Method Article

에 대한 기계적 적응 고분자 나노 복합 재료의 환경 제어 Microtensile 테스트 생체 특성

DOI:

10.3791/50078

⸱

August 20th, 2013

 ,  ,  ,  , 
1Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University, 3Department of Electrical Engineering and Computer Science, Case Western Reserve University

In This Article

Summary

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

방법을 논의하는 생체 내 기계 동작은 시간의 함수로 모니터링됩니다. 샘플 테스트 생체 생리적 환경을 시뮬레이션하기 위해 환경 관리와 microtensile 테스터를 사용하여. 이 작품은 더 이해 촉진 생체 내 행동.

Abstract

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

이식 할 수있는 초소형 디바이스는 여러 생물 의학 응용 1-4에 상당한 관심을 얻고있다. 이러한 장치는 재료 자체의 장점과 단점 5,6을 제공하는 각각의 범위에서 변경되었습니다. 가장 눈에 띄게, 마이크로 디바이스 크기 때문에, 높은 계수는 살아있는 조직으로 주입을 용이하게하기 위해 필요합니다. 반대로, 장치의 강성에 의한 지역의 긴장 7-9을 최소화하기 위해 주변 조직과 일치해야합니다. 따라서, 우리는 최근 기계적 물성 10-14의 변화와 환경 자극에 응답하여 이러한 요구 사항을 충족하는 바이오 영감 재료의 새로운 종류를 개발했다. 물과 높은 온도 (예를 들면 체온)에 노출되었을 때, 특히 우리의 폴리 (비닐 아세테이트) 기반의 나노 복합체 (PVAC-NC)는 강성의 감소를 표시합니다. 불행히도, 몇 가지 방법은 생체 내 15에있는 재료의 강성 및 기계화를 정량화하기 위해 존재생리적 환경 외부 anical 테스트는 종종 이식에 대한 큰 샘플 부적절한 필요합니다. 또한, 자극 - 반응 자료는 신속하게 explantation 후 초기 강성을 복구 할 수 있습니다. 따라서, 우리는 이식 microsamples의 기계적 특성이 생체 측정 할 수있는 방법을 개발했습니다, 시뮬레이션 생리적 조건 습기와 온도 제어 13,16,17를 사용하여 유지.

이를 위해, 사용자 정의 microtensile 테스터는 영의 계수를 (10 MPa의 5 GPa의 범위) 널리 변화와 마이크로 샘플에게 13,17을 수용 할 수 있도록 설계되었습니다. 우리의 관심은 생물학적 적응 신경 프로브 기판 마이크로에서 시료의 기계적 특성 필요하다고 할 수있는 도구로 PVAC-NC의 응용 프로그램입니다.로 이 도구는 건조 및 17 냉각 샘플을 최소화 습도와 온도 제어를 제공하기 위해 적응했다. 그 결과, 기계공explanted 시료의 알 특성은 밀접하게 explantation 직전에 샘플들을 반영한다.

이 방법의 전반적인 목표는 정량적 자극 - 반응, 기계적 적응 고분자 기반 소재의 생체 기계적 성질, 특히의 탄성 계수에 평가하는 것입니다. 이 첫 번째 이식의 결과가 독립적으로 강성의 감소에 기여하지 않고 explantation 후에 견본 기계적 특성의 변화를 최소화 할 수있는 환경 조건을 설정하여 수행됩니다. 샘플은 다음 주입, 처리 및 테스트 (그림 1A)를위한 준비가되어 있습니다. 각 샘플은 지정된 기간 동안 explanted 쥐의 두뇌 (그림 1B)로 여기에 표시됩니다 쥐의 대뇌 피질에 이식된다. 이 시점에서, 샘플 (그림 explanted 즉시로드 microtensile 테스터로하고 인장 시험을 받는다1C). 이후 데이터 분석은 대뇌 피질의 환경에서 이러한 혁신적인 재료의 기계적 거동에 대한 통찰력을 제공합니다.

Protocol

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

1. 샘플 준비

  1. 솔루션 주조 및 압축 기술 10-12을 사용하여 25-100 ㎛의 범위에서 두께 PVAC-NC 필름을 준비합니다.
  2. 영화와 웨이퍼 사이의 친밀한 접촉을 촉진하기 위해 70 ° C (유리 전이 온도 이상) 두 분 핫 플레이트에 가열하여 실리콘 웨이퍼에 필름을 준수합니다. 이 단계는 준비된 필름 평면 마이크로 프로세스에 필요한 실리콘 웨이퍼를 평평하고 고정 유지되도록합니다.
  3. 레이저 미세 가공 (VLS 3.50, VersaLASER)에 의해 시료 형상으로 본 영화. 1.0 %의 전력 (0.5 W), 4.0 % 속도 (56mm / s)로, 그리고 인치 13,16 1,000 펄스 CO 2 직접 쓰기 레이저 미세 매개 변수를 설정합니다.
  4. 측면 패드 크기 1.5 × 1.5 mm 2, 희미한 측면 빔 dogbone 모양의 구조로 환경 조건 ( "설치 샘플")을 설정하는 데 사용되는 패턴 샘플두께가 일치 ensions 300 X 3,000 μm의 2에 걸쳐 필름 (그림 2)의.
  5. 두께는 그 영화의 일치 패턴 생체 실험 샘플 ( "임플란트 샘플") 빔에 300 μm의 X 6 mm의.
  6. 조심스럽게 면도날과 핀셋을 사용하여 웨이퍼에서 샘플을 놓습니다.
  7. 샘플 처리를 위해, microtensile 테스터 그립 시스템의 일부로 사용할 수 있도록 설계 맞춤 가공 아크릴 홀더를 준비합니다. 레이저 에칭 표시는 홀더의 중심선 끝에서 1.5 mm를 보여줍니다. 아크릴 홀더의 중심선에 시아 노 아크릴 레이트 겔 기반의 접착제의 작은 금액을 놓고 조심 홀더에 임플란트 샘플 1.5 mm의 길이를 준수하고 표시된 중심선 (그림 3) 겹칩니다. 각 임플란트 샘플은 하나의 아크릴 홀더가 필요합니다. 접착제 젤은 ACR을 준수하는 PVAC-NC의 1.5 mm의 길이에 따라 남아 있는지 확인해야합니다ylic 홀더. 그렇지 않으면, 접착제 젤은 샘플의 기계적 작동을 방해 할 수 있습니다.
  8. 적어도 24 시간 동안 건조기에서 그들을 배치하여 모든 시료에서 수분을 제거합니다.
  9. 길이, 너비 및 광학 현미경을 사용하여 샘​​플의 두께 치수를 측정한다.

2. 환경 조건을 설정

  1. 먼저 고정 그립 사이에 다음, 모바일 그립 사이에 체결, microtensile 테스터 (그림 4 참조)에 건조 설정 샘플을로드합니다.
  2. microtensile 샘플 향하는 노즐, 고정 된 위치에 물이 채워진 탱크와 에어 브러시를 장착합니다. 플라스틱 튜브를 통해 공기 압축기 에어 브러쉬를 연결합니다. 에어 브러쉬 노즐이 완전히 폐쇄, 공기 압축기의 전원을 켭니다.
  3. 인장 변형 (긍정적 변형)와 t에 적용되는 압축 응력 (음의 변형) 교대 순환 microtensile 테스트 절차를 시작그 샘플은, 응력 - 변형 그래프의 선형 탄성 영역 내에 남아있는. PVAC-NC 경우, 적용 변형은 2 % 이하로 제한됩니다. 그 긴장을 달성하는 데 필요한 힘을 측정하는 동안이 실험에 사용 된 사용자 정의 microtensile 테스터에서 변형률 속도를 제어 하였다. 또한, 다른 설정은 결과 변형률을 측정하는 동안 가해진 힘을 제어 포함 할 수 있습니다.
  4. 점차적으로 에어 브러시 노즐의 흐름을 증가하고, 에어 브러시에서 흐름의 양의 함수로 응력 - 변형 그래프의 기울기를 모니터링합니다. 60 초에 걸쳐 탄성 계수의 의미 (> 10 %) 감소를 일으키지 않는 최대 유량은 생체 실험에 사용되는 수준입니다. 이 시점에서, 습도 조건 (따라서 탄성 계수의 감소에 기여) 건조 샘플을 적시하지 않으며, 또한 생체 내 생물학적 체액에 노출 된 후 건조 샘플 ESTA했습니다 최소화 할 것blished.
  5. 샘플 근처의 온도를 측정한다. 이상적인 설정은 디지털 판독과 열전대를 포함 할 것, 그리고 에어 브러시가 작동하는 동안 수행 할 수. 시료 온도는 37 ° C, 생리적 조건에 일치하는 일까지 개최되는 등 복사 열원의 강도와 거리를 설정합니다.

3. 환경 제어 비 환경 컨트롤 비교

  1. 인산 적어도 30 분 동안 담가 설정 샘플은 식염수 버퍼. 이 시간 후, 시료가 완전히 포화되고 주어진 온도에서의 최소 탄성 계수로 감​​소되었습니다.
  2. 빨리 microtensile 테스터로 샘플을로드하고 주기적 microtensile 테스트를 시작, 오프 에어 브러쉬로, 샘플을 건조하는 동안. 이 비 통제 된 조건 하에서 얼마나 빨리 샘플 건조를 결정합니다.
  3. microtensile 테스터에 두 번째 PBS 포화 설정 샘플을로드하고 주기적 microtensile 테스트를 시작합니다에 에어 브러쉬. 이 통제 된 환경 조건에서 얼마나 빨리 샘플 건조를 결정합니다.

4. 프로브 주입 및 Explantation

  1. micromanipulator에 클램프 및 대뇌 피질의 조직에 직교하는 위치에 임플란트 샘플을 첨부합니다.
  2. 삽입하기 전에, 조직 역학의 균일 성을 보장하기 위해 식염수 조직이 충분히 촉촉한 유지합니다.
  3. micromanipulator에 손 컨트롤을 사용하여 피질에 고분자 샘플을 낮 춥니 다. 일반적으로 1 ~ 30 분 사이, 대상 임플란트 때까지 대뇌 피질의 조직 샘플을 둡니다. 가볍게 5 분, DAB를 통해 시간 포인트를 건조로부터 조직을 방지하기 위해 조직을 생리 식염수에 적신 면봉을 사용하여 매 5 분.
  4. 프로브가 피질에 이식되는 동안 고정 된 샘플 클램프에서 3.0 mm의 제로 변위의 위치에 드라이브로드를 설정하여 현재 이식 샘플을로드하기 위해 microtensile 테스터를 준비합니다. 또한, 에어 브러쉬 노즐을 설정유량 설정하고 적절한 강도 2.4 단계에서 확인하는 복사열 소스.
  5. 지정된 임플란트 시간의 끝에, micromanipulator에 손 컨트롤을 사용하여 피질의 프로브를 올립니다. 즉시 조심스럽게 micromanipulator에 클램프에서 샘플을 제거하고 단계 5.2에서 자세히 설명 microtensile 테스터로로드합니다.

5. 임플란트 샘플의 Microtensile 테스트

  1. explantation 후 시간을 절약하기 위해, microtensile 테스터로 단계 4.4에서 설명한 사전에 주입하는 임플란트 샘플을 받아 완전히 준비가되어 있는지 확인합니다.
  2. 즉시 explantation 후, microtensile 테스터 클램프의 두 세트 사이의 샘플을로드합니다. 샘플이 하나의 클램프의 상단 역할을하도록 설계 아크릴 홀더에 장착되어 있기 때문에, 아래로 이동 그립 샘플 측의 임플란트 샘플 어셈블리를 배치합니다. 그것은 샘플이 설치되어 있는지 확인하는 것이 중요하다되도록 변형 APPL입니다만 테스트하는 동안 시료에 토크를 적용 피하기 위해 프로브의 길이를 따라 이었죠. 같은 샘플은 각 클램프의 중앙에 장착해야하며, 클램프 서로에 대해 수준이어야합니다.
  3. 클램프 사이의 거리가 3.0 mm, 그리고 프로브가 고정 클램프에 배치됩니다의 끝 그러한 샘플의 위치를​​ 조정합니다. 클램프 사이 3.0 mm 길이는 샘플의 게이지 길이, 샘플의 변형을 결정하기 위해 나중에 계산에 사용됩니다.
  4. 즉시 두 클램프 사이의 샘플을 확보 한 후 동시에 측정하고를 기록하는 동안, 그리고 신경 조직에서 explantation의 2 분 이내에, 일정한 속도 (여기에 사용 된 10 ㎛ / 초)에서 샘플을 연장하는 인장 방향으로 모터를 작동 샘플의 신장과 샘플을 변형하는 데 필요한 관련 인력 (로드 셀, 트랜스 듀서 기술 MDB-2.5 사용) (변위 표시, Mitutoyu 543-561 사용).
  6. 각 샘플 및 / 또는 상태 (즉, 삽입 시간)의 각 집합에 대한 microtensile 테스트를 반복합니다.

6. 데이터 분석

  1. ε는, t는 시간을 적용 변형입니다 수학 식 1에서 설명한 최초의 게이지 길이에 의해 신장의 거리를 나누어 이식 샘플 응용 공학 변형에 원시 신장 데이터를 변환, D는 마이크로 미터에 의해 측정 된 변위 표시기 및 L 0는 샘플의 초기 게이지 길이 :
    figure-protocol-1 (1)
  2. TRA에 의해, 힘 (뉴턴)으로 나누어 시료의 엔지니어링 스트레스에 원시 힘 데이터를 변환수학 식 2에 설명 된 nsverse 단면적 :
    figure-protocol-2 (2)
    샘플 응력 σ 여기서, F는로드 셀 (뉴턴)에 의해 측정 된 힘이다, W 0 샘플의 초기 폭, 그리고 t 0 샘플의 초기 두께입니다.
  3. 스트레스를 줄거리 ([t]를 σ) 대 변형 (ε [T]) Microsoft Excel과 같은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 각 샘플에 대한 곡선.
  4. 플롯의 선형 탄성 부분을 분리하고이 부분에 가장 적합한 라인을 찾기 위해 소프트웨어 기반의 커브 피팅 도구를 사용합니다. 가장 적합한 직선의 기울기는 시료의 탄성 계수에 해당합니다. 음모의 고립 된 부분은 적어도 10 응력 - 변형 점을 포함해야하며, 기울기가 큰 인 플롯의 부분에서주의해야한다.
  5. 주기적인 테스트의 탄성 계수는​​ 각 사이클에 대해 결정해야합니다. 이것은 자동 또는 수동으로 수행 할 수 있습니다.
  6. 대 시간 각 사이클의주기 테스트, 플롯의 탄성 계수. 이 설정 샘플은 적시거나 건조 얼마나 빨리 나타내는 것입니다 시간이 어떻게 측정 계수의 변화를 나타냅니다.
  7. 임플란트 샘플, 임플란트의 각 샘플 및 시간주기 검사의 단일 사이클에 해당합니다. 각 임플란트 샘플 위에서 설명한 절차를 사용하여의 탄성 계수를 측정한다.
  8. 탄성 계수 대 임플란트 시간을 플롯합니다. 이 시점에서 비교는 벤치 탑 조사 등을 만들 수 있습니다

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Results

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우리 PVAC-NC를 포함한 거의 모든 고분자 재료의 기계적 특성은 환경 조건에 노출에 따라 달라집니다. 특히, 이러한 열이나 습기에 노출이 (가) 있습니다. 재료 인해 수분의 흡수에 가소, 또는 온도 변화를 겪게되면 탄성 계수의 감소를 표시합니다. 습기 및 생체 시료 기계적 특성에 대한 온도 제어 환경을 준비, 그것은 기계적 테스트 중에 microtensile 테스터뿐만 아니라에 샘플을로드하는 동안 시료의 수분 함량에 최소한의 변화가 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 이것은 샘플 에어 브러시에 의해 생성 된 수분에 의해 좌우되지 않으며, 빠르게 외부 환경에 건조 않는지 확인하기 위해 컨트롤 설정의 샘플 실험을 사용하여 계산됩니다. 그림 5는 마른 설치의 기계적 동작을 설명하는 예제 플롯을 보여줍니다 CYCL 동안 샘플적절한 에어 브러시 습기 설정 iCal의 인장 시험. 에어 브러시가 켜진 상태에서 탄성 계수에 변화가 최소화됩니다. 외부 환경 강성의 감소 또는 증가에 기여하지 않아...

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Discussion

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생물학적 시스템과 상호 작용하기위한 이식 생체 미세 전자 기계 시스템 (bioMEMS)의 발전은 고도로 맞춤 특성을 가진 새로운 재료의 개발 동기를 부여하고 있습니다. 이러한 물질 중 일부는 생리적 환경에서 발견 된 자극에 대한 응답으로 재료 특성의 변화를 전시하기 위해 설계되었습니다. 물자의 한개 최근에 개발 된 클래스는 수소 결합을 형성하는 액체 (예 : 물)과 크기 10,11,18 세 가지 순서로의 탄성 계수, 재료의 강성의 측정을 줄이기 위해 높은 온도의 존재에 응답합니다. 이러한 고분자 나노 복합 재료는 나노 필러 단계로 셀룰로오스 나노 섬유 부드러운 폴리머 매트릭스 (즉, 폴리 (비닐 아세테이트))가있다. 젖은 때 셀룰로오스 나노 섬유 사이의 상호 작용 때 건조하고 설정 "OFF" "의"전체 재료의 기계적 성질을 지시하고, 설정되어 있습니다. 또한, 물이 고분자 없음을 plasticizesnocomposite, 따라서 탄성 계수의...

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Disclosures

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

우리는 공개 아무것도 없어.

Acknowledgements

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

이 작품은 모두 실험실 창업 펀드 (J. Capadona), 그리고 메드 트로닉 대학원 원정대 (K. 포터)를 통해 케이스 웨스턴 리저브 대학의 생명 공학과에 의해 지원되었다. 본 연구에 대한 추가 자금 지원에 의해 부분적으로 지원되었다 NSF 부여 ECS-0621984 (C. Zorman), 케이스 동창회 (C. Zorman), 공로 검토 수상 (B7122R)를 통해 보훈뿐만 아니라, 고급 플랫폼 기술 센터 (C3819C).

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
실리콘 웨이퍼University Wafer기계 등급
압출 아크릴 시트Professional PlasticsSACR 062EF두께 0.062 "
면도날McMaster-Carr3962A3
핀셋McMaster-Carr8384A47# 5 팁
슈퍼 글루 젤록타이트130380
공기 브러시스냅온 산업용BF175TA
공기 압축기PaascheB002YKN8YOD500
열전대오메가HH12A
핫 플레이트CimarecSP131325Q
CO2 직접 쓰기 레이저VersaLaser3.5
DessicatorFisher Scientific08-595
램프맞춤형
마이크로 인장 시험기맞춤형 제작

References

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