Umweltfreundliche kontrollierten Microtensile Testing von mechanisch-adaptive Polymer-Nanokomposite für Ex vivo Charakterisierung

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Änderung der Steifigkeit auf einer Nanokompositstruktur auf Polyvinyl-, Acetatbasis als Funktion der in das Gewebe implantierten Zeit zu quantifizieren. Dies wird erreicht, indem zunächst die Polymer-Nanokomposit-Proben strukturiert und auf Acrylhalterungen geklebt werden, um sie in das Gewebe einzuführen und mikromechanische Tests durchzuführen. Der zweite Schritt besteht darin, eine Mikrozugprüfumgebung vorzubereiten, um die physiologische Umgebung ex vivo unter Verwendung einer Feuchtigkeitsquelle und einer Strahlungswärmequelle nachzuahmen.

Anschließend wird die Implantatprobe in das Gewebe eingebracht und nach einer bestimmten Dauer entnommen. Der letzte Schritt besteht darin, die Probe in das umgebungskontrollierte Mikrozugprüfgerät zu laden und die mechanische Prüfung durchzuführen, um den Elastizitätsmodul des Materials nach der angegebenen Implantatdauer zu bestimmen. Letztendlich wird dieser umweltkontrollierte Mikrozugversuch verwendet, um die Änderungen der mechanischen Steifigkeit zu zeigen, die durch den Elastizitätsmodul als Funktion der Zeit gemessen werden, die der physiologischen Umgebung ausgesetzt ist.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden zur Messung variabler mechanischer Eigenschaften wie der dynamisch-mechanischen Analyse besteht darin, dass sie auf mikroskalige Proben angewendet und die Luftfeuchtigkeit und Temperatur kontrolliert werden kann. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich der neuronalen Schnittstellen zu beantworten, z. B. wie die Entzündungsreaktion auf ein Implantat durch die Steifigkeit des Implantatmaterials beeinflusst wird. Zuerst erhalten Sie eine Nanoverbundfolie auf Polyvinylacetatbasis mit einer Dicke von 25 bis 100 Mikrometern, die mit einer Lösungsguss- und Kompressionstechnik hergestellt wird.

Als nächstes kleben Sie die Folie auf einen Silikonwafer, indem Sie sie auf einer Heizplatte bei 70 Grad Celsius zwei Minuten lang erhitzen. Dies fördert den engen Kontakt zwischen der Folie und dem Wafer und stellt sicher, dass die Folie für die Mikrobearbeitung flach bleibt. Mittels Lasermikrom-Bearbeitung wird die Folie nun in die gewünschten Prüfmustergeometrien strukturiert.

Die Parameter für die direkte rechte Laser-Mikrobearbeitung sind auf eine Leistung von 0,5 Watt, eine Geschwindigkeit von 56 Millimetern pro Sekunde und 1000 Impulse pro Zoll eingestellt. Die Proben, die zur Ermittlung der Umgebungsbedingungen verwendet werden, werden als Setup-Proben in knochenförmige Strukturen mit seitlichen Ballenabmessungen von 1,5 Millimetern x 1,5 Millimetern und lateralen Strahlabmessungen von 300 Mikrometern x 3000 Mikrometern bezeichnet. Die Dicke entspricht der des Films in der gesamten Maschine, die Proben für Ex-vivo-Experimente, die als Implantatproben bezeichnet werden, in Strahlen, 300 Mikrometer mal sechs Millimeter groß, mit einer Dicke, die der des Films entspricht.

Nachdem Sie den Wafer aus der Mikrobearbeitungseinrichtung genommen haben, verwenden Sie eine Rasierklinge und eine Pinzette, um die Proben vorsichtig vom Wafer zu lösen, um die Proben zu handhaben. Bereiten Sie Acrylhalter vor, die als Teil des Griffsystems im Mikrozugprüfgerät dienen sollen. In diesem Experiment ist jeder Halter 11 Millimeter mal sieben Millimeter groß, 2,2 Millimeter dick und hat zwei Löcher zum Ausrichten mit Schrauben im Mikrozugprüfgerät.

Lasergravierte Markierungen zeigten die Mittellinie des Halters 1,5 Millimeter vom Ende entfernt. Für jede Implantatprobe wird ein Acrylhalter benötigt, tragen Sie eine kleine Menge Klebstoff auf Basis von Sano Acrylgel auf die Mittellinie des Acrylhalters auf und kleben Sie vorsichtig eine Länge von 1,5 Millimetern der Implantatprobe auf den Halter, der die markierte Mittellinie überlappt. Achten Sie darauf, dass das Klebegel nur über die Länge von 1,5 Millimetern des auf Polyvinylacetat basierenden Nanokomposits verbleibt, das auf der Acrylhalterung haftet.

Beginnen Sie mit dem Laden einer trockenen Aufstellprobe in das Mikrozugprüfgerät. Zuerst zwischen den beweglichen Griffen klemmen, dann zwischen den festen Griffen eine Airbrush mit einem wassergefüllten Reservoir in eine feste Position bringen, wobei die Düse auf die Mikrozugprobe gerichtet ist. Verbinden Sie die Airbrush über einen Kunststoffschlauch mit einem Luftkompressor, wobei die Airbrush-Düse vollständig geschlossen ist.

Schalten Sie den Luftkompressor ein. Es wird mit dem zyklischen Mikrozugversuchsverfahren begonnen, bei dem abwechselnd Zugdehnung und Druckdehnung auf die Probe aufgebracht wird. Der Test sollte im linear-elastischen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms verbleiben.

In diesem Fall ist die aufgebrachte Dehnung auf weniger als 2% begrenztIn diesen Experimenten wurde die Dehnungsrate kontrolliert, während die erforderliche Kraft zum Erreichen dieser Dehnung gemessen wurde. Um die gewünschten Feuchtigkeitsbedingungen zu bestimmen, erhöhen Sie allmählich den Durchfluss aus der Airbrush-Düse und überwachen Sie die Steigung des Stresstrain-Diagramms in Abhängigkeit von der Strömungsmenge aus der Airbrush. Der maximale Durchfluss, der über einen Zeitraum von 60 Sekunden keine signifikante Verringerung des Elastizitätsmoduls verursacht, ist das Niveau, das für die Ex-vivo-Experimente verwendet wird. Messen Sie abschließend die Temperatur in der Nähe der Probe.

Ein ideales Setup würde ein Thermoelement mit digitaler Anzeige enthalten, und die Messungen würden durchgeführt, während die Airbrush in Betrieb ist. Stellen Sie die Intensität und den Abstand einer Strahlungswärmequelle so ein, dass die Probentemperatur auf 37 Grad Celsius gehalten wird, um den physiologischen Bedingungen zu entsprechen. Der Kontrollvergleich beginnt mit dem Eintauchen der Setup-Proben für mindestens 30 Minuten in phosphatgepufferte Kochsalzlösung oder PBS, damit sie auf ihren minimalen Elastizitätsmodul erweichen kann.

Laden Sie schnell eine Probe in das Mikrozugprüfgerät und beginnen Sie mit der zyklischen Mikrozugprüfung bei ausgeschalteter Airbrush, während die Probe unter Umgebungsbedingungen trocknet. Das aus diesen Daten ermittelte ModuLite von Young zeigt an, wie schnell die Probe unter unkontrollierten Bedingungen trocknet. Laden Sie als Nächstes ein zweites PBS-gesättigtes Setup. Probe in den Mikrotester und beginne zyklische Mikrozugprüfung mit der Airbrush hier, dem berechneten Young's Mod, ich werde angeben, wie schnell die Probe unter kontrollierten Feuchtigkeitsbedingungen trocknet.

Sichern Sie sich eine Probe des kortikalen Gewebes. In dieser Demonstration wird das explantierte Gewebe in einem Bad mit künstlicher zerebraler Rückenmarksflüssigkeit hydratisiert, das vor und während des Experiments bei 37 Grad Celsius gehalten wird. Befestigen Sie anschließend eine Implantatprobe auf ihrem Halter an einer Mikromanipulatorklemme.

Positionieren Sie die Sonde so, dass sie orthogonal zum kortikalen Gewebe ist. Senken Sie die Polymerprobe mit dem Mikrom-Manipulator in den Kortex ab. Handsteuerung.

Lassen Sie die Probe im kortikalen Gewebe, bis die angestrebte Implantationszeit zwischen einer und 30 Minuten abgelaufen ist. Treffen Sie Vorkehrungen gegen das Austrocknen des Gewebes während dieser Zeit, während die Sonde in die Hirnrinde implantiert wird. Bereiten Sie das Mikrozugprüfgerät vor, indem Sie den trockenen Stab auf die Nullposition von drei Millimetern von der stationären Klemme einstellen.

Stellen Sie auch die Durchflusseinstellung der Airbrush-Düse und die Einstellung der Strahlungswärmequelle auf die zuvor festgelegten Werte ein. Heben Sie am Ende der angegebenen Implantatzeit die Sonde sofort mit den Handsteuerungen des Mikrom-Manipulators aus dem Kortex und entfernen Sie die Probe vorsichtig aus der Mikrom-Manipulatorklemme und bringen Sie sie zum Mikrozugprüfgerät, um innerhalb von zwei Minuten sofort nach der Erklärung mit der Prüfung zu beginnen, laden Sie die Probe zwischen die beiden Sätze von Mikrozugprüferklemmen. Da der Probenhalter als obere Hälfte einer Klemme dient, platzieren Sie die Probenanordnung des Implantats auf dem beweglichen Probengriff mit der Probenseite nach unten.

Die Probe muss in der Mitte jeder Klemme montiert werden, und die Klemmen müssen zueinander waagerecht sein. Dadurch wird sichergestellt, dass die Dehnung nur über die gesamte Länge der Sonde aufgebracht wird. Stellen Sie nun die Probenposition so ein, dass der Abstand zwischen den Klemmen drei Millimeter beträgt und das Ende der Sonde in die feste Klemme eingesetzt wird.

Die drei Millimeter Länge zwischen den Klemmen ist die Messlänge der Probe, die in späteren Berechnungen verwendet werden soll. Unmittelbar nachdem Sie die Probe zwischen beiden Klemmen gesichert haben und innerhalb von zwei Minuten nach der Erklärung aus dem Nervengewebe, aktivieren Sie den Motor in Zugrichtung, um die Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit zu verlängern. Die Rate liegt hier bei 10 Mikrometern pro Sekunde.

Messen und erfassen Sie gleichzeitig die Dehnung der Probe und die damit verbundene Kraft, die zur Dehnung der Probe erforderlich ist. Der Mikrozugversuch wird bei mechanischem Versagen der Probe oder bei Erreichen des Trockenstabbereichs unterbrochen. Exportieren Sie die gesammelten Daten zur Analyse.

Wiederholen Sie den Mikrozugversuch für jede Probe und/oder Implantationsbedingung. Zeichnen Sie die Spannungs-Dehnungs-Kurve für jede Probe mit Hilfe der Software. Isolieren Sie als Nächstes den linearen elastischen Teil des Diagramms.

Der isolierte Teil des Diagramms sollte mindestens 10 Punkte umfassen und aus dem Abschnitt des Diagramms entnommen werden, in dem die Steigung am größten ist. Verwenden Sie nun softwarebasierte Kurvenanpassungswerkzeuge, um die am besten passende Linie für diesen Abschnitt zu finden. Die Steigung der Best-Fit-Linie entspricht dem Elastizitätsmodul der Probe.

Bestimmen Sie für die Setup-Samples, die im zyklischen Modus getestet wurden, den Elastizitätsmodul für jeden Zyklus. Sobald dies erledigt ist, stellen Sie den Elastizitätsmodul jedes Zyklus über die Zeit dar. In diesem Diagramm wurde der Elastizitätsmodul als Funktion der Zeit gewählt, die während zyklischer Zugtests gemessen wurde, um die richtigen Airbrush-Einstellungen für die Steuerung der Umgebung zu bestimmen.

Der schattierte Bereich ist die Zeit, in der die Airbrush mit den verwendeten Airbrush-Einstellungen eingeschaltet wurde. Der Elastizitätsmodul ändert sich im Laufe der Zeit nicht wesentlich. Dies deutet darauf hin, dass die Menge an Wasser, die von der Setup-Probe aus der Airbrush aufgenommen wird, nicht ausreicht, um zu einer Verringerung der Steifigkeit beizutragen.

Hier ist der Elastizitätsmodul gegenüber Thymian für wassergesättigte Proben sowohl in feuchtigkeitskontrollierten als auch in unkontrollierten Zugprüfumgebungen. Die Wiederherstellung des anfänglichen Elastizitätsmoduls ist in der kontrollierten Umgebung viel langsamer. Dies zeigt die Verlängerung der Zeit, die zum Trocknen der Probe benötigt wird. In dieser Umgebung kann diese zusätzliche Zeit genutzt werden, um mechanische Tests an implantierten Proben durchzuführen.

Dies sind repräsentative Diagramme, die die Stresszugkurven für eine trockene Probe und eine feuchte Probe zeigen, die 30 Minuten lang in eine Rattenrinde implantiert wurde. Der Elastizitätsmodul, der der Steigung des Spannungszugdiagramms im linearen elastischen Bereich entspricht, ist für die trockene Probe deutlich größer. Beide Proben wurden zum Einbruch abgeseiht.

Dieses letzte Diagramm zeigt den Elastizitätsmodul im Vergleich zur Implantatdauer für die Proben, die in der Hirnrinde platziert wurden. Nach etwa fünf Minuten nach der Implantation zeigt die Probe eine geringe Veränderung des Elastizitätsmoduls. Dies deutet darauf hin, dass die Probe innerhalb dieses Zeitraums eine Sättigung und minimale Steifigkeit erreicht.

Beim Versuch dieses Verfahrens ist es wichtig, im Voraus zu planen, um sicherzustellen, dass die physiologischen Bedingungen sowohl im Gewebe als auch in der Ex-vivo-Testumgebung aufrechterhalten werden können. Diese Methode kann verwendet werden, um das mechanische Verhalten anderer Materialien mit umweltabhängigen Eigenschaften, einschließlich biologisch abbaubarer Materialien, zu beurteilen, und kann durchgeführt werden, um die Abbaurate oder mechanische Stabilität von polymeren Materialien in vivo zu bewerten.