神経のインプラントの軟化挙動を予測する環境の動的機械分析

サマリー

生体内の環境で神経のインプラント用高分子基板の軟化の信頼性の高い予測できるように、信頼性の高い体外メソッドを持つことが重要です。ここでは、体温でリン酸緩衝生理食塩水の動的機械分析の使用が表示されます。

要約

神経のインプラントの動的に軟化の基板を使用して、信頼性の高い体外メソッドでこれらの材料の軟化挙動を評価することが重要です。過去には、満足のいく相当な努力もせず体内環境を模倣した条件下での薄膜の軟化を測定することはなかった。この文書は、関連する温度でリン酸緩衝生理食塩水 (PBS) など、ソリューションで高分子の動的機械分析 (DMA) を可能にする新しい方法を提示します。環境 DMA 使用するため生体内での条件下での材料挙動の予測を可能にする様々 なメディアや温度、可塑化を伴う高分子材料の軟化効果の測定。

概要

新世代基板として神経のインプラントに使用される材料の軟化形状記憶ポリマー^{1,2,3,4,5,6,7 で構成されて ,8,9}。これらの材料は重要な座屈力を克服するために注入の時に十分な硬さが、体内環境で注入後最大 3 桁のソフトになります。これらの材料がタングステンやシリコンなどの神経のインプラントで使用される従来の材料と比較して弾性率の減少の不一致のためのより良いデバイス生体作用を示すことが予想されます。伝統的な硬いデバイスは、組織カプセル化およびグリア瘢痕デバイス障害^10,11に続く注入後の炎症反応を表示します。共通の前提が少なく硬いデバイスが異物応答^12,13,14を最小限に抑えることです。装置の剛性は、その断面積と弾性率によって決まります。したがって、デバイスのコンプライアンスおよび、最終的に、デバイスの生体作用を改善するために両方の要因を減らすために重要です。

ポリマーの軟化作業は、グエンら¹⁵、機械的に準拠した皮質内インプラントがアミロイドの応答を減らすことを示した人の仕事に触発されました。彼らは以前、注入後準拠となる機械的に適応 poly(vinyl acetate)/ホヤ セルロース微結晶 (tCNC) ナノコンポジット (NC) を使用しています。

Voit 演習は、その一方で、チオール-エン ・ チオール-エン/アクリル酸エステルのポリマーの高度可変システムを使用します。これらの材料は、生体内での条件への露出の後軟化の程度は高分子設計で簡単にチューニングできる有利です。選択すると右の高分子組成と架橋密度、ガラス転移温度と樹脂のヤング率がすることができます^2,4,5,6、8を変更します。軟化の基になる効果は、水環境のポリマーの可塑化です。体温の上のガラス転移温度 (T_g) (注入中の状態)、乾燥ポリマーを持つが水またはポリマーの結果剛性・弾性率、PBS 中に浸漬後体温以下(ソフト) ときにゴムのような注入¹⁶ガラス (硬い) 乾燥したときからシフトすることができます。

しかし、可塑化と状態をウェットに乾燥からT_gのシフトによる軟化の正確な信頼性の高い計測ができませんでした過去に測定します。従来の動的機械分析、空気または不活性ガスで実行し、ソリューション内の高分子の機械的・熱的特性の測定を許可しません。以前の研究でポリマー浸漬されている PBS で時間の様々 な量。腫れのサンプルは動的機械分析 (DMA)^6,7、8を実行する使用してしました。ただし、プロシージャには、温度ランプが含まれているのでサンプルは測定中に乾燥を開始、代表的なデータを得られない。サンプル サイズが小さい場合、これは特に当てはまります。神経プローブの軟化を予測するためにあろう 5 を 50 μ m 薄いポリマー フィルムをテストするために必要な上記サンプルの測定の間に乾燥のため従来の DMA と不可能であります。

ヘスら¹⁷特注報試験環境制御法を用いた機械的に適応材料の機械的特性を評価するために機を設計しています。以前、乾燥を防ぐために測定中にサンプルに水をスプレーをエアブラシ システムを使用しています。

環境 DMA (図 1) の使用は、ただし、水と温度、PBS などのソリューションに高分子薄膜の測定できます。これにより、浸軟化状態でポリマーの機械的・熱的性質の測定だけでなく、その軟化速度の測定。でも引張試験および膨張測定がこのマシンの浸漬内湯可能です。これにより、生体内での挙動を予測する高分子基板の可塑化による軟化の正確な研究。

プロトコル

1. テスト用ポリマー試料の調製

1. 発煙のフードの中の以前のプロトコルによると軟化のチオール-エン高分子を合成します。^1,2,4,18簡単に、ミックス アルケン モノマーにチオールの定量的量 0.1 wt % 写真イニシエーターの合計。
   1. ポリマーを混合するため 20 mL ガラス瓶を準備します。モノマー ソリューションへのお問い合わせからの入射光を防ぐためにアルミ箔にバイアルをカバーし、室温 (RT) で維持します。さらに精製することがなく受信したすべての化学物質を使用します。
   2. 完全に軟化高分子追加 50 mol %1,3,5-トリアリル-1,3,5-トリアジン-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO)、45 mol % トリメチ ロール プロパン tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) と 5 mol % トリス [2-(3-mercaptopropionyloxy) エチル] イソシアヌ レート (TMICN) に、バイアル使い捨てプラスチック ピペットを使用して覆われています。
   3. 高分子溶液に 0.1 wt %、photoinitiatior 2, 2-ジメトキシ-2-phenylacetophenone (DMPA) を追加します。
   4. 光ソリューションを公開することがなく混合惑星の速度によって、バイアル内のコンテンツを徹底的にミックスします。
      注: 高分子溶液は光に敏感で、箔で覆われている場合でも、重合 45 ~ 60 分後に開始されます。したがって、混合した後、できるだけ早くポリマー溶液を使用します。
2. スピン曲線 (図 2) によるとキャリア基材としてガラス顕微鏡スライドまたはシリコン ・ ウエハーの厚さで 5 ~ 50 μ m の薄膜としてセクション 1.1 で作製した高分子溶液のコートをスピンします。30 μ m の膜厚、30 で 600 rpm でスピン s。
   注: 別の SMP 定式化を使用して、スピンの速度と時間によって異なります高分子溶液の粘度。
3. 架橋チャンバーにスピン後すぐにキャリア基板上の高分子薄膜を転送します。365 nm UV 電球の下で 60 分のフィルムと真空オーブンでさらに 120 の ° C で 24 時間後の治療写真重合変換を完了します。
4. 4.5 mm 幅と DMA テストのための 50 ミリメートルの長さの長方形のサンプルに硬化ポリマー フィルムをカットします。厚さは 50 μ m 5 から異なる場合があります。サンプルは、ジオメトリ (1.4.1 または 1.4.2 のステップを選択) 2 つの異なるメソッドを適用することを測定に同伴可能です。
   1. CO₂レーザを使用して四角形に硬化ポリマー フィルムをカットします。5.0% の電力 (2.0 W) し、10.0% の速度 (0.254 m/s) CO₂レーザ微細加工パラメーターを設定 (図 3 a)。
   2. クラス 10000 のクリーン ルーム施設 (図 3 b) フォトリソ DMA のサンプルを定義します。クリーン ルームで開始基板として SMP にガラスやウェハの基板を使用します。
      1. 低温窒化ケイ素次プラズマ エッチング プロセスのハード マスクとして機能する沈殿物します。標準のリソグラフィ技術を使用してデバイスの概要/図形のパターンします。SF₆ O₂プラズマとプラズマ エッチング装置を使用して、それぞれハードマスクと SMP レイヤーを削除します。
      2. SMP 層がガラス スライド/ウェハまでエッチング プラズマと、エッチング シリコン窒化のハードマスクの希釈 10:1 HF ディップに残りであります。
5. 最後のステップとして脱イオン水に浸漬によるガラス スライド/ウェーハからテスト デバイスを剥離されます。

2 コンピューターのセットアップ

1. 浸漬システムと動的熱機械分析装置 (DMA) を使用します。緊張モード (図 1) で浸漬装置を利用してマシンを装備します。液体窒素をマシンに接続し、炉のガス供給源として LN2/空気を有効にします。
2. 乾燥機のソフトウェアは、次の 3 つの手順を含む測定法を書く: 振動温度ランプ エアコン エアコン末テスト、しパラメーターを設定、次のように。
   1. エアコン オプションに以下のパラメーターを設定: モード = アクティブ、「緊張感」、軸力 ="on"感度に 0.05 N の初期値を設定 0.0 N、比例して強制的にモード = 力係数補償追跡、選択「軸力」の = を設定して25.0%、最小軸力に力 = 0.05 N、プログラム 0.0 以下拡張 Pa、モードを有効に、歪みを調整する最小ひずみ 0.05% を = = 0.1%、最大ひずみ = 0.5%、最小の力 = 0.05 N、最大の力 = 0.2 n.
   2. 振動温度ランプの次のパラメーターを設定: 開始温度 = 10 ° C、セット ポイントを継承 = オフ、浸漬時間 0.0 s、温度を待つ = ランプに入る率 2.0 ° C/分、終わりの温度を = = 100 ° C、ソーク時間ランプ後 0.0 s、サンプリング レート = 1 ポイント/秒、strain % = 0.275%、一点、周波数 1 Hz を =。
   3. テストのご利用終了の次のパラメーターを設定: 環境制御軸力調整をオフ = =、モードを無効に、トランスデューサー/モーター = オフ。
3. 次の 4 つのステップを含むコンピューター ソフトウェアでテストの浸漬メソッドを記述: エアコン、発振時間、振動温度ランプ、エアコン-末テスト、しパラメーターを設定、次のように。
   1. エアコン オプションに以下のパラメーターを設定: モード = アクティブ、「緊張感」、軸力 = 0.05 N の初期値を設定する"on"、感度 0.0 N、比例して強制的にモード = 力係数補償、追跡 = オン、選択「軸力」と設定25.0%、最小軸力に力 = 0.05 N、プログラム 0.0 以下拡張 Pa、モードを有効に、歪みを調整する最小ひずみ 0.05% を = = 0.1%、最大ひずみ = 0.5%、最小の力 = 0.05 N、最大の力 = 0.2 n.
   2. 発振時間の次のパラメーターを設定: 温度 = 39.5 ° C、セット ポイントを継承 = オフ、浸漬時間 0.0 秒、温度を待つ = オフ、期間 = 3600.0 s、サンプリング レート = 1 ポイント/秒、ひずみ % 0.275%、一点、周波数 = = 1 Hz。
   3. 振動温度ランプの次のパラメーターを設定: 開始温度 10 ° C を = セット ポイントを継承 = オフ、浸漬時間 = 300.0 s、温度を待つ = オフ、ランプに入る率 = 2.0 ° C/分、最後の温度 = 85 ° C、ソーク時間ランプ後 = 300.0 s、サンプリング レート = 1 ポイント/秒、s% を列車 = 0.275%、一点、周波数 1 Hz を =。
   4. テストのご利用終了の次のパラメーターを設定: 環境制御軸力調整をオフ = =、モードを無効に、トランスデューサー/モーター = オフ。

3. 読み込みとアンロードの乾燥測定用サンプルします。

1. 0.001 mm の精度でキャリパーと (空気中) 乾燥テスト用ポリマー試料の実際の厚さを測定します。
2. ソフトウェアにサンプルの名前、説明、およびサンプルのジオメトリを入力します。
3. ロード ギャップを 15 mm に設定し、サンプルをロードします。センター クランプねじで締まる前に供試体を揃えるようにタイトな手または 0.1 N でトルク レンチ (図 3) を使用します。
4. 炉を閉じてセクション 2.2 で説明する方法を使用して測定を開始します。
5. 測定が終わるまで待ちます。炉を開き、マシンから高分子サンプルを削除します。

4. サンプル水浸試験の荷役

1. 0.001 mm の精度でキャリパーを PBS でテスト液浸のためポリマー試料の実際の厚さを測定します。
2. ソフトウェアにサンプルの名前、説明、およびサンプルのジオメトリを入力します。
3. (図 4 a, B) 上のグリップでクランプ付き固定液浸ビーカーでセットアップを準備します。
4. ロード ギャップを 15 mm に設定し、読み込みのサンプル (図 4)。センター クランプねじで締まる前に供試体 (図 5) を揃えるようにタイトな手または 0.1 n. でトルクレンチを使用
5. 下器具の浸漬お風呂を配置し、しっかりとスクリュー (図 4)。RT PBS (図 4E) でお風呂を埋める、上 (図 4 階) に蓋を置き、炉 (図 4) を閉じる、セクション 2.3 で説明する方法を使用してすぐに測定を開始します。下水管が閉じていることを確認 (図 4 H)。
6. 測定が終わるまで待ちます。ドレインを使用して浸風呂から PBS を削除します。炉を開き、蓋ビーカーから、浸漬ビーカーを外し、持ち上げて、外しポリマー サンプル マシンから。
7. クランプ、PBS から任意の残りの塩を削除する解除アイロンをかけた水で浸漬ビーカーをきれい。

5. 測定

1. 浸漬ビーカーせず空気中の高分子を測定します。ロードとアンロードのセクション 3 で説明したサンプルの手順に従います。この測定の少なくとも 3 を繰り返します統計的な関連性の結果を収集するために x。
2. セクション 4 で説明されている手順に従って浸漬内湯ポリマーを測定します。繰り返し測定を少なくとも 3 統計的な関連性の結果を収集するために x。

6. データの解釈

1. 生データを表形式で表示またはグラフとしてプロットできるマシン ソフトウェアで [結果] タブを開きます。
2. 軟化の速度を評価する時間をかけて貯蔵弾性率として、発振時間測定、浸漬測定の最初の部分をプロットします。どのくらいの速ポリマーの弾性率は PBS 中に浸漬しながら時間をかけて減少曲線が表示されます。
3. 係数のレベル、時間に注意してください。これは生理学的条件下で軟化の時間を表します。
4. ポリマーは 1 時間のセットの浸漬時間後完全に軟化しない増加の浸漬時間と測定を繰り返します。
5. (ドライ) 前にポリマーの機械的・熱的特性を表示する温度に左軸、右軸に tan デルタ貯蔵弾性率空気と PBS で測定値の振動温度ランプを表示後 (PBS) で可塑化.
6. ドライ (空気) のデータをプロットし、PBS 測定より一緒に可塑化によるサーモメカニカル特性に変更を表示します。
7. これらどれだけポリマーを注入中に柔らかく評価の関連番号 37 ° c、浸漬のサンプルの 25 ° c の乾燥した材料の貯蔵弾性率に注意してください。
8. 乾燥で浸したサンプル間 tan デルタ ピークの変化に注意してください。
9. さらにデータの解釈と他のソフトウェアとプロットの .txt ファイルまたは .csv ファイルとしてデータをエクスポートします。

結果

環境 DMA 使用する軟化反応とポリマーの全般的な軟化機能の分析。プロトコルの温度-時間の測定モードを使用して、異なるポリマー配合の軟化のプロファイルはお互い (図 6) を比較できます。このメソッドは、軟化と膨張率のポリマーの定量化にも使用できます。それは、異なるポリマー配合が 37 ° C PBS に浸漬されている間軟化の程度が異なるを受ける可能性があります図 4に示すことができます。370 MPa、40 MPa に完全に軟化のポリマーに 1700 MPa から柔らかくなり半軟化ポリマーに対し、非軟化バージョンは GPa の範囲に残ります。すべての 3 つのポリマー配合の軟化は 10 〜 15 分の内で起こる。

乾燥の DMA 測定、PBS で測定の組み合わせの使用により、 T_gのうつ病とモ...

ディスカッション

体内を模倣する条件し、環境の DMA の使用により、神経のインプラント¹⁹またはソリューション内の他のバイオメディカル デバイスの基板として使用様々 な高分子材料の挙動の研究。これが含まれますが、ポリイミド、パリレン C、PDMS、SU 8 に限定されていません。ゲルおよび細胞外マトリックス (ECM) 材料は、このメソッドを使用して調査するもできます。水、重水、PBS など、さまざまなソリューション間の軟化の速度と同様、ポリマーの全般的な軟化の違いを簡単に比較できます。また、異なる浸漬温度やさまざまな高分子膜厚と組成による違いの影響をテストすることが可能です。

このメソッドでは、高分子ゲルの軟化挙動に様々 な治療法の影響の勉強もできます。治療には、様々 な滅菌方法、加速様々 なメディア、および表面改質加齢のアプリケーションが含まれます。この培養法は、研究者の動作およびこれらの材料の耐久性については、信頼性の高い体外測定を得るし、不必要な動物実験を避けるために役立ちます。ただし、P...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
1,3,5-トリアリル-1,3,5-トリアジン-2,4,6(1H,3H,5H)-トリオン (TATATO)	Sigma-Aldrich	114235-100G
2,2-ジメトキシ-2-フェニルアセトフェノン (DMPA)	Sigma-Aldrich	196118-50G
CO2レーザー グラボグラフ LS100	Gravotech, Inc.
コーニング大型ガラス顕微鏡スライド、75 x 50mm	テッドペラ	26005
環境DMA:RSA-G2固体分析装置	TAインスツルメンツ
ESD安全プラスチックピンセット、ヒント;フラット、ダックビル、11.5 cm	コールパーマー	EW-07387-17
ローレル WS-650-8B スピンコーター	ローレルテクノロジーズコーポレーション
液体窒素	空気ガス
PBS、1X ソリューション、フィッシャーバイオ試薬	フィッシャーサイエンティフィック	BP243820
シェルラボ 真空オーブン	VWR インターナショナル	89409-484
シリコンウェーハ	大学ウェーハ		グレード
RSA-G2液浸システム	TAインスツルメンツ
トリメチロールプロパントリス(3-メルカプトプロピオン酸)(TMTMP)	シグマ-アルドリッチ	381489-100ML
UVP CL-1000架橋チャンバー、365nm電球	VWRインターナショナル	21474-598