Umweltfreundliche kontrollierten Microtensile Testing von mechanisch-adaptive Polymer-Nanokomposite für

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Änderung der Steifigkeit einer auf Polyvinylacetat basierenden nanokompositen Struktur in Abhängigkeit von der Zeit zu quantifizieren, während sie im Gewebe implantiert ist. Dies wird erreicht, indem zunächst die polymeren Nanokompositproben strukturiert und auf Acrylhaltern befestigt werden, um sie in das Gewebe einzubringen und mikromechanischen Tests zu unterziehen. Der zweite Schritt besteht darin, eine Umgebung für einen Mikrozugprüfstand vorzubereiten, um unter ex vivo-Bedingungen mittels einer Feuchtigkeitsquelle und einer Strahlungswärmequelle das physiologische Milieu nachzuahmen.

Anschließend wird die Implantatprobe in das Gewebe eingesetzt und nach einer festgelegten Zeitspanne wieder entnommen. Der letzte Schritt besteht darin, die Probe in den umgebungsgeregelten mikromechanischen Zugprüfapparat einzuspannen und die mechanische Prüfung durchzuführen, um den Elastizitätsmodul des Materials nach der festgelegten Implantatdauer zu bestimmen. Letztendlich dient diese umgebungsgeregelte mikromechanische Zugprüfung dazu, die zeitabhängigen Änderungen der mechanischen Steifigkeit als Funktion der Exposition gegenüber dem physiologischen Milieu aufzuzeigen, gemessen durch den Elastizitätsmodul.

Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zu bestehenden Methoden zur Messung variabler mechanischer Eigenschaften wie der dynamischen mechanischen Analyse liegt darin, dass sie auf mikroskaligen Proben angewendet werden kann und dass Feuchtigkeit und Temperatur gesteuert werden können. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der neuralen Schnittstellen zu beantworten, beispielsweise, wie die entzündliche Reaktion auf ein Implantat von der Steifheit des Implantatmaterials beeinflusst wird. Zunächst wird ein auf Polyvinylacetat basierender nanokompositer Film mit einer Dicke von 25 bis 100 µm, der mittels Gieß- und Kompressionstechnik hergestellt wurde, beschafft.

Als Nächstes befestigen Sie den Film an einem Silikonwafer, indem Sie ihn zwei Minuten lang auf einer Heizplatte bei 70 Grad Celsius erhitzen. Dies fördert einen engen Kontakt zwischen Film und Wafer und stellt sicher, dass der Film während der Mikrobearbeitung flach bleibt. Verwenden Sie nun die Laser-Mikrobearbeitung, um den Film in die gewünschten Geometrien der Testproben zu strukturieren.

Die Parameter für die direkte rechte Laser-Mikrobearbeitung werden auf eine Leistung von 0,5 Watt, eine Geschwindigkeit von 56 Millimetern pro Sekunde und 1000 Impulse pro Zoll eingestellt. Die Proben, die zur Etablierung der Umgebungsbedingungen verwendet werden, sogenannte Setup-Proben, werden in hundeknochenförmige Strukturen mit seitlichen Auflageflächen von 1,5 Millimetern mal 1,5 Millimetern und seitlichen Balkenabmessungen von 300 Mikrometern mal 3000 Mikrometern geformt. Die Dicke entspricht der des Films. Die Proben für die Ex-vivo-Experimente, sogenannte Implantatproben, werden als Balken mit Abmessungen von 300 Mikrometern mal sechs Millimetern und einer Dicke, die der des Films entspricht, maschinell bearbeitet.

Nachdem der Wafer aus der Mikro-Bearbeitungsanlage entfernt wurde, verwenden Sie ein Rasiermesser und eine Pinzette, um die Proben vorsichtig vom Wafer zu lösen, um die Proben handhaben zu können. Bereiten Sie Acrylhalter vor, die als Teil des Haltesystems im Mikrozugprüfgerät dienen sollen. In diesem Experiment hat jeder Halter eine Größe von 11 Millimetern mal sieben Millimetern bei einer Dicke von 2,2 Millimetern und weist zwei Löcher auf, die zur Ausrichtung mit Schrauben im Mikrozugprüfgerät dienen.

Mit Laser eingebrachte Markierungen zeigen die Mittellinie des Halters 1,5 Millimeter vom Ende entfernt an. Jede Implantatprobe benötigt einen Acrylhalter. Geben Sie eine kleine Menge Sano-Acryl-Klebgele auf die Mittellinie des Acrylhalters und befestigen Sie vorsichtig ein 1,5 Millimeter langes Stück der Implantatprobe so am Halter, dass es die markierte Mittellinie überlappt. Achten Sie darauf, dass das Klebgel nur entlang der 1,5 Millimeter langen Strecke des auf Polyvinylacetat basierenden Nanokomposits verbleibt, das am Acrylhalter befestigt wird.

Beginnen Sie damit, eine trockene Probekonfiguration in den Mikrozugprüfstand einzulegen. Zuerst wird zwischen den beweglichen, dann zwischen den festen Backen befestigt. Montieren Sie einen Airbrush mit einem Wasser gefüllten Reservoir in einer festen Position, sodass die Düse auf die mikromechanische Probe gerichtet ist. Schließen Sie den Airbrush über einen Kunststoffschlauch an einen Luftkompressor an, wobei die Airbrush-Düse vollständig geschlossen ist.

Schalten Sie den Luftkompressor ein. Beginnen Sie das zyklische Mikrozugversuch-Verfahren, bei dem abwechselnd Zug- und Druckdehnung auf die Probe ausgeübt werden. Der Test sollte im linearen elastischen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms verbleiben.

In diesem Fall ist die aufgebrachte Dehnung auf weniger als 2 % begrenzt. Bei diesen Experimenten wurde die Dehnungsrate gesteuert, während die erforderliche Kraft zur Erreichung dieser Dehnung gemessen wurde. Um die gewünschten Feuchtigkeitsbedingungen einzustellen, erhöhen Sie schrittweise den Durchfluss aus der Luftdruckdose und überwachen Sie die Steigung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms in Abhängigkeit von der Durchflussmenge der Luftdruckdose. Der maximale Durchfluss, der innerhalb von 60 Sekunden keine signifikante Verringerung des Elastizitätsmoduls verursacht, wird für die Ex-vivo-Experimente verwendet. Messen Sie abschließend die Temperatur in der Nähe der Probe.

Eine ideale Versuchsanordnung umfasst ein Thermoelement mit digitaler Anzeige, und die Messungen werden durchgeführt, während die Airbrush in Betrieb ist. Stellen Sie Intensität und Abstand einer Strahlungswärmequelle so ein, dass die Probenoberfläche bei 37 Grad Celsius gehalten wird, um physiologischen Bedingungen zu entsprechen. Der kontrollierte Vergleich beginnt damit, dass die Proben der Versuchsanordnung mindestens 30 Minuten lang in phosphatgepufferter Kochsalzlösung oder PBS (phosphate buffered saline) eingetaucht werden, um eine Weichzeichnung bis zum minimalen Youngschen E-Modul zu ermöglichen.

Laden Sie eine Probe schnell in den Mikrozugprüfgerät ein und beginnen Sie mit der zyklischen mikromechanischen Zugprüfung, während die Probe unter Umgebungsbedingungen trocknet und der Airbrush ausgeschaltet ist; das aus diesen Daten ermittelte Young'sche Modul gibt an, wie schnell die Probe unter nicht kontrollierten Bedingungen trocknet. Laden Sie anschließend eine zweite, mit PBS gesättigte Probe in den Mikrotester ein und beginnen Sie die zyklische mikromechanische Zugprüfung mit eingeschaltetem Airbrush; das berechnete Young'sche Modul gibt dann an, wie schnell die Probe unter kontrollierten Feuchtigkeitsbedingungen trocknet.

Befestigen Sie eine Probe von kortikalem Gewebe. In dieser Demonstration wird das entnommene Gewebe vor und während des gesamten Experiments in einem Bad aus künstlichem zerebrospinalen Flüssigkeit, das bei 37 Grad Celsius gehalten wird, feucht gehalten. Befestigen Sie anschließend eine Implantatprobe mit ihrem Halter an einer Mikromanipulator-Klammer.

Positionieren Sie die Sonde so, dass sie senkrecht zum kortikalen Gewebe steht. Senken Sie die Polymerprobe mithilfe des Mikromanipulators in die Hirnrinde ab. Handsteuerung.

Lassen Sie die Probe im kortikalen Gewebe, bis die vorgesehene Implantationszeit zwischen einer und 30 Minuten verstrichen ist. Verhindern Sie, dass das Gewebe während dieser Zeit austrocknet, während die Sonde im Kortex implantiert ist. Bereiten Sie den Mikrozugtester vor, indem Sie die Trockenstange auf die Nullposition der Verschiebung von drei Millimetern vom feststehenden Klemmblock einstellen.

Stellen Sie außerdem die Luftstift-Düsenstrom-Einstellung und die Leistungseinstellung der Strahlungswärmequelle auf die zuvor bestimmten Werte ein. Am Ende der vorgegebenen Implantationszeit heben Sie die Sonde mithilfe der Handsteuerung des Mikromanipulators unverzüglich aus der Hirnrinde und entfernen Sie die Probe vorsichtig aus der Klemme des Mikromanipulators. Bringen Sie die Probe anschließend innerhalb von zwei Minuten unmittelbar nach der Entnahme zum Mikrozugprüfgerät und laden Sie sie zwischen den beiden Sätze von Klemmen des Mikrozugprüfgeräts ein. Da die Probenhalterung so konstruiert ist, dass sie als obere Hälfte einer Klemme dient, platzieren Sie die Implantatprobenanordnung mit der Probenseite nach unten auf der beweglichen Griffseite.

Die Probe muss in der Mitte jedes Klemmbügels befestigt werden, und die Klemmbügel müssen zueinander ausgerichtet sein. Dies gewährleistet, dass die Dehnung ausschließlich entlang der Länge der Sonde aufgebracht wird. Stellen Sie nun die Position der Probe so ein, dass der Abstand zwischen den Klemmbügeln drei Millimeter beträgt und das Ende der Sonde in der feststehenden Klemme platziert ist.

Die drei Millimeter lange Strecke zwischen den Klemmen stellt die Messlänge der Probe dar, die in späteren Berechnungen verwendet wird. Unmittelbar nachdem die Probe zwischen beiden Klemmen befestigt wurde und innerhalb von zwei Minuten nach der Entnahme aus dem Nervengewebe, aktivieren Sie den Motor in Zugrichtung, um die Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit zu dehnen. Die Geschwindigkeit beträgt hier 10 Mikrometer pro Sekunde.

Messen und dokumentieren Sie gleichzeitig die Verlängerung der Probe und die dafür erforderliche Kraft, um die Probe zu belasten. Stoppen Sie den Mikrozugversuch nach dem mechanischen Versagen der Probe oder wenn der Bereich des trockenen Stabs erreicht ist. Exportieren Sie die gesammelten Daten zur Analyse.

Wiederholen Sie die Mikrozugversuche für jede Probe und/oder Implantationsbedingung. Zeichnen Sie die Spannungs-Dehnungs-Kurve für jede Probe mithilfe einer Software. Isolieren Sie anschließend den linear-elastischen Bereich der Kurve.

Der isolierte Abschnitt des Diagramms sollte mindestens 10 Punkte umfassen und aus dem Bereich des Diagramms stammen, in dem die Steigung am größten ist. Verwenden Sie nun softwarebasierte Werkzeuge zur Kurvenanpassung, um die bestmögliche Ausgleichsgerade für diesen Bereich zu ermitteln. Die Steigung dieser Ausgleichsgeraden entspricht dem E-Modul der Probe.

Bestimmen Sie für die Prüfproben, die im zyklischen Modus getestet wurden, das Youngsche Elastizitätsmodul für jeden Zyklus. Tragen Sie danach das Youngsche Elastizitätsmodul jedes Zyklus in Abhängigkeit von der Zeit auf. In diesem Diagramm wurde das Youngsche Elastizitätsmodul als Funktion der Zeit gewählt, wie sie während zyklischer Zugversuche gemessen wurde, um die geeigneten Airbrush-Einstellungen zur Kontrolle der Umgebung zu ermitteln.

Der schattierte Bereich zeigt die Zeit an, während der die Airbrush bei den verwendeten Einstellungen eingeschaltet war. Der Elastizitätsmodul ändert sich über die Zeit nicht signifikant. Dies deutet darauf hin, dass die Menge an Wasser, die die Probenvorrichtung aus der Airbrush aufgenommen hat, nicht ausreicht, um zu einer Verringerung der Steifigkeit beizutragen.

Hier ist der Elastizitätsmodul in Abhängigkeit von der Zeit für wassergesättigte Proben in sowohl feuchtigkeitsgeregelten als auch nicht geregelten Zugprüfungsumgebungen. Die Wiederherstellung des anfänglichen Elastizitätsmoduls verläuft in der geregelten Umgebung deutlich langsamer. Dies verdeutlicht die Verlängerung der Zeit, die erforderlich ist, bis die Probe in dieser Umgebung trocknet. Diese zusätzliche Zeit kann genutzt werden, um mechanische Tests an implantierten Proben durchzuführen.

Dies sind repräsentative Diagramme, die die Spannungs-Dehnungs-Kurven für eine trockene Probe und eine feuchte Probe zeigen, die 30 Minuten lang im Rattenhirnkortex implantiert war. Der Elastizitätsmodul, der der Steigung der Spannungs-Dehnungs-Kurve im linear-elastischen Bereich entspricht, ist für die trockene Probe deutlich größer. Beide Proben wurden bis zum Bruch belastet.

Diese endgültige Darstellung zeigt den E-Modul in Abhängigkeit von der Implantationsdauer für die in der Hirnrinde platzierten Proben. Nach etwa fünf Minuten Implantationsdauer zeigt die Probe kaum eine Veränderung des E-Moduls. Dies deutet darauf hin, dass die Probe innerhalb dieses Zeitraums die Sättigung und minimale Steifigkeit erreicht.

Bei der Durchführung 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 umgebungsabhängigen Eigenschaften zu bewerten, einschließlich biologisch abbaubarer Materialien, sowie um die Abbaurate oder mechanische Stabilität polymerer Materialien in vivo zu untersuchen.