Test de microtension environnement contrôlé de nanocomposites polymères mécaniquement adaptatifs pour Ex vivo Caractérisation

Summary

Une méthode est décrite par lequel l' In vivo Comportement mécanique des matériaux réagissant à des stimuli est contrôlé en fonction du temps. Les échantillons sont testés Ex vivo L'aide d'un testeur microtension avec contrôle de l'environnement afin de simuler l'environnement physiologique. Ce travail favorise davantage la compréhension de l' In vivo Comportement de notre matériel.

Abstract

Microdevices implantables gagnent beaucoup d'attention pour plusieurs applications biomédicales ^1-4. De tels dispositifs ont été réalisés à partir d'une gamme de matériaux, chacune offrant ses propres avantages et inconvénients ^5,6. Le plus en évidence, en raison des dimensions de l'appareil microscopique, un module élevé est nécessaire pour faciliter l'implantation dans les tissus vivants. En revanche, la rigidité de l'appareil doit correspondre au tissu environnant pour minimiser souche locale induite par ^7-9. Par conséquent, nous avons récemment développé une nouvelle classe de matériaux bio-inspirés pour répondre à ces exigences en répondant à des stimuli de l'environnement avec une modification des propriétés mécaniques ^10-14. Plus précisément, notre nanocomposite (acétate de vinyle) à base de poly (acétate de polyvinyle-NC) affiche une diminution de la rigidité lorsqu'il est exposé à l'eau et aux températures élevées (par exemple la température du corps). Malheureusement, peu de méthodes existent pour quantifier la rigidité des matériaux in vivo ¹⁵ et mechtest anical dehors de l'environnement physiologique nécessite souvent de grands échantillons inapproprié pour l'implantation. En outre, les matériaux stimuli-sensibles peuvent récupérer rapidement leur rigidité initiale après explantation. Par conséquent, nous avons développé une méthode par laquelle les propriétés mécaniques des micro-échantillons implantés peuvent être mesurés ex vivo, avec des conditions physiologiques simulées maintenu en utilisant l'humidité et de la température ^13,16,17.

À cette fin, un testeur de microtension personnalisé a été conçu pour accueillir des échantillons micrométriques avec ^13,17 largement varier modules de Young (gamme de 10 MPa à 5 GPa). Comme nos intérêts dans l'application de PVAc-NC en tant que substrat de sonde neurale biologiquement adaptable, un outil capable de caractérisation mécanique des échantillons à l'échelle microscopique était nécessaire. Cet outil est adapté pour fournir l'humidité et de la température, ce qui réduit au minimum l'échantillon de séchage et de refroidissement ^17. En conséquence, le mécanicienal caractéristiques de l'échantillon explanté reflètent étroitement celles de l'échantillon juste avant explantation.

L'objectif global de cette méthode est d'évaluer quantitativement l'en propriétés mécaniques in vivo, en particulier le module d'Young, de matériaux, mécanique adaptatif à base de polymères stimuli-réponse. Ceci est accompli en établissant d'abord les conditions environnementales qui permettront de réduire un changement dans l'échantillon propriétés mécaniques après explantation sans contribuer à une réduction de la rigidité indépendant de celui résultant de l'implantation. Les échantillons sont ensuite préparés pour l'implantation, la manipulation et l'essai (figure 1A). Chaque échantillon est implanté dans le cortex cérébral de rats, qui est représenté ici comme un cerveau de rat explanté, pour une durée déterminée (figure 1B). À ce stade, l'échantillon est explanté et immédiatement chargé dans le testeur microtension, puis soumis à des essais de traction (Figure1C). Analyse ultérieure des données permet de mieux comprendre le comportement mécanique de ces matériaux innovants dans l'environnement du cortex cérébral.

Protocol

1. Préparation des échantillons

1. Préparer PVAc-NC film d'une épaisseur dans la plage de 25 à 100 um à l'aide d'une pièce coulée en solution et de technique de compression ^{de 10 à 12.}
2. Coller le film à une tranche de silicium en chauffant sur une plaque chaude pendant deux minutes à 70 ° C (au-dessus de la température de transition vitreuse) à promouvoir le contact intime entre le film et la plaquette. Cette étape permet de s'assurer que la feuille préparée reste plat et fixe à la tranche de Si, ce qui est nécessaire pour le processus de micro-usinage planes.
3. Motif du film dans l'échantillon tester des géométries par laser micro-usinage (VLS 3.50, VersaLASER). Régler les ₂ paramètres de micro-usinage laser directe écriture CO à 1,0% de la puissance (0,5 W), la vitesse de 4,0% (56 mm / s), et 1.000 impulsions par pouce ^13,16.
4. échantillons de motifs qui seront utilisés pour établir les conditions environnementales («échantillons de configuration") dans les structures dogbone en forme avec des dimensions de la tablette latérale de 1,5 x 1,5 mm ^2, et poutre latérale sombreensions 300 x 3000 um ^2, avec une épaisseur correspondant à celle du film dans son ensemble (figure 2).
5. Motif des échantillons pour les expériences ex vivo ("échantillon d'implant") dans les poutres 300 um x 6 mm, avec une épaisseur correspondant à celle du film.
6. Relâchez doucement les échantillons de la plaquette à l'aide d'une lame de rasoir et pince à épiler.
7. En cas de manipulation de l'échantillon, la préparation de supports acryliques mesure usinées destinées à servir dans le cadre du système de préhension dans le testeur microtraction. Marques gravées au laser indiquent la ligne médiane de la porte et de 1,5 mm de l'extrémité. Placer une petite quantité de colle cyanoacrylate en gel sur la ligne centrale du support et d'adhérer acrylique soigneusement une longueur de 1,5 mm de l'échantillon de l'implant à recouvrir le support et l'axe sensible (figure 3). Chaque échantillon d'implant nécessite un support acrylique. Soyez attentif à ce que le gel adhésif reste seulement le long de la longueur de 1,5 mm de PVAc-NC étant collé à la acrtitulaire ylic. Sinon, le gel adhésif peut interférer avec le comportement mécanique de l'échantillon.
8. Enlever l'humidité de tous les échantillons en les plaçant dans un dessiccateur pendant au moins 24 heures.
9. Mesurer la longueur, la largeur, et les dimensions d'épaisseur des échantillons à l'aide d'un microscope optique.

2. Établir les conditions environnementales

1. Charger un échantillon de configuration sec dans le testeur microtension (voir Figure 4), première de serrage entre les mâchoires mobiles, puis entre les poignées fixes.
2. Montage d'un pinceau à air avec un réservoir rempli d'eau, dans une position fixe, avec la buse dirigée vers l'échantillon microtraction. Raccorder le pinceau d'air pour un compresseur d'air par l'intermédiaire de tubes en plastique. Avec la buse de brosse d'air complètement fermé, activer le compresseur d'air.
3. Début de la procédure de test de microtension cyclique, alternant entre l'effort de traction (contrainte positive) et contrainte de compression (souche négative) appliquée à til l'échantillon, en restant dans le domaine élastique linéaire de l'intrigue contrainte-déformation. Pour PVAc-NC, la déformation appliquée est limitée à moins de 2%. Dans le testeur de microtension personnalisé utilisé dans ces expériences, la vitesse de déformation est contrôlée lorsque la force requise pour atteindre cette souche a été mesurée. Alternativement, une configuration différente pourrait impliquer contrôler la force appliquée tout en mesurant la déformation qui en résulte.
4. Augmenter progressivement le débit de la buse de brosse d'air, et à surveiller la pente de la courbe contrainte-déformation en fonction de la quantité d'écoulement d'air à partir de la brosse. Le débit maximal qui ne provoque pas une diminution importante (> 10%) dans le module de Young, sur une période de 60 secondes est au niveau qui sera utilisé pour les expériences ex vivo. À ce stade, les conditions d'humidité qui ne seront pas mouiller un échantillon sec (et contribuer ainsi à une réduction de module d'Young), et également de réduire l'assèchement après avoir été exposés à des liquides biologiques in vivo échantillon ont été established.
5. Mesurer la température près de l'échantillon. Une configuration idéale comprendrait un thermocouple avec affichage numérique et être appliquée alors que l'aérographe fonctionne. Régler l'intensité et la distance de la source de chaleur rayonnante de telle sorte que la température de l'échantillon est maintenu à 37 ° C, en fonction des conditions physiologiques.

3. Comparer contrôle de l'environnement pour le contrôle non environnementales

1. Échantillons de configuration Immerger pendant au moins 30 min dans un tampon phosphate salin. Après ce laps de temps, l'échantillon est totalement saturée et a été réduit à un module de son minimum jeune à une température donnée.
2. Charger rapidement un échantillon dans le testeur microtension et commencer les essais en microtension cyclique, avec le pinceau de l'air au large, tandis que l'échantillon sèche. Cela permettra de déterminer la rapidité avec laquelle échantillon sèche dans des conditions non contrôlées.
3. Charger un second échantillon de configuration PBS-saturée dans le testeur microtension, et commencer les essais en microtension cycliqueavec la lame d'air suite. Cela permettra de déterminer la rapidité avec laquelle échantillon sèche dans des conditions environnementales contrôlées.

4. Implantation de la sonde et explantation

1. Attacher échantillon de l'implant à une pince de micromanipulateur et la position orthogonale au tissu cortical.
2. Avant l'insertion, maintenir le tissu suffisamment humide avec une solution saline pour assurer l'homogénéité de la mécanique des tissus.
3. Abaisser l'échantillon de polymère dans le cortex à l'aide des commandes manuelles micromanipulateur. Laisser échantillon dans le tissu cortical jusqu'à ce que le temps de l'implant cible, généralement comprise entre 1 et 30 min. Pour empêcher le tissu de séchage pour les points de temps de 5 minutes, légèrement tamponner le tissu toutes les 5 min à l'aide d'un coton-tige imbibé de sérum physiologique.
4. Bien que la sonde est implantée dans le cortex, de préparer l'appareil de contrôle pour le chargement microtension l'échantillon a implanté en mettant la tige d'entraînement à la position zéro de déplacement de 3,0 mm à partir de la pince de l'échantillon fixe. Par ailleurs, réglez la buse d'air brushpour le réglage du débit et de la source de chaleur rayonnante pour déterminer une intensité correcte à l'étape 2.4.
5. A la fin du temps de l'implant déterminée, soulever la sonde du cortex à l'aide des commandes manuelles micromanipulateur. Immédiatement et soigneusement, retirer l'échantillon de la pince de micromanipulateur et charger dans le testeur microtension, comme décrit plus en détail à l'étape 5.2.

5. Test microtension des échantillons d'implants

1. Pour gagner du temps après explantation, assurez-vous que le testeur de microtension est complètement prêt à accepter l'échantillon de l'implant avant l'implantation, comme décrit dans l'étape 4.4.
2. Immédiatement après explantation, charger l'échantillon entre les deux ensembles de colliers de testeur microtension. Comme l'échantillon est monté sur un support en acrylique conçu pour servir la moitié supérieure d'une pince, placer l'ensemble de l'échantillon de l'implant sur la poignée, côté porte-échantillon mobile vers le bas. Il est important de s'assurer que l'échantillon est monté de telle sorte que la souche est applIED seulement le long de la longueur de la sonde afin d'éviter d'appliquer un couple à l'échantillon pendant le test. A ce titre, l'échantillon doit être monté au centre de chaque bride, et les pinces doivent être de niveau par rapport à l'autre.
3. Ajuster la position de l'échantillon de telle sorte que la distance entre les pinces est de 3,0 mm, et l'extrémité de la sonde est placée dans la pince fixe. Cette longueur de 3,0 mm entre les pinces est la longueur de la jauge de l'échantillon, et sera utilisé dans les calculs ultérieurs pour déterminer la pression exercée sur l'échantillon.
4. Immédiatement après l'obtention de l'échantillon entre les deux colliers de serrage, et en 2 min d'explantation du tissu neural, activer le moteur dans le sens de la traction pour allonger l'échantillon à une vitesse constante (10 pm / sec utilisés ici), tout en mesurant et en enregistrant simultanément l' élongation de l'échantillon (à l'aide d'un indicateur de déplacement, Mitutoyu 543-561) et de la force associé (à l'aide d'une cellule de charge, les techniques de transducteurs MDB-2.5) requise pour la tension de l'échantillon.
6. Répétez le test microtension pour chaque échantillon et / ou chaque ensemble de conditions (temps d'insertion).

6. Analyse des données

1. Convertir les données d'allongement premières pour la souche d'ingénierie appliquée à l'échantillon de l'implant en divisant la distance de l'allongement de la longueur initiale, comme décrit dans l'équation 1, où ε est la déformation appliquée, t est le temps, D est le déplacement mesuré par le micromètre indicateur, et L ₀ est la longueur initiale de l'échantillon:
   (1)
2. Convertir les données sur la population premières au stress d'ingénierie sur l'échantillon en divisant la force (en newtons), par le traaire de section transversale nsverse, comme décrit dans l'équation 2:
   (2)
   où σ est la contrainte sur l'échantillon, F est la force mesurée par le capteur de force (en Newtons), w ₀ est la largeur initiale de l'échantillon, et t ₀ est l'épaisseur initiale de l'échantillon.
3. Tracer la contrainte (σ [t]) vs déformation (ε [t]) courbe pour chaque échantillon à l'aide d'un programme informatique, comme Microsoft Excel.
4. Isoler la partie élastique linéaire de l'intrigue et utiliser des outils de montage basés sur les courbes logiciels pour trouver le meilleur ajustement à cette partie. La pente de la droite de meilleur ajustement correspond au module de l'échantillon de Young. La partie isolée de la parcelle doit comprendre au moins 10 points de contrainte-déformation, et doit être prise à partir de la portion de la parcelle de terrain où la pente est la plus forte.
5. Pour les tests cycliques, le module d'Young devront être déterminées pour chaque cycle. Cela peut être automatisé ou effectuée manuellement.
6. Pour les tests cycliques, l'intrigue module d'Young de chaque cycle en fonction du temps. Cela indique comment le module mesuré change avec le temps, ce qui témoigne de la rapidité avec laquelle un échantillon de configuration mouille ou le séchage.
7. Pour les échantillons de l'implant, chaque échantillon et l'heure de l'implant correspond à un cycle unique de tests cycliques. Mesurer le module de Young à l'aide de la procédure décrite ci-dessus pour chaque échantillon de l'implant.
8. Tracer le module de Young en fonction du temps de l'implant. À ce stade, les comparaisons peuvent être faites à des enquêtes paillasse, etc

Results

Les propriétés mécaniques de presque tous les matériaux polymères, y compris notre PVAc-NC, dépendent de l'exposition à des conditions environnementales. Plus particulièrement, il s'agit notamment de l'exposition à la chaleur et à l'humidité. Lorsqu'un matériau est plastifié en raison de l'absorption de l'humidité, ou subit une transition thermique, il présente une diminution du module de Young. Dans la préparation de l'humidité et environnement à température contrôlée pour l'échantillon caractérisation ex vivo...

Discussion

La promotion de systèmes micro-électromécaniques biomédicaux implantables (bioMEMS) pour interagir avec les systèmes biologiques est motivant le développement de nouveaux matériaux aux propriétés hautement adaptées. Certains de ces matériaux sont conçus pour présenter un changement des propriétés des matériaux en réponse à un stimulus présent dans l'environnement physiologique. Une classe récemment mis au point des matériaux répondant à la présence d'hydrogène liquide formant une liaison (par exemple l&...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Plaquette de silicium	University Wafer		Qualité mécanique
Feuille acrylique extrudée	Professional Plastics	SACR 062EF	Épaisseur 0.062"
Lame de rasoir	McMaster-Carr	3962A3
Pince à épiler	McMaster-Carr	8384A47	#5 pointe
Super Glue Gel	Loctite	130380
Air Brosse	Snap-on Compresseur	d’air industriel BF175TA
	Paasche	B002YKN8YO	D500
Thermocouple	Omega	HH12A
Plaque chauffante	Cimarec	SP131325Q
CO2 laser à écriture directe	VersaLaser	3.5
Dessicator	Fisher Scientific	08-595
Lampe
testeur			mesure