Kontrolowane środowiskowo badania mikrorozciągalności mechanicznie adaptacyjnych nanokompozytów polimerowych do charakterystyki ex vivo

Ogólnym celem tej procedury jest ilościowe określenie zmiany sztywności struktury nanokompozytowej na bazie poliwinylu i octanu w funkcji czasu wszczepionego w tkankę. Osiąga się to poprzez uprzednie modelowanie próbek nanokompozytu polimerowego i przyklejenie ich do akrylowych uchwytów w celu wprowadzenia do tkanek i testów mikromechanicznych. Drugim krokiem jest przygotowanie środowiska mikrotestera rozciągania, które naśladuje środowisko fizjologiczne, ex vivo przy użyciu źródła wilgoci i promieniowania cieplnego.

Następnie próbka implantu jest wprowadzana do tkanki i usuwana po określonym czasie. Ostatnim krokiem jest załadowanie próbki do kontrolowanego środowiskowo testera mikrorozciągania i wykonanie testów mechanicznych w celu określenia modułu młodego materiału po określonym czasie trwania implantu. Ostatecznie, ta kontrolowana środowiskowo próba mikrorozciągania służy do pokazania zmian sztywności mechanicznej mierzonej modułem Younga w funkcji czasu wystawionego na działanie środowiska fizjologicznego.

Główną przewagą tej techniki nad istniejącymi metodami pomiaru zmiennych właściwości mechanicznych, takimi jak dynamiczna analiza mechaniczna, jest to, że można ją zastosować do próbek w mikroskali, a wilgotność i temperaturę można kontrolować. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie interfejsów neuronowych, takie jak to, w jaki sposób sztywność materiału implantu wpływa na reakcję zapalną na implant. Najpierw otrzymaj folię nanokompozytową na bazie polioctanu winylu o grubości od 25 do 100 mikrometrów wyprodukowaną techniką odlewania w roztworze i kompresji.

Następnie przyklej folię do wafla silikonowego, podgrzewając ją na gorącej płycie w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez dwie minuty. Sprzyja to ścisłemu kontaktowi między folią a płytką i zapewnia, że folia pozostaje płaska podczas mikroobróbki. Teraz użyj laserowej obróbki mikromów, aby ułożyć folię w żądaną geometrię próbki testowej.

Parametry bezpośredniej prawej obróbki laserowej są ustawione na moc 0,5 wata, prędkość 56 milimetrów na sekundę i 1000 impulsów na cal maszyny. Próbki, które zostaną wykorzystane do ustalenia warunków środowiskowych, zwane próbkami osadzającymi w strukturach w kształcie kości psa o wymiarach bocznej poduszki 1,5 milimetra na 1,5 milimetra i wymiarach wiązki bocznej 300 mikrometrów na 3000 mikrometrów. Grubość jest dopasowana do grubości folii w całej maszynie próbki do eksperymentów ex vivo, określanych jako próbki implantów, w belkach o wymiarach 300 mikrometrów na sześć milimetrów o grubości odpowiadającej grubości folii.

Po wyjęciu płytki z zestawu do mikroobróbki użyj żyletki i pęsety, aby ostrożnie uwolnić próbki z płytki, aby poradzić sobie z próbkami. Przygotuj uchwyty akrylowe przeznaczone do pełnienia funkcji jako część systemu uchwytu w testerze mikrorozciągania. W tym eksperymencie każdy uchwyt ma wymiary 11 milimetrów na siedem milimetrów i grubość 2,2 milimetra i ma dwa otwory do wyrównania ze w mikrotesterze rozciągania.

Laserowo wytrawione oznaczenia pokazywały linię środkową uchwytu w odległości 1,5 milimetra od końca. Każda próbka implantu wymaga jednego akrylowego uchwytu, umieść niewielką ilość kleju na bazie żelu akrylowego Sano na linii środkowej akrylowego uchwytu i ostrożnie przyklej próbkę implantu o długości 1,5 milimetra do uchwytu zachodząc na oznaczoną linię środkową. Należy uważać, aby żel klejący pozostał tylko wzdłuż 1.5 milimetra długości nanokompozytu na bazie polioctanu winylu przylegającego do akrylowego uchwytu.

Zacznij od załadowania próbki do mikrotestera rozciągania na sucho. Najpierw zaciskając między ruchomymi uchwytami, a następnie między stałymi uchwytami zamontuj aerograf ze zbiornikiem wypełnionym wodą w ustalonej pozycji z dyszą skierowaną w stronę próbki o mikrorozciąganiu. Podłącz aerograf do sprężarki powietrza za pomocą plastikowej rurki z całkowicie zamkniętą dyszą aerografu.

Włącz sprężarkę powietrza. Rozpocznij cykliczną procedurę próby mikrorozciągania, naprzemiennie z odkształceniem rozciągającym i odkształceniem ściskającym przyłożonym do próbki. Badanie powinno pozostać w liniowym obszarze sprężystym wykresu naprężenia i odkształcenia.

W tym przypadku zastosowane odkształcenie jest ograniczone do mniej niż 2%W tych eksperymentach szybkość odkształcania była kontrolowana, podczas gdy mierzono siłę wymaganą do osiągnięcia tego odkształcenia. Aby określić pożądane warunki wilgotności, stopniowo zwiększaj przepływ z dyszy aerografu i monitoruj nachylenie wykresu ciągu naprężeń w funkcji wielkości przepływu z aerografu, maksymalny przepływ, który nie powoduje znacznego zmniejszenia modułu Younga w okresie 60 sekund, jest poziomem, który zostanie użyty w eksperymentach ex vivo. Na koniec zmierz temperaturę w pobliżu próbki.

Idealna konfiguracja obejmowałaby termoparę z cyfrowym odczytem, a pomiary byłyby wykonywane podczas pracy aerografu. Ustaw intensywność i odległość promieniowania cieplnego w taki sposób, aby temperatura próbki była utrzymywana na poziomie 37 stopni Celsjusza w celu dopasowania do warunków fizjologicznych. Porównanie kontrolne rozpoczyna się od zanurzenia próbek zestawu na co najmniej 30 minut w roztworze soli fizjologicznej buforowanej fosforanem lub PBS, aby umożliwić jej zmiękczenie do minimalnego modułu Younga.

Szybko załaduj próbkę do testera mikrorozciągania i rozpocznij cykliczne próby mikrorozciągania przy wyłączonym aerografie, podczas gdy próbka wysycha w warunkach otoczenia, ModuLite Younga znaleziony na podstawie tych danych wskaże, jak szybko próbka wysycha w niekontrolowanych warunkach. Następnie załaduj drugą konfigurację nasyconą PBS. Próbka do mikro testera i rozpocznij cykliczną próbę mikrorozciągania z aerografem na tym miejscu, obliczony mod Younga, wskażę, jak szybko próbka wysycha w warunkach kontrolowanej wilgotności.

Zabezpiecz próbkę tkanki korowej. W tej demonstracji eksplantowana tkanka jest utrzymywana nawodniona w kąpieli ze sztucznego płynu mózgowo-rdzeniowego utrzymywanego w temperaturze 37 stopni Celsjusza przed i przez cały eksperyment. Następnie przymocuj próbkę implantu do uchwytu do zacisku mikromanipulatora.

Ustaw sondę tak, aby była prostopadła do tkanki korowej. Opuść próbkę polimeru do kory mózgowej za pomocą manipulatora mikrom. Sterowanie ręczne.

Pozostaw próbkę w tkance korowej do momentu, gdy docelowy czas implantacji upłynie od jednej do 30 minut. Podejmij środki ostrożności przeciwko wysuszeniu tkanki w tym czasie, gdy sonda jest wszczepiona do kory. Przygotuj mikropróbnik rozciągania, ustawiając suchy pręt w pozycji zerowego przemieszczenia wynoszącej trzy milimetry od nieruchomego zacisku.

Ustaw również ustawienie przepływu dyszy aerografu i ustawienie mocy źródła promieniowania ciepła na wartości określone wcześniej. Pod koniec określonego czasu implantu natychmiast podnieś sondę z kory za pomocą ręcznych elementów sterujących manipulatora mikrom i ostrożnie wyjmij próbkę z zacisku manipulatora mikrom i zabierz ją do testera mikrorozciągania, aby rozpocząć testowanie w ciągu dwóch minut natychmiast po wyjaśnieniu, załaduj próbkę między dwa zestawy zacisków do prób rozciągania mikro. Ponieważ uchwyt na próbkę jest zaprojektowany tak, aby służył jako górna połowa jednego zacisku, umieść zespół próbki implantu na ruchomym uchwycie sample stroną do dołu.

Próbka musi być zamontowana na środku każdego zacisku, a zaciski muszą być wypoziomowane względem siebie. Gwarantuje to, że naprężenie jest stosowane tylko na całej długości sondy. Teraz wyreguluj pozycję próbki tak, aby odległość między zaciskami wynosiła trzy milimetry, a koniec sondy został umieszczony w stałym zacisku.

Trzymilimetrowa długość między zaciskami to długość miernika próbki, która ma być wykorzystana w późniejszych obliczeniach. Natychmiast po zabezpieczeniu próbki między oboma zaciskami i w ciągu dwóch minut od wyjaśnienia z tkanki nerwowej, aktywuj silnik w kierunku rozciągania, aby wydłużyć próbkę ze stałą szybkością. Szybkość wynosi tutaj 10 mikrometrów na sekundę.

Jednocześnie należy zmierzyć i zapisać wydłużenie próbki i związaną z nim siłę wymaganą do odkształcenia próbki. Wstrzymać próbę mikrorozciągania w przypadku mechanicznego uszkodzenia próbki lub po osiągnięciu zakresu suchego pręta. Eksport zebranych danych do analizy.

Powtórzyć próbę mikrorozciągania dla każdej próbki i/lub warunku implantacji. Wykreślić krzywą naprężenia w funkcji odkształcenia dla każdej próbki za pomocą oprogramowania. Następnie wyizoluj liniową sprężystą część wykresu.

Wyodrębniona część powierzchni powinna składać się z co najmniej 10 punktów i powinna być pobierana z części działki, w której nachylenie jest największe. Teraz użyj narzędzi do dopasowywania krzywych opartych na oprogramowaniu, aby znaleźć najlepszą linię dopasowania do tej części. Nachylenie linii najlepszego dopasowania odpowiada modułowi Younga próbki.

Dla próbek nastawczych, które były testowane w trybie cyklicznym, należy określić moduł Younga dla każdego cyklu. Gdy to zrobisz, wykreśl moduł Younga dla każdego cyklu w funkcji czasu. Na tym wykresie wybrano moduł Younga jako funkcję czasu, mierzoną podczas cyklicznych prób rozciągania w celu określenia prawidłowych ustawień aerografu do kontrolowania środowiska.

Zacieniony obszar to czas, w którym aerograf był włączony przy używanych ustawieniach aerografu. Moduł Younga nie zmienia się znacząco w czasie. Sugeruje to, że ilość wody wchłoniętej przez próbkę ustawiającą z aerografu nie jest wystarczająca, aby przyczynić się do zmniejszenia sztywności.

Oto moduł Younga w funkcji tymianku dla próbek nasyconych wodą zarówno w kontrolowanych wilgotnościach, jak i niekontrolowanych warunkach rozciągania. Odzyskiwanie początkowego modułu Younga jest znacznie wolniejsze w kontrolowanym środowisku. Świadczy to o wydłużeniu czasu potrzebnego do wyschnięcia próbki W tym środowisku ten dodatkowy czas można wykorzystać do przeprowadzenia testów mechanicznych na próbkach, które zostały wszczepione.

Są to reprezentatywne wykresy przedstawiające krzywe ciągu naprężeń dla próbki suchej i próbki mokrej, która została wszczepiona do kory szczura na 30 minut. Moduł Younga, który odpowiada nachyleniu wykresu ciągu naprężeń w liniowym obszarze sprężystym, jest wyraźnie większy dla suchej próbki. Obie próbki zostały napięte, aby się włamać.

Ten ostatni wykres to moduł Younga w funkcji czasu trwania implantu dla próbek umieszczonych w korze mózgowej. Po około pięciu minutach od implantacji próbka wykazuje niewielkie zmiany w module Younga. Sugeruje to, że próbka osiąga nasycenie i minimalną sztywność w tym czasie.

Podejmując się tej procedury, należy pamiętać o planowaniu z wyprzedzeniem, aby zapewnić utrzymanie warunków fizjologicznych zarówno w tkance, jak i w środowisku badań ex vivo. Metoda ta może być stosowana do oceny zachowania mechanicznego innych materiałów o właściwościach zależnych od środowiska, w tym materiałów biodegradowalnych, i może być wykonywana do oceny szybkości degradacji lub stabilności mechanicznej materiałów polimerowych in vivo.