Test microtrazione Environmentally-controllato di meccanica-adattivi nanocompositi polimerici per

L'obiettivo generale di questa procedura è quantificare la variazione di rigidità in una struttura nanocomposita a base di polivinile acetato in funzione del tempo di impianto nel tessuto. Questo risultato si ottiene innanzitutto definendo un modello sui campioni nanocompositi polimerici e fissandoli su supporti in acrilico per l'inserimento nel tessuto e per test micro-meccanici. Il secondo passaggio consiste nel preparare un ambiente per il tester micro-trazione che riproduca l'ambiente fisiologico, ex vivo, utilizzando una fonte di umidità e una fonte di calore radiante.

Successivamente, il campione dell'impianto viene inserito nel tessuto e rimosso dopo un periodo di tempo specificato. L'ultimo passaggio consiste nel caricare il campione nel micro tester di trazione a condizioni ambientali controllate ed eseguire il test meccanico per determinare il modulo di Young del materiale dopo la durata specificata dell'impianto. In definitiva, questo test di trazione microscopico a condizioni ambientali controllate viene utilizzato per mostrare le variazioni della rigidità meccanica, misurate tramite il modulo di Young, in funzione del tempo di esposizione all'ambiente fisiologico.

Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti per la misurazione di proprietà meccaniche variabili, come l'analisi meccanica dinamica, è che può essere applicata a campioni su scala micrometrica e che l'umidità e la temperatura possono essere controllate. Questo metodo può contribuire a rispondere a domande fondamentali nel campo delle interfacce neurali, ad esempio in che modo la risposta infiammatoria a un impianto è influenzata dalla rigidità del materiale dell'implanto. Per prima cosa, ottenere un film nano-composito a base di polivinilacetato con uno spessore compreso tra 25 e 100 micrometri, prodotto mediante tecnica di colata da soluzione e compressione.

Successivamente, aderire il film a una piastrina di silicone riscaldando su una piastra a 70 gradi centigradi per due minuti. Questo favorisce un contatto stretto tra il film e la piastrina e garantisce che il film rimanga piatto per la micro-lavorazione. Ora utilizzare la micro-lavorazione al laser per modellare il film nelle geometrie desiderate del campione di prova.

I parametri di microsablatura laser diretta a destra sono impostati su una potenza di 0,5 watt, una velocità di 56 millimetri al secondo e 1000 impulsi per pollice della macchina. I campioni che verranno utilizzati per stabilire le condizioni ambientali, chiamati campioni di configurazione, vengono trasformati in strutture a forma di osso con dimensioni dei pad laterali di 1,5 millimetri per 1,5 millimetri e dimensioni del fascio laterale di 300 micrometri per 3000 micrometri. Lo spessore corrisponde a quello del film. I campioni vengono lavorati per esperimenti ex vivo, detti campioni di impianto, in travi di 300 micrometri per sei millimetri con uno spessore pari a quello del film.

Dopo aver rimosso la wafer dall'allestimento di micro lavorazione, utilizzare una lametta e pinzette per staccare con cura i campioni dalla wafer al fine di manipolarli. Preparare dei supporti in acrilico progettati per fungere da parte del sistema di aggancio nel micro tester di trazione. In questo esperimento, ogni supporto misura 11 millimetri per sette millimetri con uno spessore di 2,2 millimetri e presenta due fori per allinearli con le viti del micro tester di trazione.

Le marcature incise con il laser indicavano la linea centrale del supporto a 1,5 millimetri dall'estremità. Ogni campione d'impianto richiede un supporto in acrilico; applicare una piccola quantità di adesivo a base di gel acrilico Sano sulla linea centrale del supporto in acrilico e fissare con attenzione un tratto di 1,5 millimetri del campione d'impianto al supporto, facendolo sovrapporre alla linea centrale marcata. Prestare attenzione affinché il gel adesivo rimanga confinato soltanto lungo il tratto di 1,5 millimetri del nanocomposito a base di acetato di polivinile che viene aderito al supporto in acrilico.

Cominciare caricando un campione asciutto nel micro tester di trazione. Dapprima fissare il campione tra le ganasce mobili, quindi tra quelle fisse, montare un aerografo con un serbatoio riempito d'acqua in una posizione fissa con l'ugello rivolto verso il campione micro di trazione. Collegare l'aerografo a un compressore d'aria tramite un tubo di plastica, con l'ugello dell'aerografo completamente chiuso.

Accendere il compressore d'aria. Iniziare la procedura di prova microtrazionale ciclica, alternando tra deformazione a trazione e deformazione a compressione applicate al campione. La prova deve rimanere nella regione lineare elastica del grafico tensione-deformazione.

In questo caso, la deformazione applicata è limitata a meno del 2%. In questi esperimenti, la velocità di deformazione è stata controllata mentre veniva misurata la forza necessaria per raggiungere tale deformazione. Per determinare le condizioni di umidità desiderate, aumentare gradualmente il flusso dal beccuccio dell'airbrush e monitorare l'andamento della pendenza del grafico sforzo-deformazione in funzione della quantità di flusso proveniente dall'airbrush; il flusso massimo che non provoca una riduzione significativa del modulo di Young nel periodo di 60 secondi è il valore che verrà utilizzato per gli esperimenti ex vivo. Infine, misurare la temperatura vicino al campione.

Una configurazione ideale includerebbe una termocoppia con un display digitale, e le misurazioni verrebbero effettuate mentre l'aerografo è in funzione. Impostare l'intensità e la distanza di una sorgente di calore radiante in modo che la temperatura del campione sia mantenuta a 37 gradi Celsius, in accordo con le condizioni fisiologiche. Il confronto di controllo inizia immergendo i campioni della configurazione per almeno 30 minuti in soluzione salina tamponata al fosfato o PBS, per consentire al materiale di ammorbidirsi fino al suo modulo di Young minimo.

Caricare rapidamente un campione nel micro tester di trazione e iniziare il test ciclico di trazione microscopica con l'aerografo spento mentre il campione si asciuga in condizioni ambientali; il modulo di Young ottenuto da questi dati indicherà la velocità con cui il campione si asciuga in condizioni non controllate. Successivamente, caricare un secondo campione saturo di PBS nel micro tester e iniziare il test ciclico di trazione microscopica con l'aerografo acceso; il modulo di Young calcolato indicherà la velocità con cui il campione si asciuga in condizioni di umidità controllata.

Prelevare un campione di tessuto corticale. In questa dimostrazione, il tessuto espiantato viene mantenuto idratato in un bagno di liquido cerebrospinale artificiale, conservato a 37 gradi Celsius prima e durante l'esperimento. Successivamente, fissare un campione dell'impianto sul suo supporto utilizzando una pinza micromanipolatrice.

Posizionare la sonda in modo che sia ortogonale al tessuto corticale. Abbassare il campione polimerico nella corteccia utilizzando il micromanipolatore. Comandi manuali.

Lasciare il campione nel tessuto corticale fino al termine del tempo di impianto desiderato, compreso tra uno e 30 minuti. Prendere precauzioni per evitare che il tessuto si secchi durante questo periodo, mentre la sonda è impiantata nella corteccia. Preparare il tester microscopico per trazione impostando l'asta secca alla posizione di spostamento zero, a tre millimetri dalla morsetto fisso.

Impostare anche il flusso della bocchetta dell'aerografo e la potenza della sorgente di calore radiante sui valori determinati in precedenza. Al termine del tempo di impianto specificato, sollevare immediatamente la sonda dal cortex utilizzando i comandi manuali del micromanipolatore ed estrarre con cura il campione dalla morsetto del micromanipolatore; trasferirlo quindi al micro tester di trazione e iniziare la prova entro due minuti immediatamente dopo l'estrazione. Caricare il campione tra le due coppie di morsetti del micro tester di trazione. Poiché il portacampione è progettato per fungere da metà superiore di un morsetto, posizionare l'assemblato del campione d'impianto sul morsetto mobile con il lato del campione rivolto verso il basso.

Il campione deve essere montato al centro di ciascuna morsetto, e i morsetti devono essere allineati tra loro. Questo garantisce che la deformazione venga applicata soltanto lungo la lunghezza della sonda. Regolare ora la posizione del campione in modo che la distanza tra i morsetti sia di tre millimetri e l'estremità della sonda venga inserita nel morsetto fisso.

La lunghezza di tre millimetri tra le ganasce corrisponde alla lunghezza di misura del campione da utilizzare nei calcoli successivi. Immediatamente dopo aver fissato il campione tra le due ganasce e entro due minuti dall'estrazione dal tessuto nervoso, attivare il motore in direzione di trazione per allungare il campione a velocità costante. La velocità in questo caso è di 10 micrometri al secondo.

Misurare e registrare contemporaneamente l'allungamento del campione e la forza associata necessaria per deformarlo. Arrestare il test di trazione microscopica al verificarsi della rottura meccanica del campione o quando si raggiunge il limite del gambo secco. Esportare i dati raccolti per l'analisi.

Ripetere il test di trazione microscopica per ogni campione e/o condizione di impianto. Tracciare la curva tensione-deformazione per ogni campione utilizzando un software. Successivamente, isolare la porzione lineare elastica del grafico.

La porzione isolata del grafico deve includere almeno 10 punti ed essere prelevata dalla sezione del grafico in cui la pendenza è massima. Utilizzare ora strumenti software di adattamento della curva per trovare la retta di migliore adattamento per questa porzione. La pendenza della retta di migliore adattamento corrisponde al modulo di Young del campione.

Per i campioni di prova che sono stati testati in modalità ciclica, determinare il modulo di Young per ogni ciclo. Una volta completato ciò, riportare in un grafico il modulo di Young di ciascun ciclo in funzione del tempo. Questo grafico utilizza il modulo di Young come funzione del tempo, misurato durante prove di trazione cicliche, al fine di determinare le impostazioni corrette dell'aerografo per il controllo dell'ambiente.

La regione ombreggiata rappresenta il periodo in cui l'aerografo è stato acceso con le impostazioni utilizzate. Il modulo di Young non cambia in modo significativo nel tempo. Ciò suggerisce che la quantità di acqua assorbita dal campione del dispositivo proveniente dall'aerografo non è sufficiente da contribuire a una riduzione della rigidità.

Di seguito è riportato il modulo di Young in funzione del tempo per campioni saturi d'acqua, testati in ambienti di trazione con e senza controllo dell'umidità. Il recupero del modulo di Young iniziale è molto più lento nell'ambiente controllato. Questo dimostra l'aumento del tempo necessario affinché il campione si asciughi. In questo ambiente, il tempo aggiuntivo può essere utilizzato per eseguire prove meccaniche su campioni che sono stati impiantati.

Questi sono grafici rappresentativi che mostrano le curve sforzo-deformazione per un campione secco e un campione umido, precedentemente impiantato nella corteccia di un ratto per 30 minuti. Il modulo di Young, che corrisponde alla pendenza della curva sforzo-deformazione nella regione elastica lineare, è chiaramente molto maggiore per il campione secco. Entrambi i campioni sono stati sottoposti a deformazione fino alla rottura.

Questo grafico finale mostra il modulo di Young in funzione della durata dell'impianto per i campioni posizionati nella corticale. Dopo circa cinque minuti di impianto, il campione mostra una lieve variazione del modulo di Young. Ciò suggerisce che il campione raggiunge la saturazione e la rigidità minima entro questo periodo di tempo.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di pianificare in anticipo per garantire il mantenimento delle condizioni fisiologiche sia nel tessuto che nell'ambiente di prova ex vivo. Questo metodo può essere utilizzato per valutare il comportamento meccanico di altri materiali con proprietà dipendenti dall'ambiente, inclusi materiali biodegradabili, e può essere eseguito per valutare la velocità di degradazione o la stabilità meccanica di materiali polimerici in vivo.