Milieuvriendelijke gecontroleerde Microtensile Testen van mechanisch-adaptieve nanocomposieten voor Ex vivo Karakterisering
20 augustus 2013
Werkwijze besproken waarbij de In vivo Mechanisch gedrag van stimuli-responsieve materialen als functie van de tijd. Monsters worden getest Ex vivo Gebruik van een microtensile tester met milieucontroles te simuleren de fysiologische omgeving. Dit werk bevordert verder het begrip van de In vivo Gedrag van ons materiaal.
Het algemene doel van deze procedure is om de verandering in stijfheid te kwantificeren op een polyvinylacetaat gebaseerde nanocomposietstructuur als functie van de tijd geïmplanteerd in weefsel. Dit wordt bereikt door eerst de polymeer nanocomposiet monsters te patternen en ze op acrylhouders te bevestigen voor inbrenging in weefsel en micromechanische tests. De tweede stap is om een microtrektoestel omgeving voor te bereiden om de fysiologische omgeving na te bootsen, ex vivo met behulp van een vochtigheidsbron en een stralingbron.
Vervolgens wordt het implantaatmonster in het weefsel geplaatst en na een bepaalde duur verwijderd. De laatste stap is om het monster in de omgevingsgestuurde microtrektoestel te laden en de mechanische test uit te voeren om de young's modulus van het materiaal te bepalen na de opgegeven implantaatduur. Uiteindelijk wordt deze omgevingsgestuurde microtrektest gebruikt om de veranderingen in mechanische stijfheid te tonen, zoals gemeten door Young's modulus als functie van de tijd blootgesteld aan de fysiologische omgeving.
Het grote voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden voor het meten van variabele mechanische eigenschappen, zoals dynamische mechanische analyse, is dat deze kan worden toegepast op monsters op microschaal en dat de vochtigheid en temperatuur kunnen worden gecontroleerd. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen in het veld van neurale interfacing, zoals hoe de ontstekingsreactie op een implantaat wordt beïnvloed door de stijfheid van het implantaatmateriaal. Eerst verkrijgt u polyvinylacetaat gebaseerde nanocomposite film met een dikte van 25 tot 100 micrometer geproduceerd met een oplossingsgiet- en compressietechniek.
Vervolgens bevestigt u de film aan een siliconen wafer door twee minuten te verhitten op een hotplate op 70 graden Celsius. Dit bevordert een intiem contact tussen de film en de wafer en zorgt ervoor dat de film plat blijft voor microbewerking. Gebruik nu laser microbewerking om de film in de gewenste testmonstergeometrieën te patrouneren.
De directe laser microbewerking parameters zijn ingesteld op een vermogen van 0,5 watt, een snelheid van 56 millimeter per seconde en 1000 pulsen per inch machine. De monsters die zullen worden gebruikt om omgevingscondities vast te stellen, worden omgevingsmonsters genoemd, in hondsbeenvormige structuren met laterale padafmetingen van 1,5 millimeter bij 1,5 millimeter en laterale balkafmetingen van 300 micrometer bij 3000 micrometer. De dikte komt overeen met die van de film gedurende het bewerken van de monsters voor ex vivo experimenten, ook wel implantaatmonsters genoemd, in balken van 300 micrometer bij zes millimeter met een dikte die overeenkomt met die van de film.
Nadat de wafer uit de microbewerkingsopstelling is verwijderd, gebruikt u een scheermesje en een pincet om de monsters voorzichtig van de wafer los te maken om de monsters te hanteren. Bereid acrylhouders voor die zijn ontworpen om te dienen als onderdeel van het grijpsysteem in de microtrektoestel. In dit experiment is elke houder 11 millimeter bij zeven millimeter met een dikte van 2,2 millimeter en heeft twee gaten om te lijnen met bouten in de microtrektoestel.
Laser geëtste markeringen toonden de middellijn van de houder op 1,5 millimeter van het einde. Elke implantaatmonster vereist één acrylhouder, plaats een kleine hoeveelheid Sano acryl gebaseerde gel-kleefstof op de middellijn van de acrylhouder en bevestig voorzichtig een lengte van 1,5 millimeter van het implantaatmonster aan de houder die de gemarkeerde middellijn overlapt. Zorg ervoor dat het kleefgel alleen blijft langs de lengte van 1,5 millimeter van het polyvinylacetaat gebaseerde nanocomposiet dat wordt bevestigd aan de acrylhouder.
Begin met het laden van een droge opstellingsmonster in de microtrektoestel. Eerst klemmen tussen de mobiele grijpers, vervolgens tussen de vaste grijpers monteer een spuitbus met een met water gevulde reservoir in een vaste positie met de spuitmond gericht op de microtrektoestelmonster. Verbind de spuitbus met een luchtcompressor via plastic buis met de spuitbusmond volledig gesloten.
Schakel de luchtcompressor in. Begin de cyclische microtrektestprocedure, wisselend tussen trekspanning en compressiespanning die op het monster worden toegepast. De test moet in het lineaire elastische gebied van de spanningsvervormingsgrafiek blijven.
In dit geval wordt de toegepaste vervorming beperkt tot minder dan 2%In deze experimenten werd de vervormingssnelheid gecontroleerd terwijl de benodigde kracht om die vervorming te bereiken werd gemeten. Om de gewenste vochtigheidscondities te bepalen, verhoogt u geleidelijk de stroom van de spuitbusmond en bewaakt u de helling van de spanningsvervormingsgrafiek als functie van de hoeveelheid stroom van de spuitbus, de maximale stroom die geen significante vermindering van young's modulus gedurende een periode van 60 seconden veroorzaakt, is het niveau dat zal worden gebruikt voor de ex vivo experimenten. Ten slotte meet u de temperatuur nabij het monster.
Een ideale opstelling zou een thermokoppel met een digitale uitlezing omvatten, en metingen zouden worden uitgevoerd terwijl de spuitbus in werking is. Stel de intensiteit en afstand van een stralingbron zo in dat de monstertemperatuur op 37 graden Celsius wordt gehouden om fysiologische omstandigheden te matchen. De controlevergelijking begint door de opstellingsmonsters minimaal 30 minuten in fosfaat gebufferd zoutwater of PBS te laten weken om het te laten zakken tot zijn minimale Young's modulus.
Laad snel een monster in de microtrektoestel en begin met cyclische microtrektesten met de spuitbus uit terwijl het monster droogt onder omgevingsomstandigheden, de Young's ModuLite gevonden uit deze gegevens zal aangeven hoe snel het monster droogt onder niet-gecontroleerde omstandigheden. Laad vervolgens een tweede PBS-verzadigde opstelling. Monster in de microtester en begin met cyclische microtrektesten met de spuitbus aan hier, de berekende Young's mod, I zal aangeven hoe snel het monster droogt onder gecontroleerde vochtigheidsomstandigheden.
Bevestig een monster van corticaal weefsel. In deze demonstratie wordt het geëxplanteerde weefsel gehydrateerd gehouden in een bad met kunstmatige hersenvocht dat wordt gehandhaafd op
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel bespreekt een methode voor het monitoren van het in vivo mechanische gedrag van stimuli-responsieve materialen gedurende een bepaalde tijd. De studie maakt gebruik van een microtrekbank met omgevingscontroles om fysiologische omstandigheden te simuleren, wat het begrip van het materiaalgedrag in vivo verbetert.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Neurowetenschappen
- Biomaterialen
- Mechanische tests
Achtergrond
- Het begrijpen van de mechanische eigenschappen van materialen in biologische omgevingen is cruciaal.
- Nanocomposieten op basis van polyvinylacetaat worden onderzocht vanwege hun potentiële toepassingen.
- De mechanische stijfheid kan veranderen wanneer materialen in weefsel worden geïmplanteerd.
- Het kwantificeren van deze veranderingen is essentieel voor de ontwikkeling van effectieve biomaterialen.
Doel van de studie
- Om de verandering in stijfheid van nanocomposieten op basis van polyvinylacetaat in weefsel in de loop van de tijd te kwantificeren.
- Om fysiologische omstandigheden te simuleren voor nauwkeurige mechanische tests.
- Om het begrip van het materiaalgedrag in vivo te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Het patroon aanbrengen op polymere nanocomposietmonsters en deze bevestigen aan acrylaathouders.
- Het voorbereiden van een microtrekbank met gecontroleerde omgevingsomstandigheden.
- Het inbrengen van implantaatmonsters in weefsel en het verwijderen ervan na een gespecificeerde periode.
- Het uitvoeren van mechanische tests om de Young-modulus na implantatie te bepalen.
Belangrijkste Resultaten
- Veranderingen in mechanische stijfheid werden gemeten als functie van de tijd.
- De Young-modulus werd succesvol gekwantificeerd na implantatie.
- De methode demonstreerde de impact van fysiologische omstandigheden op de materiaaleigenschappen.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van het gedrag van biomaterialen in vivo.
Conclusies
- De studie biedt een betrouwbare methode voor het beoordelen van het mechanische gedrag van materialen in biologische omgevingen.
- De resultaten wijzen op significante veranderingen in stijfheid over tijd, wat het belang van omgevingsfactoren benadrukt.
- Dit onderzoek ondersteunt de ontwikkeling van betere biomaterialen voor klinische toepassingen.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie
Deze methode maakt een kwantitatieve beoordeling mogelijk van stijfheidsveranderingen in stimuli-responsieve polymere nanocomposieten na implantatie, waarmee een kritisch hiaat wordt opgevuld bij het evalueren van biomaterialen onder fysiologische omstandigheden. Door een gecontroleerde luchtvochtigheid en temperatuur te handhaven tijdens ex vivo testen, blijft de in vivo mechanische staat van monsters op microschaal behouden, wat een betrouwbare evaluatie van materiaal-weefselinteracties ondersteunt. Deze mogelijkheid vergroot het voorspellend vertrouwen bij de selectie van biomaterialen in een vroeg stadium voor neurale interfaces en andere implanteerbare apparaten waarbij een mechanische mismatch ongewenste biologische reacties kan induceren.
Strategische toepassingen in BioPharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om te onderzoeken hoe de stijfheid van een implantaat de weefselrespons beïnvloedt, wat bijdraagt aan het mechanistisch reduceren van risico's bij hypothesen over biomaterialen.
- Operationele waarde: Levert kwantitatieve gegevens over de elasticiteitsmodulus van Young om materiaaleigenschappen te correleren met biologische resultaten, waardoor het vertrouwen in de targetvalidatie wordt vergroot.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert reproduceerbare, kwantitatieve mechanische resultaten van monsters op microschaal, wat een gestandaardiseerde beoordeling van stimuli-responsieve materialen mogelijk maakt.
- Operationele waarde: Ondersteunt de gereedheid van assays door fysiologische omstandigheden ex vivo te handhaven, waardoor variabiliteit door herstel van eigenschappen na explantatie wordt verminderd.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de continuïteit van ontdekking naar preklinische evaluatie door het mechanische gedrag te meten onder omstandigheden die de omgeving van de cerebrale cortex nabootsen.
- Operationele waarde: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door stijfheidsveranderingen over de implantatietijd te kwantificeren, wat input geeft voor ontwerpiteraties van chronische implantaten.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het ontdekkingscontinuüm, van vroege screening van biomaterialen tot preklinische validatie, in het bijzonder voor neurale implantaten waarbij de mechanische eigenschappen na implantatie evolueren.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing over hoe materiaalstijfheid de neuro-inflammatoire respons beïnvloedt door het leveren van precieze, tijdsopgeloste metingen van de Young-modulus.
- Screening: Maakt een reproduceerbare, kwantitatieve beoordeling van polymere nanocomposieten onder gecontroleerde vochtigheid en temperatuur mogelijk, wat de betrouwbaarheid van de assay waarborgt.
- Analytics: Levert een op de helling gebaseerde Young-modulus uit de lineair elastische gebieden van spanning-rekcurves, wat een vergelijkbare maatstaf biedt voor verschillende materiaalsamenstellingen en implantatieduur.
- Translational Research: Verbindt ex vivo mechanische testen met in vivo relevantie door de stijfheid na implantatie te behouden via omgevingscontrole, wat de translationele continuïteit ondersteunt.
- Enterprise Reuse: Vestigt een gestandaardiseerd platform voor het evalueren van elk stimuli-responsief of degradatiegevoelig biomateriaal, wat de toepasbaarheid over verschillende projecten heen bevordert.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in de prestaties van biomaterialen door ambiguïteit in het mechanische gedrag na implantatie te verminderen.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en standaardisatie door nauwkeurige omgevingscontrole en compatibiliteit met monsters op microschaal.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go-beslissingen door mechanische gegevens te koppelen aan biologische resultaten, waardoor het risico op falen in een laat stadium door mechanische mismatch wordt verminderd.
- Portfolio-impact: Maakt risicogebaseerde prioritering van biomateriaalkandidaten mogelijk door gebruik te maken van kwantitatieve stijfheidstrajecten als functie van de implantatietijd.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in microtrekproeven, monstervoorbereiding en biomechanische evaluatie van materialen op polymeerbasis.
- Is afhankelijk van instrumentatie die in staat is om een rek van minder dan 2% toe te passen bij 10 µm/s en een temperatuur van 37°C en een gecontroleerde luchtvochtigheid te handhaven via een airbrush en stralingswarmtebronnen.
- Maakt standaardisatie tussen teams van biomateriaalkundigen, neurowetenschappers en mechanische testers noodzakelijk om een consistente monsterbehandeling en omgevingscondities te waarborgen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing bij het toepassen van de methode op niet-neurale weefsels of alternatieve implantatieplaatsen, waarbij de fysiologische omstandigheden kunnen verschillen.
- Praktische beperkingen omvatten de noodzaak voor een snelle monsteroverdracht (<2 minuten) na explantatie om drift in de materiaaleigenschappen te voorkomen, en de geschiktheid van de methode voor monsters met diktes die overeenkomen met de oorspronkelijke film (25–100 µm).
Veelgestelde vragen over biofarmaceutica
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
