Methodenartikel

Ökologische dynamische mechanische Analyse um die Erweichung Verhalten der neuronale Implantate

DOI:

10.3791/59209

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1. März 2019

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1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Texas at Dallas, 2Department of Materials Science and Engineering, University of Texas at Dallas, 3Center for Engineering Innovation, University of Texas at Dallas, 4Department of Bioengineering, University of Texas at Dallas

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Um zuverlässige Prognosen für die Enthärtung von Polymeren Substraten für neuronale Implantate in einem Umfeld, in Vivo zu ermöglichen, ist es wichtig, eine zuverlässige in-vitro- Methode. Hier ist die Verwendung von dynamisch mechanische Analyse in Phosphat gepufferte Kochsalzlösung bei Körpertemperatur präsentiert.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wenn Sie dynamisch Erweichung Substrate für neuronale Implantate zu verwenden, ist es wichtig, eine zuverlässige in-vitro- Methode, um die Erweichung Verhalten dieser Materialien charakterisieren. In der Vergangenheit war es nicht zufriedenstellend messen die Erweichung von Dünnfilmen unter Bedingungen imitiert Körper Umgebung ohne erheblichen Aufwand möglich. Die Publikation präsentiert eine neue und einfache Methode, die dynamische mechanische Analyse (DMA) von Polymeren in Lösungen, wie Phosphat gepufferte Kochsalzlösung (PBS), ermöglicht, bei entsprechenden Temperaturen. Die Verwendung von ökologischen DMA ermöglicht Messung der Erweichung Auswirkungen von Polymeren durch Plastifizierung in unterschiedlichen Medien und Temperaturen, ermöglicht daher eine Vorhersage über das Verhalten von Materialien unter in-Vivo -Bedingungen.

Einleitung

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Eine neue Generation von Materialien als Substrate für neuronale Implantate umfasst Erweichung Form Speicher Polymere1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Diese Materialien sind steif genug während der Implantation, kritischen Knick Kräfte zu überwinden, aber sie werden bis zu drei Größenordnungen weicher nach der Implantation in einem Körper-Umfeld. Es wird prognostiziert, dass diese Materialien ein besseres Zusammenspiel der Gerät-Gewebe aufgrund der reduzierten Missverhältnis in Modul im Vergleich zu traditionellen Materialien in neuronale Implantate, wie Wolfram oder Silizium verwendet zeigen. Traditionelle, steife Geräte zeigen entzündliche Reaktion nach der Implantation, gefolgt von Gewebe Kapselung und Astroglial Narben, die oft in Gerät Fehler10,11Ergebnisse. Es ist eine allgemeine Annahme, dass weniger steif Geräte der Fremdkörper Antwort12,13,14minimieren. Die Steifigkeit eines Gerätes ist durch seine Querschnittsfläche und Elastizitätsmodul diktiert. Daher ist es wichtig, beide Faktoren zur Verbesserung der Gerät-Compliance und letztlich die Interaktion mit dem Gerät Gewebe zu reduzieren.

Die Arbeit an Polymeren erweichen wurde durch die Arbeit von Nguyen Et Al.15, inspiriert, hat gezeigt, dass mechanisch-konforme intracortical Implantate die schwere Reaktion reduzieren. Sie sind mechanisch adaptiven Poly(vinyl acetate)/Manteltier Zellulose Nanocrystal (tCNC) Nanokomposite (NC), früher gewordene konform nach der Implantation.

Die Voit-Lab nutzt auf der anderen Seite die hoch abstimmbaren Thiol-ene und Thiol-ene/Acrylat-Polymere. Diese Materialien sind von Vorteil, dass der Grad der Erweichung nach Exposition in Vivo Bedingungen leicht durch das Polymer-Design optimiert werden kann. Durch die Wahl der richtigen Polymerzusammensetzung und Crosslink-Dichte, die Glasübergangstemperatur und des Elastizitätsmoduls des Polymers kann sein2,4,5,6,8geändert. Die zugrunde liegenden die Erweichung bewirkt die Plastifizierung des Polymers in einer wässrigen Umgebung. Dass ein Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) über Körpertemperatur (der Staat während der Implantation) trocken, aber unter Körpertemperatur nach Wesen eintauchen in Wasser oder PBS, die daraus resultierende Steifigkeit/e-Modul des Polymers kann verschieben aus glasigen (steif) nach dem Trocknen gummiartig (weich) bei16implantiert.

Genaue und zuverlässige Messungen der Erweichung durch Plastifizierung und die Verlagerung der Tg von trocken zu nass Staaten wurden jedoch nicht in der Lage, in der Vergangenheit gemessen werden. Herkömmliche dynamische mechanische Analyse erfolgt in Luft oder inerten Gasen und lässt sich nicht für die Messung der thermomechanischen Eigenschaften von Polymeren in Lösung. In den vorhergehenden Studien haben die Polymere mit PBS-Puffer für verschiedene Mengen an Zeit eingetaucht. Geschwollene Proben wurden dann verwendet, um dynamische mechanische Analyse (DMA)6,7,8durchzuführen. Jedoch da das Verfahren eine Temperaturrampe beinhaltet, Proben beginnen, während der Messung zu trocknen und nicht repräsentativen Ertragsdaten. Dies gilt insbesondere, wenn der Stichprobenumfang kleiner wird. Um vorherzusagen, die Erweichung des neuronalen Sonden, wäre es notwendig, 5 bis 50 µm dünnen Polymerfolien, zu testen was nicht mit traditionellen DMA aufgrund der oben genannten Trocknung der Proben während der Messung möglich ist.

Hess Et Al.17 wurden entwickelt, ein Custom-Built Microtensile Prüfmaschine für die mechanischen Eigenschaften der mechanisch adaptiven Materialien mit einem ökologisch kontrollierten Verfahren zu bewerten. Sie haben zuvor ein Airbrush-System verwenden, um Spritzwasser auf Proben während der Messung, damit sie nicht austrocknen.

Jedoch erlaubt die Verwendung von ökologischen DMA (Abbildung 1), zur Messung von Polymerfolien in Lösungen, wie zum Beispiel Wasser und PBS, bei verschiedenen Temperaturen. Dies ermöglicht nicht nur die Messung der thermomechanischen Eigenschaften des Polymers im getränkt/erweicht Zustand, sondern auch die Messung der seine Erweichung Kinetik. Auch Zugversuche und Schwellung Messungen sind im Tauchbad dieser Maschine möglich. Dies ermöglicht genaue Studien über die Plastifizierung-induzierte Erweichung von Polymeren Substraten in Vivo Verhalten vorherzusagen.

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Protokoll

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1. Vorbereitung des Polymerproben für die Prüfung

  1. Die Erweichung Thiol-ene Polymer nach früheren Protokollen innerhalb einer Abzugshaube zu synthetisieren. 1 , 2 , 4 , Mischen Sie 18 kurz quantitative Mengen an Thiol, Alken Monomere mit einer Gesamtfläche von 0,1 Gew.-% % Foto Initiator.
    1. Bereiten Sie eine 20 mL-Glasflasche für das Polymer zu mischen. Das Fläschchen in Alufolie zu verhindern, dass einfallendes Licht Kontakt mit dem Monomer-Lösung abdecken und bei Raumtemperatur (RT) halten. Verwenden Sie alle Chemikalien, wie ohne weitere Reinigung erhalten.
    2. Für voll Enthärtung Polymer, fügen Sie 50 Mol % 1,3,5-Triallyl-1,3,5-Triazin-2,4,6(1H,3H,5H)-Trione (TATATO), 45 Mol % Trimethylolpropan tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) und 5 Mol% Tris [2-(3-Mercaptopropionyloxy) Ethyl] Isocyanurate (TMICN), die Fläschchen mit einer Einweg-Kunststoff-Pipette abgedeckt.
    3. Die Polymerlösung 0,1 Gew.-% des die Photoinitiatior 2,2-Dimethoxy-2-Phenylacetophenone (DMPA) hinzufügen.
    4. Mischen Sie der Inhalt der Durchstechflasche von planetaren Geschwindigkeit mischen, ohne dass die Lösung für Licht.
      Hinweis: Die Polymerlösung ist lichtempfindlich und startet nach 45 bis 60 min, polymerisieren, auch wenn mit Folie bedeckt. Daher verwenden Sie die Polymerlösung so schnell wie möglich nach dem mischen.
  2. Spin-Mantel der Polymerlösung als Dünnfilme zwischen 5 bis 50 µm Dicke auf mikroskopischen Objektträger oder Silizium-Wafer als Trägersubstrat entsprechend der Spin-Kurve (Abbildung 2) in Abschnitt 1.1 vorbereitet. Für 30 µm Schichtdicke, drehen sich mit 600 u/min für 30 s.
    Hinweis: Bei Verwendung eine andere SMP-Formulierung der Schleuderdrehzahl und Zeit abhängig von der Viskosität der Polymerlösung variieren.
  3. Übertragen Sie Polymerfolien auf das Trägersubstrat sofort nach Spinnen die Vernetzung Kammer. Foto-polymerisieren die Filme für 60 min unter 365 nm UV Lampen und Post-Heilung für 24 h in einem Vakuumofen bei 120 ° C weiter vervollständigen die Konvertierung.
  4. Rechteckige Proben mit einer Breite von 4,5 mm und Längen von 50 mm für die DMA-Prüfung geschnitten Sie der ausgehärteten Polymerfolien. Dicken variieren von 5 bis 50 µm. Die Proben können in Messgeometrie zwei verschiedene Methoden (Wählen Sie Schritt 1.4.1 oder 1.4.2) gebracht werden.
    1. Schneiden Sie die ausgehärteten Polymerfolien in Rechtecke mit einem CO2 Laser. Der CO2 Laser Mikrobearbeitung Parameter einstellen, um 5,0 % (2,0 W) und 10,0 % Geschwindigkeit (0.254 m/s) (Abb. 3A).
    2. Definieren Sie die DMA-Proben unter Verwendung Photolithographie in einem Reinraum Klasse 10000 (Abb. 3 b). Verwenden Sie die SMP-auf-Glas oder Wafer Substrate als Ausgangspunkt Substrate im Reinraum.
      1. Hinterlegen Sie Niedertemperatur Siliziumnitrid als harte Maske für die folgenden Plasma Ätzprozesse handeln. Das Gerät/Umrissform mit standard Lithographie-Techniken-Muster. Verwenden Sie eine Plasma-Radierer mit SF6 und O2 Plasma um harte Maske und SMP-Schicht, bzw. entfernen.
      2. Nachdem die SMP-Schicht Plasma auf die Glas-Folie/Wafer geätzt ist, Ätzen Sie verbleibende Silizium-Nitrid schwer Maske entfernt in verdünnten 10:1 HF Bad.
  5. Delaminieren Sie die Testgeräte aus dem Glas Folie/Wafer durch Einweichen in entionisiertem Wasser als letzten Schritt.

2. Maschine einrichten

  1. Verwenden Sie eine dynamische mechanische Analysator (DMA) mit einem eintauchen. Rüsten der Maschine mit der Immersion-Vorrichtung im Spannung-Modus (Abbildung 1). Verbinden Sie den flüssigen Stickstoff mit der Maschine und ermöglichen Sie LN2/Luft als ein Gas-Quelle für den Ofen zu.
  2. Schreiben Sie die Methode für Trockenmessungen mit der Computer-Software, unter anderem die folgenden drei Schritte: Klimaanlage, Oszillation Temperaturrampe und Klimaanlage Ende des Tests, dann richten Sie die Parameter wie folgt:
    1. Legen Sie die folgenden Parameter für die Klimaanlage-Optionen: Modus = aktiv, wählen Sie "Spannung", axiale Kraft = 0,05 N, eingestellten Anfangswert auf "on", Empfindlichkeit = 0.0 N, proportionale Kraft Modus = Force tracking Modul kompensieren = ein, wählen Sie "axiale Kraft" und legen Sie dann dynamische Kraft auf 25,0 %, minimale axiale Kraft = 0,05 N, programmiert Verlängerung unter 0,0 Pa, Modus aktiviert, Belastung anpassen = 0,05 %, minimale Belastung = 0,1 %, max. Dehnung = 0,5 %, minimale Kraft = 0,05 N, Maximalkraft = 0,2 N.
    2. Die folgenden Parameter für die Oszillation Temperaturrampe: Starttemperatur = 10 ° C Erben Sollwert = einweichen Ausschaltzeit = 0.0 s, warten auf Temperatur auf Rampe Rate = = 2,0 ° C/min, Endtemperatur = 100 ° C Einweichen Zeit nach Rampe = 0.0 s, Sampling-Rate = 1 Pts/s, gerader n % = 0,275 %, Einzelpunkt, Frequenz = 1 Hz.
    3. Die folgenden Parameter für die Klimaanlage Ende des Test: Umweltkontrolle = off, axiale Krafteinstellung =,-Modus deaktiviert, Wandler/Motor = aus.
  3. Schreiben Sie die Methode für die Immersion Tests mit der Maschinensoftware, die unter anderem die folgenden vier Schritte: Klimaanlage, Schwingung-Zeit, Schwingung-Temperatur-Rampe und Klimaanlage-Ende des Tests, dann richten Sie die Parameter wie folgt:
    1. Legen Sie die folgenden Parameter für die Klimaanlage-Optionen: Modus = aktiv, wählen Sie "Spannung", axiale Kraft = 0,05 N, eingestellten Anfangswert auf "on", Empfindlichkeit = 0.0 N, proportionale Kraft Modus = Force tracking Modul kompensieren = ein, wählen Sie "axiale Kraft" und legen Sie dynamische Kraft auf 25,0 %, minimale axiale Kraft = 0,05 N, programmiert Verlängerung unter 0,0 Pa, Modus aktiviert, Belastung anpassen = 0,05 %, minimale Belastung = 0,1 %, max. Dehnung = 0,5 %, minimale Kraft = 0,05 N, Maximalkraft = 0,2 N.
    2. Legen Sie folgende Parameter für die Oszillation Zeit: Temperatur = 39,5 ° C Erben Sollwert = einweichen Ausschaltzeit = 0.0 s, warten auf Temperatur = off, Dauer = 3600.0 s, Sampling-Rate = 1 Pts/s, Stamm % = 0,275 %, Einzelpunkt, Frequenz = 1 Hz.
    3. Die folgenden Parameter für die Oszillation Temperaturrampe: Starttemperatur = 10 ° C Erben Sollwert = einweichen Ausschaltzeit = 300,0 s, warten auf Temperatur = off Ramp-Rate = 2,0 ° C/min, Endtemperatur = 85 ° C Einweichen Zeit nach Rampe = 300,0 s, Sampling-Rate = 1 Pts/s, s trainieren % = 0,275 %, Einzelpunkt, Frequenz = 1 Hz.
    4. Die folgenden Parameter für die Klimaanlage Ende des Test: Umweltkontrolle = off, axiale Krafteinstellung =,-Modus deaktiviert, Wandler/Motor = aus.

3. Probieren Sie be- und Entladen bei Trockenmessungen

  1. Die tatsächliche Dicke der Probe Polymer zu Testzwecken trocken (in Luft) mit Zange mit 0,001 mm Genauigkeit zu messen.
  2. Probenname, Beschreibung und Probengeometrie in die Software eingeben.
  3. Stellen Sie der Laden-Abstand bis 15 mm ein und laden Sie die Probe. Achten Sie darauf, zentrieren und Probe ausrichten, bevor die Klemmen geschraubt sind eng mit der hand oder verwenden Sie einen Drehmomentschlüssel mit 0,1 N (Abbildung 3).
  4. Schließen Sie den Ofen und starten Sie die Messung mit Hilfe der in Abschnitt 2.2 beschriebenen Methoden.
  5. Warten Sie, bis die Messung beendet ist. Öffnen Sie den Ofen und entfernen Sie die Polymer-Probe von der Maschine.

4. Probe be- und Entladen zu Testzwecken eintauchen

  1. Messen Sie die tatsächliche Dicke der Polymer-Probe für das Eintauchen in PBS mit Bremssattel mit 0,001 mm Präzision testen.
  2. Probenname, Beschreibung und Probengeometrie in die Software eingeben.
  3. Bereiten Sie das Setup mit den eintauchen-Becher mit einer Klammer am oberen Griff (Abbildung 4AB) behoben.
  4. Stellen Sie der Laden-Abstand bis 15 mm ein und laden Sie das Beispiel (Abbildung 4). Achten Sie darauf, zentrieren und Ausrichten der Probe (Abbildung 5), bevor die Klemmen geschraubt sind eng mit der hand oder verwenden Sie einen Drehmomentschlüssel mit 0,1 N.
  5. Die untere Befestigung der Tauchbad aufsetzen und Schrauben Sie ihn fest (Abbildung 4). Füllen Sie die Badewanne mit RT PBS (Abb. 4E), setzen Sie den Deckel an der Spitze (Abb. 4F), in der Nähe des Ofens (Abbildung 4), und starten Sie die Messung sofort mit der in Abschnitt 2.3 beschriebenen Methoden. Sicherzustellen, dass der Abfluss geschlossen ist (Abbildung 4 H).
  6. Warten Sie, bis die Messung beendet ist. Die Tauchbädern mit den Abfluss herausnehmen Sie der PBS. Öffnen Sie des Ofens, entfernen Sie den Deckel aus dem Becherglas, Schrauben Sie das Becherglas eintauchen, heben Sie ihn und entfernen Sie die Polymer-Probe von der Maschine.
  7. Reinigen Sie die Klemmen und Immersion Becher mit de-gebügelte Wasser, alle restlichen Salz von den PBS zu entfernen.

5. Messungen

  1. Messen Sie das Polymer in Luft, ohne den Becher eintauchen. Folgen Sie den Anweisungen für Probe be- und entladen, wie in Abschnitt 3 beschrieben. Wiederholen Sie diese Messung mindestens 3 X Ergebnisse mit statistischer Relevanz zu sammeln.
  2. Messen Sie das Polymer in das Tauchbad nach den Schritten im Abschnitt 4 beschrieben. Wiederholen Sie die Messung mindestens 3 X Ergebnisse mit statistischer Relevanz zu sammeln.

6. die Dateninterpretation

  1. Öffnen Sie die Registerkarte " Ergebnisse " in der Computer-Software, wo die raw-Daten in einem Tabellenformat angezeigt oder als ein Diagramm geplottet werden können.
  2. Zeichnen Sie den ersten Teil der Immersion Messung, die Oszillation-Zeitmessung als Speicher-Modul im Laufe der Zeit, die Erweichung Kinetik zu bewerten. Die Kurve zeigt, wie schnell der Elastizitätsmodul des Polymers verringert sich im Laufe der Zeit zwar in PBS eingetaucht.
  3. Notieren Sie die Zeit, an der der Modulus heraus Ebenen. Dies ist die Zeit für die Erweichung unter physiologischen Bedingungen.
  4. Wenn das Polymer nicht vollständig nach der eingestellten Tauchzeit von 1 h aufgeweicht ist, wiederholen Sie die Messung mit erhöhten Tauchzeit.
  5. Zeigen die Oszillation-Temperatur-Rampen der Messungen in Luft und PBS als Speicher-Modul auf der linken Achse und Tan Delta an der rechten Achse Übertemperatur, Anzeigen der thermomechanischen Eigenschaften des Polymers vor (trocken) und nach (in PBS) eine Plastifizierung .
  6. Die Daten für die trockene (Luft) des Grundstückes und PBS Messungen zusammen, um besser die Änderungen in thermomechanischen Eigenschaften durch eine Plastifizierung anzeigen.
  7. Beachten Sie des Speicher-Moduls des Trockengutes bei 25 ° C und die eingeweichten Probe bei 37 ° C, da diese relevanten Zahlen für die Bewertung, wie viel das Polymer während der Implantation weich wird.
  8. Beachten Sie die Änderungen in Tan Delta-Peak zwischen trocken und nass Proben.
  9. Exportieren Sie die Daten als txt oder CSV-Datei für weitere Interpretation der Daten und Plotten mit anderer Software.

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Ergebnisse

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Die Verwendung von ökologischen DMA ermöglicht die Analyse der Erweichung Kinetik und Erweichung Gesamtpotential von Polymeren. Mittels des Temperatur-Zeit-messen-Modus des Protokolls können die Erweichung Profile der verschiedenen Polymer Formulierungen miteinander (Abbildung 6) verglichen werden. Diese Methode kann auch verwendet werden, zu quantifizieren, Erweichung und Schwellungen Preise von Polymeren. Es ist in Abbildung 4 ...

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Diskussion

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Die Verwendung von ökologischen DMA ermöglicht die Untersuchung des Verhaltens von verschiedenen Polymeren verwendet als Substrate für neuronale Implantate19 oder andere biomedizinische Geräte in Lösung und die Bedingungen, in Vivo zu imitieren. Dies beinhaltet, aber beschränkt sich nicht auf Polyimid, Parylene-C, PDMS und SU-8. Hydrogele und extrazelluläre Matrix (ECM) Materialien können auch mit dieser Methode untersucht werden. Die Unterschiede der allgemeine Aufweichung des Polymers s...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessenkonflikte.

Danksagungen

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Die Autoren möchten Dr. Taylor Ware dafür danken, dass wir seine Umwelt DMA verwenden.

Diese Arbeit wurde durch das Büro des Assistant Secretary Of Defense for Health Affairs durch das Peer überprüft medizinische Forschungsprogramm [W81XWH-15-1-0607] unterstützt. Meinungen, Interpretationen, Schlussfolgerungen und Empfehlungen sind diejenigen der Autoren und nicht unbedingt durch das Department of Defense gebilligt.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
1,3,5-Triallyl-1,3,5-triazin-2,4,6(1H,3H,5H)-trion (TATATO)Sigma-Aldrich114235-100G
2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon (DMPA)Sigma-Aldrich196118-50G
CO2-Laser Gravograph LS100Gravotech, Inc.
Corning Große Glas-Objektträger, 75 x 50 mmTed Pella26005
Environmental DMA: RSA-G2 FeststoffanalysatorTA Instruments
ESD-sichere Kunststoffpinzette, Spitzen; Flach, Entenschnabel, 11,5 cmCole PalmerEW-07387-17
Laurell WS-650-8B Spin CoaterLaurell Technologies Corporation
FlüssigstickstoffLuftgas
PBS, 1X Lösung, Fisher BioReagentsFisher ScientificBP243820
SHEL LAB VakuumschrankVWR International89409-484
Silikon WaferUniversität WaferMechanische Qualität
Das RSA-G2 ImmersionssystemTA Instruments
Trimethylolpropantris(3-mercaptopropionat) (TMTMP)Sigma-Aldrich381489-100ML
UVP CL-1000 Vernetzungskammer mit 365 nm GlühbirnenVWR International21474-598

Referenzen

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Dynamic Mechanical AnalysisEnvironmental DMAPolymer SofteningNeural ImplantsGlass Transition TemperaturePlasticization EffectImmersion TestingPBS SolutionThiol ene PolymerMechanical Testing

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