Test microtrazione Environmentally-controllato di meccanica-adattivi nanocompositi polimerici per Ex vivo Caratterizzazione

Summary

Un metodo è discusso con cui la In vivo Comportamento meccanico di materiali stimoli-responsive viene monitorata in funzione del tempo. I campioni sono testati Ex vivo Usando un tester microtensile con controlli ambientali per simulare l'ambiente fisiologico. Questo lavoro promuove ulteriormente la comprensione del In vivo Comportamento del nostro materiale.

Abstract

Microdevices impiantabili stanno guadagnando l'attenzione significativa per diverse applicazioni biomediche ^1-4. Tali dispositivi sono stati fatti da una serie di materiali, ognuno con i suoi vantaggi e le carenze ^5,6. Più prominente, a causa delle dimensioni del dispositivo microscala, un elevato modulo è necessario per facilitare l'impianto nel tessuto vivente. Viceversa, la rigidità del dispositivo dovrebbe corrispondere al tessuto circostante di minimizzare indotta deformazione locale ^7-9. Pertanto, abbiamo recentemente sviluppato una nuova classe di materiali bio-ispirati per soddisfare queste esigenze, rispondendo agli stimoli ambientali con una modifica delle proprietà meccaniche ^10-14. Specificamente, la nostra nanocomposito (acetato di vinile) basata poli (PVAc-NC) mostra una riduzione della rigidità quando esposti ad acqua e temperature elevate (ad esempio temperatura corporea). Sfortunatamente, esistono alcuni metodi per quantificare la rigidità dei materiali in vivo ^15, e Mechtest meccanicaa esternamente all'ambiente fisiologico richiede spesso grandi campioni appropriati per l'impianto. Inoltre, i materiali stimoli-reattiva possono recuperare in fretta la loro rigidità iniziale dopo espianto. Pertanto, abbiamo sviluppato un metodo con cui le proprietà meccaniche del microcampioni impiantati possono essere misurati ex vivo, con condizioni fisiologiche simulate mantenuti utilizzando umidità e temperatura ^13,16,17.

A tal fine, un tester microtensile personalizzato è stato progettato per accogliere campioni microscala con ^13,17 ampiamente variabili di moduli di Young (gamma da 10 MPa a 5 GPa). Come nostri interessi sono nella domanda di PVAc-NC come substrato sonda neurale biologicamente adattabile, uno strumento capace di caratterizzazione meccanica dei campioni alla microscala era necessario. Questo strumento è stato adattato per fornire umidità e controllo della temperatura, che minimizzata campione di essiccazione e raffreddamento ^17. Come risultato, il meccanicoaL caratteristiche del campione espiantato strettamente riflettono quelle del campione appena prima espianto.

L'obiettivo generale di questo metodo è quello di valutare quantitativamente le proprietà meccaniche in vivo, in particolare il modulo di Young, di materiali di stimolo-risposta, meccanicamente-adattativa a base polimerica. Questo si ottiene prima stabilito le condizioni ambientali che minimizzeranno un cambiamento nel campione proprietà meccaniche dopo espianto senza contribuire ad una riduzione della rigidezza indipendente da quella risultante da impianto. I campioni vengono poi preparati per l'impianto, la gestione e la prova (Figura 1A). Ogni campione viene impiantato nella corteccia cerebrale di ratto, che è rappresentato qui come un cervello di ratto espiantato, per una durata specificata (Figura 1B). A questo punto, il campione viene espiantato ed immediatamente caricato nel tester microtensile, e poi sottoposto a test di trazione (Figura1C). Di analisi dei dati permette di comprendere il comportamento meccanico di questi materiali innovativi nell'ambiente della corteccia cerebrale.

Protocol

1. Preparazione del campione

1. Preparare pellicola PVAc-NC di spessore nel campo di 25-100 micron utilizzando una soluzione di colata e tecnica di compressione ^10-12.
2. Aderire pellicola ad un wafer di silicio mediante riscaldamento su una piastra calda per due minuti a 70 ° C (sopra della temperatura di transizione vetrosa) promuovere intimo contatto tra il film e il wafer. Questo passaggio garantisce che il film preparato rimane piatto e fisso al wafer Si, necessario per i processi planari micromachining.
3. Motivo del film nelle geometrie di prova del campione di laser micromachining (VLS 3.50, VersaLASER). Impostare i ₂ parametri micromachining laser direct-scrittura di CO al 1,0% di potenza (0,5 W), velocità 4,0% (56 mm / s), e 1.000 impulsi per pollice ^13,16.
4. Campioni di pattern che saranno utilizzati per stabilire le condizioni ambientali ("campioni Setup") in strutture a forma di osso di cane con dimensioni pad laterali 1,5 x 1,5 mm ^2, e la trave laterale dimensioni 300 x 3.000 micron ^2, con uno spessore corrispondente a quello della pellicola durante (Figura 2).
5. Reticolo i campioni per esperimenti ex vivo ("campione protesi") nelle travi 300 micron x 6 mm, con uno spessore corrispondente a quello del film.
6. Rilasciare con attenzione i campioni dal wafer utilizzando una lama di rasoio e pinzette.
7. Per la manipolazione del campione, preparare gli imprenditori acrilico su misura lavorati destinati a servire come parte del sistema di presa nel tester microtensile. Marcature incise con il laser mostrano la linea centrale del titolare e 1,5 mm dalla fine. Mettere una piccola quantità di cianoacrilato adesivo a base di gel sulla linea centrale del supporto acrilico e accuratamente aderire una lunghezza di 1,5 mm del campione dell'impianto al titolare e sovrapporsi alla mezzeria marcata (Figura 3). Ogni campione impianto necessita di un supporto acrilico. Fare attenzione a garantire che il gel adesivo rimane solo lungo la lunghezza di 1,5 mm PVAc-NC essendo aderito alla acrtitolare ylic. Altrimenti, il gel adesivo può interferire con il comportamento meccanico del campione.
8. Rimuovere l'umidità da tutti i campioni mettendoli in un essiccatore per almeno 24 ore.
9. Misurare la lunghezza, la larghezza e dimensioni di spessore dei campioni utilizzando un microscopio ottico.

2. Stabilire Condizioni ambientali

1. Caricare un campione di impostazione secco nel tester microtensile (vedi Figura 4), ​​prima di serraggio tra i morsetti mobili, quindi tra le impugnature fisse.
2. Montare una spazzola d'aria con un serbatoio pieno d'acqua in una posizione fissa, con l'ugello rivolto verso il campione microtensile. Collegare la spazzola di aria di un compressore d'aria attraverso tubi di plastica. Con l'ugello aria pennello completamente chiuso, accendere il compressore d'aria.
3. Iniziare procedura di test microtensile ciclica, alternando sforzo a trazione (ceppo positivo) e tensione di pressione (ceppo negativo) applicata a tegli campione, rimanendo all'interno della regione elastica lineare del grafico tensione-deformazione. Per PVAc-NC, la deformazione applicata è limitata a meno del 2%. Nel tester microtensile personalizzato utilizzato in questi esperimenti, la velocità di deformazione è stata controllata mentre la forza necessaria per raggiungere tale ceppo è stato misurato. In alternativa, un setup diverso potrebbe comportare il controllo della forza applicata durante la misurazione della tensione risultante.
4. Aumentare gradualmente il flusso dall'ugello aria pennello, e monitorare la pendenza del grafico di sollecitazione-deformazione in funzione della quantità di flusso d'aria dalla spazzola. La portata massima che non provoca una riduzione significativa (> 10%) nel modulo di Young per un periodo di 60 sec è il livello che verrà utilizzato per gli esperimenti ex vivo. A questo punto, le condizioni di umidità che non bagnare un campione asciutto (e quindi contribuire alla riduzione di Young), e ridurrà campione essiccazione dopo essere stati esposti a fluidi biologici in vivo sono stati estazioni stabilite.
5. Misurare la temperatura in prossimità del campione. Un setup ideale dovrebbe includere una termocoppia con lettura digitale, ed essere eseguita mentre l'aerografo è in funzione. Impostare l'intensità e la distanza della sorgente di calore radiante tale che la temperatura del campione viene tenuto a 37 ° C, per adeguarsi alle condizioni fisiologiche.

3. Confronta controllo ambientale per il controllo non-Ambientale

1. Campioni di impostazione Immergere per almeno 30 minuti in soluzione salina tampone fosfato. Dopo questo periodo di tempo, il campione è completamente saturo ed è stato ridotto al minimo modulo di Young ad una data temperatura.
2. Caricare rapidamente un campione nel tester microtensile e iniziare la prova microtensile ciclico, con la spazzola di aria fuori, mentre si asciuga il campione. Questo determina quanto rapidamente si asciuga il campione in condizioni non controllate.
3. Caricare un secondo campione di configurazione PBS-saturi nel tester microtensile, e iniziare la prova microtensile ciclicocon il pennello aria su. Questo determina quanto rapidamente si asciuga il campione in condizioni ambientali controllate.

4. Impianto sonda e Espianto

1. Allegare campione impianto ad un morsetto micromanipolatore e ortogonale al tessuto corticale.
2. Prima dell'inserimento, mantenere tessuto sufficientemente umido con soluzione salina per assicurare l'omogeneità della meccanica dei tessuti.
3. Abbassare il campione di polimero nella corteccia utilizzando i comandi manuali micromanipolatore. Lasciare campione in tessuto corticale fino al momento dell'impianto bersaglio, generalmente tra 1 e 30 min. Per evitare che il tessuto si secchi per i punti di tempo superiore a 5 minuti, tamponare leggermente il tessuto ogni 5 min usando un tampone di cotone imbevuta di soluzione salina.
4. Mentre la sonda è impiantato nella corteccia, preparare il tester microtensile per caricare il campione attualmente impiantato impostando il puntalino alla posizione zero-spostamento di 3,0 mm dal morsetto campione stazionaria. Inoltre, impostare l'ugello aria pennelloall'impostazione flusso e la fonte di calore radiante per determinare la corretta intensità nella Fase 2.4.
5. Al termine del tempo specificato dell'impianto, innalzare la sonda fuori della corteccia utilizzando i comandi manuali micromanipolatore. Immediatamente e con attenzione, rimuovere il campione dal morsetto micromanipolatore e caricare nel tester microtensile, come descritto più dettagliatamente nella Fase 5.2.

5. Test microtrazione di campioni Implant

1. Per risparmiare tempo dopo l'espianto, assicurarsi che il tester microtensile è completamente pronto ad accettare il campione protesi prima dell'impianto, come descritto al punto 4.4.
2. Subito dopo l'espianto, caricare il campione tra i due set di pinze tester microtensile. Dal momento che il campione è montato un supporto acrilico progettato per servire come la metà superiore di una pinza, posizionare il gruppo campione impianto sul grip cellulare, parte del campione verso il basso. È importante assicurare che il campione è fissata in modo che ceppo è applied solo lungo la lunghezza della sonda per evitare di applicare coppia al campione durante la prova. Come tale, il campione deve essere montato al centro di ciascun morsetto, ed i morsetti devono essere a livello con rispetto all'altro.
3. Regolare la posizione del campione tale che la distanza tra i morsetti è 3,0 mm, e l'estremità della sonda viene inserita nella morsa fissa. Questo Lunghezza 3,0 mm tra i morsetti è il tratto utile per il campione, e sarà utilizzato in calcoli successivi per determinare la tensione sul campione.
4. Immediatamente dopo il fissaggio del campione fra entrambi i morsetti, e entro 2 min dell'espianto dal tessuto neurale, attivare il motore nella direzione di trazione per allungare il campione ad una velocità costante (10 micron / sec utilizzati qui), e contemporaneamente misurare e registrare la allungamento del campione (utilizzando un indicatore di spostamento, Mitutoyu 543-561) e la forza associata (usando una cella di carico, Tecniche Trasduttore MDB-2.5) necessario per la tensione della campione.
6. Ripetere il test microtensile per ogni campione e / o di ogni insieme di condizioni (cioè il tempo di inserimento).

6. Analisi dei dati

1. Convertire i dati grezzi allungamento a deformazione tecnica applicata al campione impianto dividendo la distanza di allungamento per il tratto utile iniziale, come descritto in Equazione 1, dove ε è la deformazione applicata, t è il tempo, d è lo spostamento misurato dal micrometro indicatore, e L ₀ è il tratto utile iniziale del campione:
   (1)
2. Convertire i dati grezzi forza per lo sforzo di ingegneria sul campione dividendo la forza (in Newton), dalla TRAarea della sezione trasversale nsverse, come descritto in Equazione 2:
   (2)
   dove σ è la tensione sul campione, F è la forza misurata dalla cella di carico (in Newton), ₀ w è la larghezza iniziale del campione, e ₀ t è lo spessore iniziale del campione.
3. Tracciare lo stress (σ [t]) vs strain (ε [t]) curva per ogni campione utilizzando un programma per computer, come ad esempio Microsoft Excel.
4. Isolare la parte elastica lineare della trama e utilizzare gli strumenti di raccordo di curva a base di software per trovare la migliore curva di adattamento a questa parte. La pendenza della retta interpolante corrisponde al modulo di Young del campione. La porzione isolata del complotto dovrebbe includere almeno 10 punti di sforzo-deformazione, e dovrebbe essere preso dalla parte della trama, dove la pendenza è maggiore.
5. Per i test ciclici, il modulo di Young dovranno essere determinati per ogni ciclo. Questo può essere automatizzato o eseguita manualmente.
6. Per le prove cicliche, trama modulo di Young di ogni ciclo in funzione del tempo. Questo indica come cambia il modulo di misura con il tempo, il che è indicativo di quanto velocemente un campione di impostazione sta bagnando o essiccazione.
7. Per campioni implantari, ogni campione e momento dell'impianto corrisponde ad un unico ciclo di prove cicliche. Misurare il modulo di Young secondo la procedura descritta sopra per ogni campione implantare.
8. Tracciare il modulo di Young in funzione del tempo dell'impianto. A questo punto, i confronti possono essere fatti per investigazioni da banco, ecc

Results

Le proprietà meccaniche di quasi tutti i materiali polimerici, compreso il nostro PVAc-NC, dipendono esposizione a condizioni ambientali. Più in particolare, questi includono l'esposizione al calore e all'umidità. Quando un materiale viene plastificato dovuto alla captazione di umidità o subisce una transizione termica, visualizza una riduzione del modulo di Young. Nel preparare l'umidità e temperatura controllata per ex campione caratterizzazione meccanica in vivo, è importante garantire che vi sia mi...

Discussion

L'avanzamento dei sistemi microelettromeccanici biomedici impiantabili (bioMEMS) per l'interazione con i sistemi biologici è motivante lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà altamente personalizzate. Alcuni di questi materiali sono progettati per esporre un cambiamento delle proprietà del materiale in risposta ad uno stimolo trovato ambiente fisiologico. Una classe di recente sviluppo di materiali risponde alla presenza di idrogeno liquidi bond-formatura (per esempio acqua) e temperature elevate p...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Wafer di silicone	University Wafer		di grado meccanico
	Plastica professionale	SACR 062EF	Spessore 0,062 "
Lama di rasoio	McMaster-Carr	3962A3
Pinzette	McMaster-Carr	8384A47	# 5 punta
Super colla Gel	Loctite	130380
Air Spazzola	Snap-on	BF175TA
Compressore d'Aria	Paasche	B002YKN8YO	D500
Termocoppia	Omega	HH12A
Piastra riscaldante	Cimarec	SP131325Q
CO2 a scrittura diretta	Laser	3.5
Essiccatore	Fisher Scientific	08-595
Lampada			su misura
Tester			su misura