaterial selection for neural interfaces and other implantable devices where mechanical mismatch can induce adverse biological responses.
The method fits within the discovery continuum from early biomaterial screening to preclinical validation, particularly for neural implants where mechanical properties evolve post-implantation.