에 대한 기계적 적응 고분자 나노 복합 재료의 환경 제어 Microtensile 테스트 생체 특성
August 20th, 2013
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.
이 절차의 전반적인 목표는 폴리비닐, 아세테이트 기반 나노 복합 구조의 강성 변화를 조직에 이식된 시간의 함수로 정량화하는 것입니다. 이는 먼저 폴리머 나노 복합 샘플을 패터닝하고 조직 및 마이크로 기계 테스트에 삽입하기 위해 아크릴 홀더에 부착함으로써 수행됩니다. 두 번째 단계는 습도원과 복사열원을 사용하여 생체 외 생리학적 환경을 모방하는 마이크로 인장 시험기 환경을 준비하는 것입니다.
다음으로, 임플란트 샘플을 조직에 삽입하고 지정된 기간 후에 제거합니다. 마지막 단계는 샘플을, 환경적으로 제어되는 마이크로 인장 시험기에 로드하고, 지정된 임플란트 지속 시간 후에 재료의 영률을 결정하기 위해 기계적 테스트를 수행하는 것입니다. 궁극적으로, 이 환경적으로 제어되는 마이크로 인장 시험은 생리학적 환경에 노출된 시간의 함수로서 Young's modulus에 의해 측정된 기계적 강성의 변화를 보여주는 데 사용됩니다.
동적 기계 분석과 같은 다양한 기계적 특성을 측정하는 기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 마이크로 스케일 샘플에 적용할 수 있고 습도와 온도를 제어할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 임플란트에 대한 염증 반응이 임플란트 재료의 강성에 의해 어떻게 영향을 받는지와 같은 신경 인터페이스 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 먼저, 용액 주조 및 압축 기술로 생산된 25 내지 100 마이크로미터 두께의 폴리비닐 아세테이트 기반 나노 복합 필름을 얻습니다.
다음으로, 섭씨 70도의 핫 플레이트에서 2분 동안 가열하여 실리콘 웨이퍼에 필름을 부착합니다. 이는 필름과 웨이퍼 사이의 긴밀한 접촉을 촉진하고 미세 가공을 위해 필름이 평평하게 유지되도록 합니다. 이제 레이저 마이크로미터 가공을 사용하여 필름을 원하는 테스트 샘플 형상으로 패턴화합니다.
직접 우측 레이저 마이크로 가공 매개변수는 0.5와트의 출력, 초당 56mm의 속도, 인치당 1000펄스의 기계로 설정됩니다. 환경 조건을 설정하는 데 사용되는 샘플은 1.5mm x 1.5mm의 측면 패드 치수와 300 마이크로 미터 x 3000 마이크로 미터의 측면 빔 치수를 가진 개 뼈 모양의 구조로 샘플을 설정합니다. 두께는 기계 전체의 필름의 두께와 일치하며, 빔에 임플란트 샘플이라고 하는 생체 외 실험용 샘플은 필름의 두께와 일치하는 300마이크로미터 x 6mm입니다.
마이크로 머시닝 셋업에서 웨이퍼를 제거한 후 면도날과 핀셋을 사용하여 웨이퍼에서 샘플을 조심스럽게 분리하여 샘플을 처리합니다. 마이크로 인장 시험기에서 그립 시스템의 일부로 작동하도록 설계된 아크릴 홀더를 준비합니다. 이 실험에서 각 홀더는 두께가 2.2mm이고 두께는 11mm x 7mm이며 마이크로 인장 시험기의 볼트와 정렬하는 두 개의 구멍이 있습니다.
레이저 에칭 마킹은 끝에서 1.5mm 떨어진 홀더의 중심선을 보여주었습니다. 각 임플란트 샘플에는 하나의 아크릴 홀더가 필요하며, 아크릴 홀더의 중심선에 소량의 Sano 아크릴 젤 기반 접착제를 놓고 표시된 중심선과 겹치는 홀더에 1.5mm 길이의 임플란트 샘플을 조심스럽게 부착합니다. 접착 젤이 아크릴 홀더에 부착되는 폴리비닐 아세테이트 기반 나노 복합체의 1.5mm 길이를 따라서만 남아 있는지 확인하십시오.
건식 설정 샘플을 마이크로 인장 시험기에 로드하는 것으로 시작합니다. 먼저 모바일 그립 사이를 클램핑한 다음 고정 그립 사이에 물이 채워진 저장소가 있는 에어브러시를 노즐이 마이크로 인장 시료를 향하도록 고정된 위치에 장착합니다. 에어브러시 노즐이 완전히 닫힌 상태에서 플라스틱 튜브를 통해 에어브러시를 공기 압축기에 연결합니다.
공기 압축기를 켭니다. 주기적 마이크로 인장 시험 절차를 시작하여 인장 변형률과 압축 변형률을 번갈아 가며 샘플에 적용합니다. 시험은 응력 변형률 플롯의 선형 탄성 영역에 있어야 합니다.
이 경우, 적용된 변형률은 2% 미만으로 제한됩니다.이러한 실험에서는 변형률을 달성하는 데 필요한 힘을 측정하면서 변형률을 제어했습니다. 원하는 습도 조건을 결정하기 위해 에어브러시 노즐로부터의 흐름을 점차적으로 증가시키고 에어브러시로부터의 흐름량의 함수로서 응력 트레인 플롯의 기울기를 모니터링하기 위해, 60초 동안 영률의 현저한 감소를 일으키지 않는 최대 흐름이 생체 외 실험에 사용될 수준입니다. 마지막으로 샘플 근처의 온도를 측정합니다.
이상적인 설정에는 디지털 판독값이 있는 열전대가 포함되며 에어브러시가 작동하는 동안 측정이 수행됩니다. 복사열원의 강도와 거리를 설정합니다.amp생리학적 조건과 일치하도록 샘플 온도가 섭씨 37도로 유지됩니다. 대조군 비교는 설정 샘플을 인산염 완충 식염수 또는 PBS에 최소 30분 동안 담궈 최소 영률(Young's modulus)로 부드러워지도록 하는 것으로 시작합니다.
마이크로 장력 검사자로 표본을 빨리 적재하고 표본이 주위 조건 하에서 말리는 동안 에어브러시를 끈 상태에서 주기적인 마이크로 장력 테스트를 시작하십시오, 이 자료에서 찾아낸 Young's ModuLite는 표본이 통제되지 않는 조건 하에서 얼마나 빨리 말리는지를 나타낼 것입니다. 그런 다음 두 번째 PBS 포화 설정을 로드합니다. 마이크로 테스터에 샘플링하고 여기에서 에어브러시로 주기적인 마이크로 인장 테스트를 시작하고, 계산된 Young's mod, 제어된 습도 조건에서 샘플이 얼마나 빨리 건조되는지 나타냅니다.
피질 조직 샘플을 확보합니다. 이 시연에서, 이식된 조직은 실험 전과 실험 내내 섭씨 37도로 유지되는 인공 뇌척수액 욕조에서 수분을 유지합니다. 다음으로, 홀더에 있는 임플란트 샘플을 마이크로 매니퓰레이터 클램프에 부착합니다.
피질 조직과 직교하도록 프로브를 배치합니다. microm manipulator를 사용하여 폴리머 샘플을 피질로 내립니다. 핸드 컨트롤.
표적 임플란트 시간이 1분에서 30분 사이가 경과할 때까지 샘플을 피질 조직에 그대로 둡니다. 프로브가 피질에 이식되는 동안 이 기간 동안 조직이 건조되지 않도록 주의하십시오. 건조 로드를 고정 클램프에서 3mm의 영변위 위치로 설정하여 마이크로 인장 시험기를 준비합니다.
또한 에어브러시 노즐 유량 설정 및 복사열 전원 설정을 이전에 결정된 값으로 설정합니다. 지정된 임플란트 시간이 끝나면 즉시 미크론 매니퓰레이터 핸드 컨트롤을 사용하여 프로브를 피질 밖으로 들어 올리고 미크론 매니퓰레이터 클램프에서 샘플을 조심스럽게 제거하고 마이크로 인장 시험기로 가져가 설명 직후 2 분 이내에 테스트를 시작하고 두 세트의 마이크로 인장 테스터 클램프 사이에 샘플을로드합니다. 샘플 홀더는 한 클램프의 위쪽 절반 역할을 하도록 설계되었기 때문에 임플란트 샘플 어셈블리를 모바일 그립 샘플 면이 아래로 향하게 놓습니다.
샘플은 각 클램프의 중앙에 장착해야 하며 클램프는 서로에 대해 수평을 유지해야 합니다. 이렇게 하면 프로브의 길이를 따라서만 변형이 적용됩니다. 이제 클램프 사이의 거리가 3mm이고 프로브의 끝이 고정 클램프에 배치되도록 샘플 위치를 조정합니다.
클램프 사이의 3mm 길이는 나중에 계산에 사용할 샘플의 게이지 길이입니다. 두 클램프 사이에 샘플을 고정한 직후, 신경 조직으로부터 설명을 들은 후 2분 이내에 인장 방향으로 모터를 활성화하여 샘플을 일정한 비율로 늘립니다. 여기서 속도는 초당 10마이크로미터입니다.
시료의 연신율과 시료를 변형시키는 데 필요한 관련 힘을 동시에 측정하고 기록합니다. 샘플의 기계적 고장 시 또는 건조 로드 범위에 도달하면 마이크로 인장 시험을 중단하십시오. 분석을 위해 수집된 데이터를 내보냅니다.
각 샘플 및/또는 주입 조건에 대해 마이크로 인장 테스트를 반복합니다. 소프트웨어를 사용하여 각 샘플에 대한 응력 대 변형률 곡선을 플롯합니다. 다음으로, 플롯의 선형 탄성 부분을 분리합니다.
그림의 격리된 부분에는 10개 이상의 점이 포함되어야 하며 기울기가 가장 큰 그림 섹션에서 가져와야 합니다. 이제 소프트웨어 기반 곡선 피팅 도구를 사용하여 이 부분에 가장 적합한 선을 찾습니다. 최적 맞춤선의 기울기는 샘플의 Young's modulus에 해당합니다.
순환 모드에서 테스트된 설정 샘플의 경우 각 사이클에 대한 영률을 결정합니다. 이 작업이 완료되면 각 주기 대 시간의 Young's modulus를 플로팅합니다. 이 플롯은 환경 제어를 위한 올바른 에어브러시 설정을 결정하기 위해 주기적 인장 테스트 중에 측정된 시간 함수로 Young's modulus를 선택했습니다.
음영 영역은 사용된 에어브러시 설정에서 에어브러시가 켜져 있는 시간입니다. 영률은 시간이 지남에 따라 크게 변하지 않습니다. 이는 에어브러시의 셋업 샘플이 흡수하는 물의 양이 강성 감소에 기여하기에 충분하지 않다는 것을 시사합니다.
다음은 수분 제어 및 비제어 인장 테스트 환경 모두에서 수분 포화 샘플에 대한 Young's modulus 대 thyme입니다. 초기 영률의 회복은 통제된 환경에서 훨씬 느립니다. 이는 샘플이 건조되는 데 필요한 시간이 증가한다는 것을 보여줍니다.이 환경에서는 이 추가 시간을 사용하여 주입된 샘플에 대한 기계적 테스트를 수행할 수 있습니다.
이는 쥐의 피질에 30분 동안 이식된 건조 샘플과 젖은 샘플에 대한 응력 트레인 곡선을 보여주는 대표적인 플롯입니다. 선형 탄성 영역에서 응력 트레인 플롯의 기울기에 해당하는 Young의 계수는 건조 샘플에 대해 분명히 훨씬 더 큽니다. 두 샘플 모두 침입하기 위해 긴장되었습니다.
이 최종 플롯은 피질에 배치된 샘플에 대한 Young's modulus 대 implant duration입니다. 주입 후 약 5분 후, 샘플은 영률(Young's modulus)에 거의 변화가 없음을 나타냅니다. 이는 샘플이 이 기간 내에 포화 상태와 최소 강성에 도달했음을 시사합니다.
이 절차를 시도하는 동안 조직 및 생체 외 테스트 환경 모두에서 생리학적 조건이 유지될 수 있도록 미리 계획을 세우는 것이 중요합니다. 이 방법은 생분해성 재료를 포함하여 환경 의존적 특성을 가진 다른 재료의 기계적 거동을 평가하는 데 사용할 수 있으며 in vivo에서 고분자 재료의 분해 속도 또는 기계적 안정성을 평가하기 위해 수행할 수 있습니다.
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개요
이 기사는 시간에 따른 자극 반응 소재의 체내 기계적 거동을 모니터링하는 방법을 논의합니다. 이 연구는 환경 제어가 가능한 마이크로 인장 시험기를 사용하여 생리학적 조건을 시뮬레이션하여 체내 소재 거동에 대한 이해를 향상시킵니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 바이오 소재
- 기계적 시험
배경
- 생물학적 환경에서 소재의 기계적 특성을 이해하는 것이 매우 중요합니다.
- 폴리비닐 아세테이트 기반 나노 복합 소재의 잠재적 응용에 대해 탐구합니다.
- 소재가 조직에 이식되면 기계적 강성이 변화할 수 있습니다.
- 이러한 변화를 정량화하는 것은 효과적인 바이오 소재 개발에 필수적입니다.
연구 목적
- 폴리비닐 아세테이트 기반 나노 복합 소재의 조직 내 시간에 따른 강성 변화를 정량화하는 것.
- 정확한 기계적 시험을 위한 생리학적 조건을 시뮬레이션하는 것.
- 체내 소재 거동에 대한 이해를 향상시키는 것.
사용된 방법
- 폴리머 나노 복합 소재 샘플의 패터닝 및 아크릴 홀더에 부착.
- 환경 제어가 가능한 마이크로 인장 시험기 준비.
- 임플란트 샘플을 조직에 삽입하고 지정된 시간 후 제거.
- 임플란트 후 영의 계수를 결정하기 위한 기계적 시험 수행.
주요 결과
- 시간에 따른 기계적 강성의 변화를 측정했습니다.
- 임플란트 후 영의 계수를 성공적으로 정량화했습니다.
- 이 방법은 생리학적 조건이 소재 특성에 미치는 영향을 시연했습니다.
- 연구 결과는 체내 바이오 소재 거동에 대한 이해에 기여합니다.
결론
- 이 연구는 생물학적 환경에서 소재의 기계적 거동을 평가하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공합니다.
- 결과는 시간에 따른 강성의 중요한 변화를 나타내며 환경 요인의 중요성을 강조합니다.
- 이 연구는 임상 응용을 위한 더 나은 바이오 소재 개발을 지원합니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
This method enables quantitative assessment of stiffness changes in stimuli-responsive polymer nanocomposites after implantation, addressing a critical gap in evaluating biomaterials under physiological conditions. By maintaining controlled humidity and temperature during ex vivo testing, it preserves the in vivo mechanical state of microscale samples, supporting reliable evaluation of material-tissue interactions. This capability enhances predictive confidence in early-stage biomaterial selection for neural interfaces and other implantable devices where mechanical mismatch can induce adverse biological responses.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of how implant stiffness influences tissue response, supporting mechanistic de-risking of biomaterial hypotheses.
- Operational Value: Provides quantitative Young's modulus data to correlate material properties with biological outcomes, improving target validation confidence.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible, quantitative mechanical readouts from microscale samples, enabling standardized assessment of stimuli-responsive materials.
- Operational Value: Supports assay readiness by maintaining physiological conditions ex vivo, reducing variability due to post-explantation property recovery.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates continuity from discovery to preclinical evaluation by measuring mechanical behavior in conditions mimicking the cerebral cortex environment.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by quantifying stiffness changes over implantation time, informing design iterations for chronic implants.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery continuum from early biomaterial screening to preclinical validation, particularly for neural implants where mechanical properties evolve post-implantation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how material stiffness affects neuroinflammatory response by providing precise, time-resolved Young's modulus measurements.
- Screening: Enables reproducible, quantitative assessment of polymer nanocomposites under controlled humidity and temperature, ensuring assay reliability.
- Analytics: Delivers slope-derived Young's modulus from linear elastic regions of stress-strain curves, offering a comparable metric across material formulations and implantation durations.
- Translational Research: Connects ex vivo mechanical testing to in vivo relevance by preserving post-implantation stiffness through environmental control, supporting translational continuity.
- Enterprise Reuse: Establishes a standardized platform for evaluating any stimuli-responsive or degradation-sensitive biomaterial, promoting cross-project applicability.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in biomaterial performance by reducing ambiguity in post-implantation mechanical behavior.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization through precise environmental control and microscale sample compatibility.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by linking mechanical data to biological outcomes, reducing late-stage failure risk due to mechanical mismatch.
- Portfolio Impact: Enables risk-based prioritization of biomaterial candidates using quantitative stiffness trajectories as a function of implantation time.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microtensile testing, sample preparation, and biomechanical evaluation of polymer-based materials.
- Depends on instrumentation capable of applying sub-2% strain at 10 µm/s and maintaining 37°C and controlled humidity via airbrush and radiant heat sources.
- Necessitates cross-team standardization between biomaterial engineers, neuroscientists, and mechanical testers to ensure consistent sample handling and environmental conditions.
- Involves adaptation considerations when applying the method to non-neural tissues or alternative implantation sites, where physiological conditions may differ.
- Practical limitations include the need for rapid sample transfer (<2 minutes) post-explantation to prevent property drift, and the method's suitability for samples with thicknesses matching the original film (25–100 µm).
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:39
Sample Preparation
5:27
Compare Environmental Control to Non-environmental Control
6:14
Probe Implantation into and Explantation from Cortical Tissue
8:49
Data Analysis
9:30
Results: Young's Modulus and Stress-Strain Measurements of Control and ex vivo Samples
11:03
Conclusion
7:30
Microtensile Testing of Implant Samples
3:54
Establish Environmental Conditions
