機械的に適応型ポリマーナノコンポジットの環境制御のMicrotensileテスト ex vivoでキャラ

この手順の全体的な目標は、ポリビニル、アセテートベースのナノ複合構造の剛性の変化を、組織に埋め込まれた時間の関数として定量化することです。これは、最初にポリマーナノ複合サンプルをパターニングし、それらをアクリルホルダーに接着して組織に挿入し、マイクロメカニカルテストを行うことによって達成されます。第2のステップは、湿度源と輻射熱源を使用して、生体外で生理学的環境を模倣するマイクロ引張試験機環境を準備することです。

次に、インプラントサンプルを組織に挿入し、指定された時間後に取り出します。最後のステップは、サンプルを環境制御されたマイクロ引張試験機にロードし、機械的試験を実行して、指定されたインプラント期間後の材料のヤング率を決定することです。最終的に、この環境制御されたマイクロ引張試験は、生理学的環境にさらされた時間の関数としてヤング率によって測定される機械的剛性の変化を示すために使用されます。

動的機械分析のような可変的な機械的特性を測定する既存の方法に対するこの手法の主な利点は、マイクロスケールのサンプルに適用でき、湿度と温度を制御できることです。この方法は、インプラントに対する炎症反応がインプラント材料の剛性によってどのように影響を受けるかなど、神経インターフェース分野における重要な質問に答えるのに役立ちます。まず、溶液鋳造および圧縮技術で製造された厚さ25〜100マイクロメートルのポリ酢酸ビニルベースのナノ複合フィルムを取得します。

次に、70°Cのホットプレートで2分間加熱することにより、フィルムをシリコーンウェーハに接着します。これにより、フィルムとウェーハとの密接な接触が促進され、微細加工のためにフィルムが平らに保たれます。次に、レーザーマイクロメートル加工を使用して、フィルムを目的のテストサンプル形状にパターン化します。

ダイレクトライトレーザーマイクロマシニングパラメータは、0.5ワットの電力、毎秒56ミリメートルの速度、および1インチマシンあたり1000パルスに設定されています。セットアップサンプルと呼ばれる環境条件を確立するために使用されるサンプルは、横方向のパッド寸法が1.5ミリメートル×1.5ミリメートル、横方向のビーム寸法が300マイクロメートル×3000マイクロメートルの犬の骨形状の構造にされます。厚さは、インプラントサンプルと呼ばれるex vivo実験用のサンプルをビームに300マイクロメートル×6ミリメートルで、フィルムの厚さと一致する機械全体のフィルムの厚さと一致します。

マイクロマシニングセットアップからウェーハを取り外した後、カミソリの刃とピンセットを使用して、ウェーハからサンプルを慎重に放出し、サンプルを処理します。マイクロ引張試験機のグリップシステムの一部として機能するように設計されたアクリルホルダーを準備します。この実験では、各ホルダーは 11 mm x 7 mm、厚さは 2.2 mm で、マイクロ引張試験機のボルトと位置合わせするための 2 つの穴があります。

レーザーエッチングされたマーキングは、端から1.5ミリメートルのところにホルダーの中心線を示しました。インプラントサンプル1枚につきアクリルホルダーが1個必要で、アクリルホルダーの中心線に佐野アクリルゲル系接着剤を少量置き、マークされた中心線と重なるようにホルダーにインプラントサンプルの1.5mmの長さを丁寧に接着します。アクリルホルダーに接着するポリ酢酸ビニル系ナノコンポジットの1.5mmの長さだけに粘着ゲルが残るように注意してください。

まず、ドライセットアップサンプルをマイクロ引張試験機にロードします。最初にモバイルグリップ間でクランプし、次に固定グリップの間に、水で満たされたリザーバーを備えたエアブラシを固定位置に取り付け、ノズルをマイクロ引張サンプルに向けて固定します。エアブラシノズルを完全に閉じた状態で、エアブラシをプラスチックチューブを介してエアコンプレッサーに接続します。

エアコンプレッサーをオンにします。サンプルに加えられる引張ひずみと圧縮ひずみを交互に繰り返しながら、周期的なマイクロ引張試験手順を開始します。試験は、応力ひずみプロットの線形弾性領域に留まる必要があります。

この場合、加えられるひずみは2%未満に制限されますこれらの実験では、そのひずみを達成するために必要な力が測定されている間、ひずみ速度が制御されました。所望の湿度条件を決定するために、エアブラシノズルからの流れを徐々に増加させ、エアブラシからの流れの量の関数としてストレストレインプロットの傾きを監視し、60秒間にわたってヤング率の大幅な減少を引き起こさない最大流量が、ex vivo実験に使用されるレベルです。最後に、サンプル付近の温度を測定します。

理想的なセットアップには、デジタル読み出しを備えた熱電対が含まれ、エアブラシが動作している間に測定が行われます。生理学的条件に一致するように、サンプル温度が摂氏37度に保持されるように、放射熱源の強度と距離を設定します。コントロールの比較は、セットアップサンプルをリン酸緩衝生理食塩水またはPBSに少なくとも30分間浸すことから始まり、ヤング率が最小になるまで軟化します。

サンプルをマイクロ引張試験機に素早くロードし、エアブラシを外した状態でサイクルマイクロ引張試験を開始する サンプルが周囲条件下で乾燥している間、このデータから見つけたヤングのModuLiteは、制御されていない条件下でサンプルがどれだけ速く乾燥するかを示します。次に、2 つ目の PBS 飽和セットアップを読み込みます。マイクロテスターにサンプルを送り、ここでエアブラシを使用して周期的なマイクロ引張試験を開始し、計算されたヤングのmodは、制御された湿度条件下でサンプルがどれだけ速く乾燥するかを示します。

皮質組織のサンプルを固定します。このデモンストレーションでは、実験前および実験中、摂氏37度に維持された人工脳脊髄液の浴中で、外植された組織を水分補給します。次に、インプラントサンプルをホルダーに取り付けて、マイクロマニピュレータークランプに取り付けます。

プローブが皮質組織に対して直交するようにプローブを配置します。マイクロメートルマニピュレーターを使用して、ポリマーサンプルを皮質に下げます。ハンドコントロール。

ターゲットインプラント時間が1〜30分経過するまで、サンプルを皮質組織に残しておきます。プローブが皮質に埋め込まれているこの間、組織が乾燥しないように注意してください。固定クランプから3mmのゼロ変位位置にドライロッドをセットして、マイクロ引張試験機を準備します。

また、エアブラシのノズル流量設定と輻射熱源電力の設定を、以前に決定した値に設定します。指定されたインプラント時間の終わりに、マイクロマニピュレーターハンドコントロールを使用してプローブを皮質からすぐに持ち上げ、マイクロマニピュレータークランプからサンプルを慎重に取り出し、マイクロ引張テスターに持って行き、説明後すぐに2分以内にテストを開始し、2セットのマイクロ引張テスタークランプの間にサンプルをロードします。サンプルホルダーは1つのクランプの上半分として機能するように設計されているため、インプラントサンプルアセンブリをモバイルグリップサンプル側を下にして置きます。

サンプルは各クランプの中央に取り付ける必要があり、クランプは互いに水平である必要があります。これにより、ひずみはプローブの長さに沿ってのみ適用されるようになります。次に、クランプ間の距離が3ミリメートルになり、プローブの端が固定クランプに配置されるようにサンプル位置を調整します。

クランプ間の3ミリメートルの長さは、後の計算で使用されるサンプルのゲージ長です。サンプルを両方のクランプの間に固定した直後、神経組織からの説明から2分以内に、モーターを引張方向に作動させて、サンプルを一定の速度で伸ばします。ここでの速度は毎秒10マイクロメートルです。

サンプルの伸びと、サンプルのひずみに必要な力を同時に測定し、記録します。サンプルの機械的故障時、またはドライロッド範囲に達したときに、マイクロ引張試験を停止します。収集したデータを分析用にエクスポートします。

各サンプルおよび/または移植条件に対してマイクロ引張試験を繰り返します。ソフトウェアを使用して、各サンプルの応力対ひずみ曲線をプロットします。次に、プロットの線形弾性部分を分離します。

プロットの分離された部分には、少なくとも 10 個のポイントを含める必要があり、傾きが最大のプロットのセクションから取得する必要があります。次に、ソフトウェアベースのカーブフィッティングツールを使用して、この部分に最適なフィットラインを見つけます。ベストフィットラインの傾きは、サンプルのヤング率に対応します。

サイクリック モードでテストされたセットアップ サンプルについて、各サイクルのヤング率を決定します。これが完了したら、各サイクルのヤング率と時間をプロットします。このプロットでは、環境を制御するための正しいエアブラシ設定を決定するための周期引張試験中に測定された、時間の関数としてヤング率を選択しました。

影付きの領域は、使用したエアブラシ設定でエアブラシがオンになった時間です。ヤング率は、時間の経過とともに大きく変化しません。これは、セットアップサンプルがエアブラシから吸収する水の量が、剛性の低下に寄与するのに十分ではないことを示唆しています。

これは、水分制御された引張試験環境と制御されていない引張試験環境の両方で、水飽和サンプルのヤング率とタイムの比較です。制御された環境では、初期ヤング率の回復ははるかに遅くなります。これは、サンプルが乾燥するのに必要な時間の増加を示しています この環境では、この余分な時間を使用して、埋め込まれたサンプルに対して機械的テストを実行できます。

これらは、乾燥したサンプルとラットの皮質に30分間移植された湿ったサンプルのストレストレイン曲線を示す代表的なプロットです。ヤング率は、線形弾性領域の応力行列プロットの傾きに対応しており、乾燥サンプルの方が明らかにはるかに大きくなります。両方のサンプルは、侵入するために緊張していました。

この最後のプロットは、皮質に配置されたサンプルのヤング率とインプラントの持続時間です。移植の約5分後、サンプルはヤング率にほとんど変化を示しません。これは、サンプルがこの期間内に飽和と最小剛性に達することを示唆しています。

この手順を試行する際には、組織とex vivo試験環境の両方で生理学的条件を維持できるように、事前に計画を立てることを忘れないでください。この方法は、生分解性材料を含む、環境依存性の特性を持つ他の材料の機械的挙動を評価するために使用でき、in vivoでの高分子材料の分解速度または機械的安定性を評価するために実行できます。