Milieuvriendelijke gecontroleerde Microtensile Testen van mechanisch-adaptieve nanocomposieten voor Ex vivo Karakterisering
August 20th, 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
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Dit artikel bespreekt een methode voor het monitoren van het mechanische gedrag in vivo van stimuli-responsieve materialen in de loop van de tijd. Het onderzoek maakt gebruik van een microtensile tester met omgevingscontroles om fysiologische omstandigheden te simuleren, waardoor het begrip van materiaalgedrag in vivo wordt verbeterd.
Belangrijkste onderzoekscomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Biomaterialen
- Mechanische Testen
Achtergrond
- Het begrijpen van de mechanische eigenschappen van materialen in biologische omgevingen is cruciaal.
- Polyvinylacetaat-gebaseerde nanocomposites worden onderzocht voor hun potentiële toepassingen.
- 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 het onderzoek
- Om de verandering in stijfheid van polyvinylacetaat-gebaseerde nanocomposites in de loop van de tijd in weefsel te kwantificeren.
- Om fysiologische omstandigheden te simuleren voor nauwkeurige mechanische testen.
- Om het begrip van materiaalgedrag in vivo te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Het patroon maken van polymeer-nanocomposite monsters en het bevestigen aan acrylhouders.
- Een omgevingsgestuurde microtensile tester voorbereiden.
- Implantaatmonsters in weefsel inbrengen en ze na een bepaalde duur verwijderen.
- Mechanische testen uitvoeren om Young's modulus na implantatie te bepalen.
Belangrijkste resultaten
- Veranderingen in mechanische stijfheid werden gemeten als functie van de tijd.
- Young's modulus werd met succes gekwantificeerd na implantatie.
- De methode demonstreerde de impact van fysiologische omstandigheden op materiaaleigenschappen.
- Bevindingen dragen bij aan het begrip van biomateriaalgedrag in vivo.
Conclusies
- Het onderzoek biedt een betrouwbare methode voor het beoordelen van het mechanische gedrag van materialen in biologische omgevingen.
- Resultaten geven aan dat er significante veranderingen in stijfheid in de loop van de tijd zijn, wat de belangrijkheid van omgevingsfactoren benadrukt.
- Dit onderzoek ondersteunt de ontwikkeling van betere biomaterialen voor klinische toepassingen.
Veelgestelde vragen
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
