Articolo metodologico

Analisi meccanica dinamica ambientale per predire il comportamento di rammollimento di impianti neurali

DOI:

10.3791/59209

⸱

1 marzo 2019

 ,  , 
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 questo articolo

Sommario

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

Per consentire previsioni affidabili di rammollimento di substrati polimerici per impianti neurali in un ambiente in vivo , è importante avere un metodo affidabile in vitro . Qui, l'uso di analisi dinamico-meccanica in tampone fosfato salino a temperatura corporea è presentato.

Abstract

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

Quando si utilizza in modo dinamico rammollimento substrati per impianti neurali, è importante avere un metodo affidabile in vitro per caratterizzare il comportamento di rammollimento di questi materiali. In passato, non è possibile misurare in modo soddisfacente il rammollimento di film sottili sotto condizioni che imita ambiente corpo senza sforzo sostanziale. Questa pubblicazione presenta un metodo nuovo e semplice che permette analisi dinamico-meccanica (DMA) di polimeri in soluzioni, ad esempio tamponato fosfato salino (PBS), alle temperature pertinenti. L'uso di DMA ambientale permette la misura degli effetti rammollimento dei polimeri a causa di plastificazione in vari media e temperature, consentendo pertanto una previsione del comportamento di materiali in condizioni in vivo .

Introduzione

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

Una nuova generazione di materiali utilizzati come substrati per impianti neurali comprende rammollimento forma memoria polimeri1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Questi materiali sono abbastanza rigidi durante l'impianto per superare le forze di deformazione critica, ma diventano fino a tre ordini di grandezza più morbidi dopo l'impianto in un ambiente di corpo. Si prevede che questi materiali mostrano una migliore interazione del dispositivo-tessuto a causa della mancata corrispondenza ridotta nel modulo rispetto ai materiali tradizionali utilizzati in impianti neurali, come il tungsteno o silicio. Dispositivi tradizionali, rigidi mostrano risposta infiammatoria dopo l'impianto, seguita da incapsulazione tissutale e astroglial cicatrici che spesso si traduce in dispositivo guasto10,11. È una supposizione comune che dispositivi meno rigide minimizzare il corpo estraneo risposta12,13,14. La rigidità di un dispositivo è dettata dalla sua sezione trasversale e modulo. Pertanto, è importante per ridurre entrambi i fattori per migliorare la conformità del dispositivo e, infine, l'interazione di tessuto del dispositivo.

Il lavoro sui polimeri di rammollimento è stato ispirato dal lavoro di Nguyen et al.15, che hanno dimostrato che gli impianti intracorticali meccanicamente compatibile con riducono la risposta neuroinfiammatorie. Hanno precedentemente usato meccanicamente-adaptive poly(vinyl acetate)/tunicato cellulosa nanocristallo (tCNC) nanocompositi (NC), che diventano conformi dopo l'impianto.

Il laboratorio di Voit, d'altra parte, usa il sistema altamente sintonizzabile di tiolo-ene e tiolo-ene/acrilato polimeri. Questi materiali sono vantaggiosi in quanto il grado di rammollimento dopo l'esposizione a condizioni in vivo può essere sintonizzato facilmente dal design polimero. Scegliendo la composizione polimerica giusto e la densità di reticolazione, la temperatura di transizione vetrosa e di elasticità del polimero può essere per volta2,4,5,6,8. L'effetto sottostante di rammollimento è la plastificazione del polimero in un ambiente acquoso. Per avere un polimero con una temperatura di transizione di vetro (Tg) superiore alla temperatura corporea una volta asciutto (lo stato durante l'impianto), ma sotto la temperatura corporea dopo essere stato immerso in acqua o PBS, il rigidità/modulo risultante del polimero può spostare da vetroso (rigido) quando asciutto per gommosa (morbido) quando impiantati16.

Tuttavia, misurazioni precise e affidabili di rammollimento a causa di plastificazione e lo spostamento del Tg da secco a umido gli Stati non sono in grado di essere misurato in passato. Analisi dinamico-meccanica tradizionale avviene in aria o gas inerti e non consente la misurazione delle proprietà termomeccaniche di polimeri all'interno di una soluzione. Negli studi precedenti, i polimeri sono stati immersi in PBS per vari periodi di tempo. Gonfiati campioni sono stati quindi utilizzati per eseguire analisi dinamico-meccanica (DMA)6,7,8. Tuttavia, poiché la procedura prevede una rampa di temperatura, campioni iniziano ad asciugare durante la misurazione e non danno dati rappresentativi. Questo è particolarmente vero se la dimensione del campione diventa più piccola. Al fine di prevedere l'ammorbidimento delle sonde neurale, sarebbe necessario testare 5 a 50 pellicole polimeriche µm-sottile, che non è possibile con tradizionale DMA dovuto la summenzionata essiccamento dei campioni durante la misurazione.

Hess et al.17 hanno progettato una fuoriserie microtensile macchina per valutare le proprietà meccaniche dei materiali meccanicamente adattivi utilizzando un metodo di ambiente controllato di prova. Essi sono utilizzati in precedenza un sistema aerografo per spruzzare acqua su campioni durante la misurazione per impedire loro di seccarsi.

L'uso di DMA ambientale (Figura 1), tuttavia, consente per la misurazione di film polimerici nelle soluzioni, quali acqua e PBS, a varie temperature. Questo consente non solo la misura delle proprietà di Termomeccanica del polimero nello stato bagnato/ammorbidito, ma anche misura della sua cinetica di rammollimento. Prove di trazione anche e gonfiore misure sono possibili all'interno della vasca di immersione di questa macchina. Questo permette studi esatti del rammollimento di plastificazione-indotta di substrati polimerici per predire i comportamenti in vivo .

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Protocollo

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1. preparazione dei campioni di polimero per il test

  1. Sintetizzare il polimero di tiolo-ene rammollimento secondo i precedenti protocolli all'interno di una cappa aspirante. 1 , 2 , 4 , 18 mescolare brevemente, importi quantitativi di tiolo ai monomeri alchenico con un totale di iniziatore foto di 0,1 wt %.
    1. Preparare un flaconcino di vetro da 20 mL per la miscelazione di polimeri. Coprire il flaconcino nella carta stagnola per evitare che la luce incidente dal contatto con la soluzione di monomero e mantenere a temperatura ambiente (TA). Utilizzare tutte le sostanze chimiche come ricevuto senza ulteriore purificazione.
    2. Per polimero completamente rammollimento, aggiungere 50 mol % 1, 3,5-triallyl-1,3,5-triazina-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO), 45 mol % trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) e 5% in moli Tris [2-(3-mercaptopropionyloxy) etil] isocianurato (TMICN) per la coperto fiala utilizzando una pipetta di plastica monouso.
    3. Aggiungere 0,1% in peso della photoinitiatior 2,2-dimetossi-2-phenylacetophenone (DMPA) alla soluzione di polimero.
    4. Miscelare accuratamente il contenuto all'interno del flacone di velocità planetario di miscelazione senza esporre la soluzione alla luce.
      Nota: La soluzione di polimero è sensibile alla luce e inizierà a polimerizzare dopo 45-60 min, anche se coperto con un foglio. Pertanto, utilizzare la soluzione di polimero più rapidamente possibile dopo la miscelazione.
  2. Girare il cappotto la soluzione di polimero preparata nella sezione 1.1 come film sottili tra 5 e 50 µm di spessore su vetrini microscopici o wafer di silicio come substrato portante secondo la curva di rotazione (Figura 2). Per 30 µm di spessore, rotazione a 600 rpm per 30 s.
    Nota: Quando si utilizza una diversa formulazione di SMP, la velocità di rotazione e l'ora possono variare in base alla viscosità della soluzione polimerica.
  3. Trasferire il film polimerici sul substrato vettore immediatamente dopo la filatura alla camera di reticolazione. Foto-polimerizzare i film per 60 min sotto 365 lampadine nm UV e post-cura per 24 h in un vuoto forno a 120 ° C per ulteriore completano la conversione.
  4. Tagliare il film di polimero polimerizzato in campioni rettangolari con 4,5 mm di larghezza e lunghezze di 50 mm per il collaudo di DMA. Spessori possono variare da 5 a 50 µm. I campioni possono essere portati in misura geometria applicando due metodi diversi (scegliere passo 1.4.1 o 1.4.2).
    1. Tagliare il film di polimero polimerizzato in rettangoli utilizzando un laser a CO2 . Impostare il CO2 laser microlavorazioni parametri potenza 5,0% (2.0 W) e 10,0% velocità (0.254 m/s) (Figura 3A).
    2. Definire i campioni DMA utilizzando fotolitografia in una camera bianca classe 10000 (Figura 3B). Utilizzare i substrati SMP su vetro o wafer come i substrati di partenza nella camera bianca.
      1. Cassetta di nitruro di silicio di bassa temperatura di agire come una maschera di dura per la seguente incisione processi al plasma. La struttura/forma di dispositivo utilizzando tecniche di Litografia standard del modello. Utilizzare un incisore al plasma con SF6 e O2 plasma per rimuovere la maschera di duro e strato SMP, rispettivamente.
      2. Dopo lo strato SMP è plasma inciso giù per il vetro scorrevole/wafer, mordenzare la maschera di duro rimanenti degli nitruro silicio distanza in tuffo di HF diluito 1:10.
  5. Delaminare i dispositivi di test da vetro diapositiva/wafer ammollo in acqua deionizzata come ultimo passaggio.

2. setup macchina

  1. Utilizzare un analizzatore dinamico meccanico (DMA) con un sistema di immersione. Attrezzare la macchina con l'apparecchio di immersione in modalità tensione (Figura 1). Connettersi alla macchina l'azoto liquido e abilitare LN2/aria come una sorgente di gas per il forno.
  2. Scrivere il metodo per misurazioni asciutti con il software della macchina, tra cui i seguenti tre passaggi: condizionata, rampa di temperatura di oscillazione e condizionata fine del test, quindi impostare i parametri come segue:
    1. Impostare i seguenti parametri per le opzioni di condizionamento: modalità = attivo, selezionare "tensione", forza assiale = 0,05 N, valore iniziale impostato a "on", sensibilità = 0.0 N, modalità proporzionale forza = forza di tracking, compensare modulo = su, seleziona "forza assiale" e impostare il forza dinamica al 25,0%, forza assiale minima = 0,05 N, programmato estensione sotto 0.0 Pa, modalità attivata, ceppo regolare = 0.05%, minimo sforzo = 0,1%, deformazione massima = 0,5%, forza minima = 0,05 N, forza massima = 0.2 N.
    2. Impostare i seguenti parametri per la rampa di temperatura di oscillazione: temperatura iniziale = 10 ° C, ereditano il set-point = off, tempo di immersione = 0.0 s, attesa per la temperatura = on, velocità di rampa = 2,0 ° C/min, temperatura finale = 100 ° C, ammollo tempo dopo rampa = 0.0 s, frequenza di campionamento = 1 pts/s, strai % n = 0,275%, unico punto, frequenza = 1 Hz.
    3. Impostare i seguenti parametri per il fine condizionata del test: controllo ambientale = off, regolazione della forza assiale =, modalità disattivata, trasduttore/motore = off.
  3. Scrivere il metodo per l'immersione di prova con il software della macchina compreso i seguenti quattro passaggi: condizionata, fase di oscillazione, rampa di oscillazione-temperatura e condizionata-fine del test, quindi impostare i parametri come segue:
    1. Impostare i seguenti parametri per le opzioni di condizionamento: modalità = attivo, selezionare "tensione", forza assiale = 0,05 N, valore iniziale impostato a "on", sensibilità = 0.0 N, modalità proporzionale forza = forza di rilevamento, compensare modulo = su, seleziona "forza assiale" e impostare forza dinamica al 25,0%, forza assiale minima = 0,05 N, programmato estensione sotto 0.0 Pa, modalità attivata, ceppo regolare = 0.05%, minimo sforzo = 0,1%, deformazione massima = 0,5%, forza minima = 0,05 N, forza massima = 0.2 N.
    2. Impostare i seguenti parametri per il tempo di oscillazione: temperatura = 39,5 ° C, ereditano il set-point = off, tempo di immersione = 0.0 s, attesa per temperatura = off, durata = 3600.0 s, frequenza di campionamento = 1 pts/s, ceppo % = 0,275%, unico punto, frequenza = 1 Hz.
    3. Impostare i seguenti parametri per la rampa di temperatura di oscillazione: temperatura iniziale = 10 ° C, ereditano il set-point = off, tempo di immersione = 300.0 s, attesa per la temperatura = off, velocità di rampa = 2,0 ° C/min, temperatura finale = 85 ° C, ammollo tempo dopo rampa = 300.0 s, frequenza di campionamento = 1 pts/s, s treno % = 0,275%, unico punto, frequenza = 1 Hz.
    4. Impostare i seguenti parametri per il fine condizionata del test: controllo ambientale = off, regolazione della forza assiale =, modalità disattivata, trasduttore/motore = off.

3. campione di carico e scarico per le misure a secco

  1. Misurare lo spessore effettivo del campione di polimero per i test a secco (in aria) con pinza con precisione di 0,001 mm.
  2. Immettere il nome del campione, la descrizione e la geometria del campione nel software.
  3. Impostare il divario di caricamento fino a 15 mm e caricare il campione. Assicurarsi che centrare e allineare il campione prima che i morsetti sono avvitati stringere a mano o utilizzare una chiave dinamometrica con 0,1 N (Figura 3).
  4. Chiudere il forno e iniziare la misura utilizzando i metodi descritti nella sezione 2.2.
  5. Attendere fino a quando la misurazione è finita. Aprire il forno e togliere il campione di polimero dalla macchina.

4. il campione di carico e scarico per le prove di immersione

  1. Misurare lo spessore effettivo del campione di polimero per immersione test in PBS con pinza con precisione di 0,001 mm.
  2. Immettere il nome del campione, la descrizione e la geometria del campione nel software.
  3. Preparare l'installazione con il bicchiere di immersione fissato con una fascetta nell'impugnatura superiore (Figura 4AB).
  4. Impostare il divario di caricamento fino a 15 mm e caricare il campione (Figura 4). Assicurarsi che centrare e allineare il campione (Figura 5) prima che i morsetti sono avvitati stringere a mano o utilizzare una chiave dinamometrica con 0,1 N.
  5. Posizionare il bagno ad immersione dell'apparecchio, fondo e avvitare (Figura 4). Riempite la vasca con RT PBS (Figura 4E), mettere il coperchio sulla parte superiore (Figura 4F), chiudere il forno (Figura 4) e avviare la misurazione immediatamente utilizzando i metodi descritti nella sezione 2.3. Assicurarsi che lo scarico sia chiuso (Figura 4 H).
  6. Attendere fino a quando la misurazione è finita. Rimuovere il PBS dai bagni ad immersione utilizzando lo scarico. Aprire il forno, togliere il coperchio dal bicchiere, svitare il becher di immersione, sollevare e rimuovere il campione di polimero dalla macchina.
  7. Pulire i morsetti e becher di immersione con acqua de-stirato per rimuovere qualsiasi residuo sale da PBS.

5. le misurazioni

  1. Misurare il polimero in aria senza il becher di immersione. Seguire le istruzioni per il campione di carico e scarico come descritto nella sezione 3. Ripetere la misurazione almeno 3 x per raccogliere risultati con rilevanza statistica.
  2. Misurare il polimero all'interno della vasca di immersione seguendo la procedura descritta nella sezione 4. Ripetere la misurazione almeno 3 x per raccogliere risultati con rilevanza statistica.

6. interpretazione di dati

  1. Aprire la scheda risultati nel software della macchina, dove i dati grezzi possono essere visualizzati in formato di tabella o tracciati in un grafico.
  2. Tracciare la prima parte della misura ad immersione, la misura del tempo di oscillazione, come modulo elastico nel tempo per valutare la cinetica di rammollimento. La curva mostra quanto velocemente il modulo del polimero diminuisce nel tempo immersi in PBS.
  3. Nota la data in cui il modulo diventa pianeggiante. Questo rappresenta il tempo per addolcimento in condizioni fisiologiche.
  4. Se il polimero non è completamente addolcito dopo il tempo di immersione set di 1h, ripetere la misurazione con tempo maggiore immersione.
  5. Visualizzare le rampe di temperatura-oscillazione delle misurazioni in aria e PBS come modulo elastico sull'asse sinistro e tan delta sull'asse destra sopra la temperatura per visualizzare le proprietà termomeccaniche del polimero prima (a secco) e dopo (in PBS) plastificazione .
  6. Tracciare i dati per l'asciutto (aria) e misure di PBS insieme per meglio visualizzare le modifiche nelle proprietà termomeccaniche a causa di plastificazione.
  7. Nota il modulo elastico del materiale asciutto a 25 ° C e del campione bagnato a 37 ° C, in quanto questi sono numeri rilevanti per valutare quanto il polimero ammorbidirà durante l'impianto.
  8. Nota le modifiche in tan delta picco tra gli esempi di asciutti e bagnati.
  9. Esportare i dati come un file. txt o. csv per ulteriore interpretazione dei dati e la stampa con altri software.

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Risultati

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L'uso di DMA ambientale permette l'analisi di rammollimento cinetica e capacità complessive rammollimento dei polimeri. Utilizzando la modalità di misurazione di temperatura-tempo del protocollo, i profili di rammollimento delle formulazioni differenti polimeri possono essere paragonati a vicenda (Figura 6). Questo metodo può anche essere utilizzato per quantificare il rammollimento e gonfiore tariffe dei polimeri. Può essere visto nella ...

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Discussione

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L'uso di DMA ambientale permette lo studio del comportamento dei vari polimeri utilizzati come substrati per impianti neurali19 o altri dispositivi biomedicali in soluzione e di imitare in vivo le condizioni. Questo include, ma non è limitato a, polyimide, parylene-C, PDMS e SU-8. Idrogeli e matrice extracellulare (ECM) materiali possono essere studiate anche utilizzando questo metodo. Le differenze di rammollimento complessiva di polimero, come pure la sua cinetica di rammollimento posso...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere nessun concorrenti interessi finanziari.

Ringraziamenti

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Gli autori vogliono ringraziare il Dr. Taylor Ware per averci permesso di utilizzare il suo DMA ambientale.

Questo lavoro è stato supportato dall'ufficio di assistente segretario della difesa per gli affari di salute attraverso il Peer Recensito il medico ricerca programma [W81XWH-15-1-0607]. Opinioni, interpretazioni, conclusioni e raccomandazioni sono quelle degli autori e non sono necessariamente condivise dal dipartimento della difesa.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
1,3,5-Triallil-1,3,5-triazina-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO)Sigma-Aldrich114235-100G
2,2-Dimetossi-2-fenilacetofenone (DMPA)Sigma-Aldrich196118-50G
Laser CO2 Gravograph LS100Gravotech, Inc.
Corning Vetrini per microscopio in vetro di grandi dimensioni, 75 x 50 mmTed Pella26005
DMA ambientale: Analizzatore di solidi RSA-G2Pinzetta in plastica sicura ESD TA Instruments
, punte; Piatto, becco d'anatra, 11,5 cmCole PalmerEW-07387-17
Laurell WS-650-8B spin coaterLaurell Technologies Corporation
azoto liquidoGas d'aria
PBS, 1X Soluzione, Fisher BioReagentsFisher ScientificBP243820
Forno sottovuoto SHEL LABVWR International89409-484
Silicone waferUniversity WaferGrado meccanico
Il sistema di immersione RSA-G2TA Instruments
Trimetilolpropano tris(3-mercaptopropionato) (TMTMP)Sigma-Aldrich381489-100ML
UVP CL-1000 camera di reticolazione con lampadine da 365 nmVWR International21474-598

Riferimenti

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