Name: Środowiskowa dynamiczna analiza mechaniczna w celu przewidywania mięknienia implantów neuronowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-01T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 59 s
Description: Poznaj metodę dynamicznej analizy mechanicznej do przewidywania mięknienia polimerowych implantów neuronowych w warunkach in vitro. Technika ta symuluje warunki fizjologiczne, minimalizując potrzebę testowania na zwierzętach.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy pragną podziękować Dr. Taylorowi Ware'owi za umożliwienie nam korzystania z jego środowiskowego DMA.
Ta praca była wspierana przez Biuro Asystenta Sekretarza Obrony ds. Zdrowia poprzez Recenzowany Program Badań Medycznych [W81XWH-15-1-0607]. Opinie, interpretacje, wnioski i zalecenia są opiniami autorów i niekoniecznie są zatwierdzone przez Departament Obrony.

1. Przygotowanie próbek polimerów do badań
<ol>
	<li>Zsyntetyzować zmiękczający polimer tiolowo-europejski zgodnie z poprzednimi protokołami wewnątrz dygestorium. 1,2,4,18 Krótko mówiąc, wymieszaj ilościowe ilości tiolu z monomerami alkenów o łącznej zawartości 0,1% wag.
	<ol>
		<li>Przygotować szklaną fiolkę o pojemności 20 ml do mieszania polimerów. Przykryj fiolkę folią aluminiową, aby zapobiec kontaktowi światła padającego z roztworem monomeru i przechowywać w temperaturze pokojowej (RT). Używaj wszystkich chemikaliów w takiej postaci, w jakiej zostały otrzymane, bez dalszego oczyszczania.</li>
		<li>W celu całkowitego zmiękczenia polimeru dodać 50% mol% 1,3,5-triallylo-1,3,5-triazino-2,4,6(1H,3H,5H)-trion (TATATO), 45% mol tris(3-merkaptopropionian) (TMTMP) trimetylopropanu i 5% mol% izocyjanuranu tris[2-(3-merkaptopropionylo)etylo](TMICN) do zakrytej fiolki za pomocą jednorazowej plastikowej pipety.</li>
		<li>Dodać 0,1% wag. fotoinicjatora 2,2-dimetoksy-2-fenyloacetofenonu (DMPA) do roztworu polimeru.</li>
		<li>Dokładnie wymieszać zawartość wewnątrz fiolki przez mieszanie z prędkością planetarną, nie wystawiając roztworu na działanie światła. 
		UWAGA: Roztwór polimeru jest wrażliwy na światło i zacznie polimeryzować po 45 do 60 minutach, nawet jeśli jest pokryty folią. Dlatego roztwór polimeru należy zużyć tak szybko, jak to możliwe po wymieszaniu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Roztwór polimeru przygotowany w sekcji 1.1 należy odwirować w postaci cienkich warstw o grubości od 5 do 50 μm na mikroskopijnych szkiełkach podstawowych lub płytkach krzemowych jako substrat nośny zgodnie z krzywą wirowania (<klasa silna = "xfig" >Rysunek 2). W przypadku folii o grubości 30 μm wirowanie z prędkością 600 obr./min przez 30 s. 
	UWAGA: W przypadku stosowania innego preparatu SMP prędkość i czas wirowania mogą się różnić w zależności od lepkości roztworu polimeru.</li>
	<li>Folie polimerowe na podłożu nośnym należy przenieść natychmiast po przędzeniu do komory sieciowania. Fotopolimeryzuj folie przez 60 minut pod żarówkami UV 365 nm i utwardzaj przez 24 godziny w piecu próżniowym w temperaturze 120 °C, aby jeszcze bardziej zakończyć konwersję.</li>
	<li>Pociąć utwardzone folie polimerowe na prostokątne próbki o szerokości 4,5 mm i długości 50 mm do badania DMA. Grubości mogą wahać się od 5 do 50 μm. Próbki można wprowadzić do geometrii pomiarowej przy użyciu dwóch różnych metod (wybierz krok 1.4.1 lub 1.4.2).
	<ol>
		<li>Pokrój utwardzone folie polimerowe na prostokąty za pomocą lasera CO2 . Ustaw parametry mikroobróbki laserem CO2 na 5,0% mocy (2,0 W) i 10,0% prędkości (0,254 m/s) (<silna klasa="xfig">Rysunek 3A).</li>
		<li>Zdefiniuj próbki DMA za pomocą fotolitografii w pomieszczeniu czystym klasy 10000 (<silna klasa="xfig">Rysunek 3B). Użyj substratów SMP na szkle lub płytek waflowych jako podłoży wyjściowych w pomieszczeniu czystym.
		<ol>
			<li>Osadzaj niskotemperaturowy azotek krzemu, aby działał jak twarda maska dla następujących procesów trawienia plazmowego. Narysuj kontur/kształt urządzenia przy użyciu standardowych technik litografii. Użyj wytrawiarki plazmowej z plazmą SF6 i O2, aby usunąć odpowiednio twardą maskę i warstwę SMP.</li>
			<li>Po wytrawieniu plazmowym warstwy SMP na szkiełku / płytce, wytrawić pozostałą twardą maskę z azotku krzemu w rozcieńczonym zanurzeniu HF w stosunku 10:1.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Rozwarstwić urządzenia testowe ze szkiełka/płytki, mocząc je w wodzie dejonizowanej jako ostatni krok.</li>
</ol>
2. Konfiguracja maszyny
<ol>
	<li>Używaj dynamicznego analizatora mechanicznego (DMA) z systemem zanurzeniowym. Wyposaż maszynę w uchwyt zanurzeniowy w trybie naprężania (<silna klasa="xfig">Rysunek 1). Podłącz ciekły azot do maszyny i włącz LN2/powietrze jako źródło gazu dla pieca.</li>
	<li>Napisz metodę pomiarów na sucho za pomocą oprogramowania maszyny, obejmując następujące trzy kroki: kondycjonowanie, oscylacyjny wzrost temperatury i kondycjonowanie po zakończeniu testu, a następnie ustaw parametry w następujący sposób:
	<ol>
		<li>Ustaw następujące parametry dla opcji kondycjonowania: tryb = aktywny, wybierz "napięcie", siła osiowa = 0,05 N, ustaw wartość początkową na "włącz", czułość = 0,0 N, tryb siły proporcjonalnej = śledzenie siły, skompensuj moduł = włączony, wybierz "siła osiowa", a następnie ustaw siłę dynamiczną na 25,0%, minimalna siła osiowa = 0,05 N, zaprogramowane wydłużenie poniżej 0,0 Pa, tryb włączony, regulacja odkształcenia = 0,05%, minimalne odkształcenie = 0,1%, maksymalne odkształcenie = 0,5%, minimalna siła = 0,05 N, maksymalna siła = 0,2 N.</li>
		<li>Ustaw następujące parametry dla rampy temperatury oscylacji: temperatura początkowa = 10 °C, dziedziczenie wartości zadanej = wyłączone, czas wygrzewania = 0,0 s, oczekiwanie na temperaturę = włączone, szybkość narastania = 2,0 °C/min, temperatura końcowa = 100 °C, czas wygrzewania po rampie = 0,0 s, częstotliwość próbkowania = 1 pkt/s, % odkształcenia = 0,275%, pojedynczy punkt, częstotliwość = 1 Hz.</li>
		<li>Ustaw następujące parametry dla kondycjonowania po zakończeniu testu: kontrola otoczenia = wyłączona, regulacja siły osiowej = włączona, tryb wyłączony, przetwornik/silnik = wyłączony.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Napisz metodę testowania zanurzeniowego za pomocą oprogramowania maszyny, obejmującą następujące cztery kroki: kondycjonowanie, czas oscylacji, rampę oscylacji-temperatury i zakończenie testu kondycjonowania, a następnie ustaw parametry w następujący sposób:
	<ol>
		<li>Ustaw następujące parametry dla opcji kondycjonowania: tryb = aktywny, wybierz "napięcie", siła osiowa = 0,05 N, ustaw wartość początkową na "włączone", czułość = 0,0 N, tryb siły proporcjonalnej = śledzenie siły, skompensuj moduł = włączony, wybierz "siła osiowa" i ustaw siłę dynamiczną na 25,0%, minimalna siła osiowa = 0,05 N, zaprogramowane wydłużenie poniżej 0,0 Pa, tryb włączony, regulacja odkształcenia = 0,05%, minimalne odkształcenie = 0,1%, maksymalne odkształcenie = 0,5%, minimalna siła = 0,05 N, maksymalna siła = 0,2 N.</li>
		<li>Ustaw następujące parametry czasu oscylacji: temperatura = 39,5 °C, dziedziczenie wartości zadanej = wyłączone, czas wygrzewania = 0,0 s, oczekiwanie na temperaturę = wyłączone, czas trwania = 3600,0 s, częstotliwość próbkowania = 1 pkt/s, % odkształcenia = 0,275%, pojedynczy punkt, częstotliwość = 1 Hz.</li>
		<li>Ustaw następujące parametry dla rampy temperatury oscylacji: temperatura początkowa = 10 °C, dziedziczona wartość zadana = wyłączona, czas wygrzewania = 300,0 s, oczekiwanie na temperaturę = wyłączona, szybkość narastania = 2,0 °C/min, temperatura końcowa = 85 °C, czas wygrzewania po rampie = 300,0 s, częstotliwość próbkowania = 1 pkt/s, % odkształcenia = 0,275%, pojedynczy punkt, częstotliwość = 1 Hz.</li>
		<li>Ustaw następujące parametry dla kondycjonowania po zakończeniu testu: kontrola otoczenia = wyłączona, regulacja siły osiowej = włączona, tryb wyłączony, przetwornik/silnik = wyłączony.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Załadunek i rozładunek próbki do pomiarów na sucho
<ol>
	<li>Zmierz rzeczywistą grubość próbki polimeru do testowania na sucho (w powietrzu) za pomocą suwmiarki z dokładnością do 0,001 mm.</li>
	<li>Wprowadź nazwę próbki, opis i przykładową geometrię do oprogramowania.</li>
	<li>Ustawić szczelinę załadunkową na 15 mm i załadować próbkę. Upewnij się, że wyśrodkowałeś i wyrównałeś próbkę, zanim zaciski zostaną dokręcone ręcznie lub użyj klucza dynamometrycznego o wartości 0,1 N (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 3C).</li>
	<li>Zamknąć piec i rozpocząć pomiar zgodnie z metodami opisanymi w ppkt 2.2.</li>
	<li>Poczekaj, aż pomiar się skończy. Otwórz piec i wyjmij próbkę polimeru z maszyny.</li>
</ol>
4. Załadunek i rozładunek próbki do testów zanurzeniowych
<ol>
	<li>Zmierz rzeczywistą grubość próbki polimeru do badania zanurzeniowego w PBS za pomocą suwmiarki z dokładnością do 0,001 mm.</li>
	<li>Wprowadź nazwę próbki, opis i przykładową geometrię do oprogramowania.</li>
	<li>Przygotuj zestaw z zlewką zanurzeniową zamocowaną za pomocą zacisku na górnym uchwycie (<silna klasa="xfig">Rysunek 4A,B).</li>
	<li>Ustaw szczelinę załadunkową na 15 mm i załaduj próbkę (<silna klasa="xfig">Rysunek 4C). Upewnij się, że wyśrodkowałeś i wyrównałeś próbkę (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 5) przed zaciskami zostaną dokręcone ręcznie lub użyj klucza dynamometrycznego o wartości 0,1 N.</li>
	<li>Umieść wannę zanurzeniową na dolnym armaturze i mocno ją przykręć (<silna klasa = "xfig" > Rysunek 4D). Napełnij wannę RT PBS (<silna klasa="xfig">Rysunek 4E), umieść pokrywkę na górze (<silna klasa="xfig">Rysunek 4F), zamknij piec (<silna klasa="xfig">Rysunek 4G) i natychmiast rozpocznij pomiar, stosując metody opisane w sekcji 2.3. Upewnij się, że odpływ jest zamknięty (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 4H).</li>
	<li>Poczekaj, aż pomiar się skończy. Wyjmij PBS z kąpieli zanurzeniowych za pomocą odpływu. Otwórz piec, zdejmij pokrywę ze zlewki, odkręć zlewkę zanurzeniową, podnieś ją i wyjmij próbkę polimeru z urządzenia.</li>
	<li>Wyczyść clamps i zlewkę zanurzeniową odżelazioną wodą, aby usunąć resztki soli z PBS.</li>
</ol>
5. Pomiary
<ol>
	<li>Zmierzyć polimer w powietrzu bez zlewki zanurzeniowej. Postępuj zgodnie z instrukcjami dotyczącymi załadunku i rozładunku próbki, jak opisano w sekcji 3. Powtórz ten pomiar co najmniej 3 razy, aby uzyskać wyniki o istotności statystycznej.</li>
	<li>Zmierzyć zawartość polimeru wewnątrz kąpieli zanurzeniowej, postępując zgodnie z czynnościami opisanymi w rozdziale 4. Powtórz pomiar co najmniej 3 razy, aby zebrać wyniki o istotności statystycznej.</li>
</ol>
6. Interpretacja danych
<ol>
	<li>Otwórz zakładkę wyników w oprogramowaniu maszyny, na której surowe dane można wyświetlić w formie tabeli lub wykreślić jako wykres.</li>
	<li>Wykreślić pierwszą część pomiaru zanurzenia, pomiar czasu oscylacji, jako moduł magazynowania w czasie, aby ocenić kinetykę mięknienia. Krzywa pokazuje, jak szybko moduł polimeru zmniejsza się w czasie, gdy jest zanurzony w PBS.</li>
	<li>Zwróć uwagę na czas, w którym moduł się wyrównuje. Jest to czas zmiękczenia w warunkach fizjologicznych.</li>
	<li>Jeśli polimer nie zostanie całkowicie zmiękczony po ustawionym czasie zanurzenia wynoszącym 1 godzinę, powtórz pomiar ze zwiększonym czasem zanurzenia.</li>
	<li>Wyświetlić rampy oscylacyjno-temperaturowe pomiarów w powietrzu i PBS jako moduł magazynowania na lewej osi i tan delta na prawej osi nad temperaturą, aby wyświetlić właściwości termomechaniczne polimeru przed (na sucho) i po (w PBS) uplastycznieniu.</li>
	<li>Wykreśl dane dla pomiarów suchego (powietrza) i PBS razem, aby lepiej wyświetlić zmiany właściwości termomechanicznych spowodowane plastyfikacją.</li>
	<li>Należy zwrócić uwagę na moduł przechowywania suchego materiału w temperaturze 25 °C i namoczonej próbki w temperaturze 37 °C, ponieważ są to wartości istotne dla oceny, jak bardzo polimer zmięknie podczas implantacji.</li>
	<li>Zwróć uwagę na zmiany w piku delta brązu między próbkami suchymi i namoczonymi.</li>
	<li>Wyeksportuj dane jako plik .txt lub .csv w celu dalszej interpretacji danych i wykreślenia za pomocą innego oprogramowania.</li>
</ol>

<ol><li>Garcia-Sandoval, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+softening+spinal+cord+stimulation+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Chronic softening spinal cord stimulation arrays.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (4), 045002(2018).</li>
<li>Ecker, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sterilization+of+Thiol-ene%2FAcrylate+Based+Shape+Memory+Polymers+for+Biomedical+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Materials+and+Engineering%22%5BJournal%5D)">Sterilization of Thiol-ene/Acrylate Based Shape Memory Polymers for Biomedical Applications.</a> Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 1600331(2017).</li>
<li>Simon, D. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+demonstration+of+an+intracortical+probe+technology+with+tunable+modulus%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Materials+Research+Part+A%22%5BJournal%5D)">Design and demonstration of an intracortical probe technology with tunable modulus.</a> Journal of Biomedical Materials Research Part A. 105 (1), 159-168 (2017).</li>
<li>Do, D. -H., Ecker, M., Voit, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+a+Thiol-Ene%2FAcrylate-Based+Polymer+for+Neuroprosthetic+Implants%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Omega%22%5BJournal%5D)">Characterization of a Thiol-Ene/Acrylate-Based Polymer for Neuroprosthetic Implants.</a> ACS Omega. 2 (8), 4604-4611 (2017).</li>
<li>Ware, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thiol-ene%2Facrylate+substrates+for+softening+intracortical+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Materials+Research+Part+B-Applied+Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Thiol-ene/acrylate substrates for softening intracortical electrodes.</a> Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials. 102 (1), 1-11 (2014).</li>
<li>Ware, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thiol-Click+Chemistries+for+Responsive+Neural+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Bioscience%22%5BJournal%5D)">Thiol-Click Chemistries for Responsive Neural Interfaces.</a> Macromolecular Bioscience. 13 (12), 1640-1647 (2013).</li>
<li>Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Smart+Polymers+for+Neural+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer+Reviews%22%5BJournal%5D)">Smart Polymers for Neural Interfaces.</a> Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).</li>
<li>Ware, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Responsive%2C+Softening+Neural+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Responsive, Softening Neural Interfaces.</a> Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).</li>
<li>Stiller, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+Intracortical+Recording+and+Electrochemical+Stability+of+Thiol-ene%2FAcrylate+Shape+Memory+Polymer+Electrode+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Micromachines%22%5BJournal%5D)">Chronic Intracortical Recording and Electrochemical Stability of Thiol-ene/Acrylate Shape Memory Polymer Electrode Arrays.</a> Micromachines. 9 (10), 500(2018).</li>
<li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Neurology%22%5BJournal%5D)">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).</li>
<li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li>
<li>Lacour, S. P., Courtine, G., Guck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+and+technologies+for+soft+implantable+neuroprostheses%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Reviews+Materials%22%5BJournal%5D)">Materials and technologies for soft implantable neuroprostheses.</a> Nature Reviews Materials. 1 (10), 16063(2016).</li>
<li>Stiller, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Meta-Analysis+of+Intracortical+Device+Stiffness+and+Its+Correlation+with+Histological+Outcomes%5BTitle%5D)+AND+%22Micromachines%22%5BJournal%5D)">A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes.</a> Micromachines. 9 (9), 443(2018).</li>
<li>Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+mechanical+considerations+for+chronically-implanted+neural+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001(2018).</li>
<li>Nguyen, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanically-compliant+intracortical+implants+reduce+the+neuroinflammatory+response%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Engineering%22%5BJournal%5D)">Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response.</a> Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014(2014).</li>
<li>Ecker, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Softening+Polymers+to+Multi-Material+Based+Bioelectronic+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Multifunctional+Materials%22%5BJournal%5D)">From Softening Polymers to Multi-Material Based Bioelectronic Devices.</a> Multifunctional Materials. , (2018).</li>
<li>Hess, A. E., Potter, K. A., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Capadona, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Environmentally-controlled+Microtensile+Testing+of+Mechanically-adaptive+Polymer+Nanocomposites+for+ex+vivo+Characterization%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization.</a> Journal of Visualized Experiments. (78), e50078(2013).</li>
<li>Black, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+compatibility+testing+of+thiol-ene%2Facrylate-based+shape+memory+polymers+for+use+in+implantable+neural+interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Materials+Research+Part+A%22%5BJournal%5D)">In vitro compatibility testing of thiol-ene/acrylate-based shape memory polymers for use in implantable neural interfaces.</a> Journal of Biomedical Materials Research Part A. 106 (11), 2891-2898 (2018).</li>
<li>Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Polymers+for+neural+implants%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Polymer+Science+Part+B%3A+Polymer+Physics%22%5BJournal%5D)">Polymers for neural implants.</a> Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (1), 18-33 (2011).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Zastosowanie środowiskowego DMA pozwala na badanie zachowania różnych polimerów stosowanych jako podłoża dla implantów neuronowych19 lub innych urządzeń biomedycznych w roztworze i do naśladowania warunków in vivo . Obejmuje to między innymi poliimid, parylen-C, PDMS i SU-8. Za pomocą tej metody można również badać hydrożele i materiały macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM). Różnice w ogólnym mięknieniu polimeru, a także jego kinetykę mięknienia można łatwo porównać między różnymi roztworami,...

Nowa generacja materiałów używanych jako podłoża implantów neuronowych składa się z polimerów z pamięcią kształtu zmiękczających1,2,3,4,5,6,7,8,9. Materiały te są wystarczająco sztywne podczas implantacji, aby pokonać krytyczne siły wyboczeniowe, ale po implantacji w środowisku ciała stają się do trzech rzędów wielkości bardziej miękkie. Przewiduje się, że materiały te wykazują lepszą interakcję urządzenie-tkanka ze względu na zmniejszone niedopasowanie modułu w porównaniu z tradycyjnymi materiałami stosowanymi w implantach neuronowych, takimi jak wolfram lub krzem. Tradycyjne, sztywne urządzenia wykazują reakcję zapalną po implantacji, po której następuje enkapsulacja tkanek i bliznowacenie astrogleju, co często prowadzi do awarii urządzenia10,11. Powszechnie przyjmuje się, że mniej sztywne urządzenia minimalizują reakcję ciała obcego12,13,14. Sztywność urządzenia jest podyktowana jego polem przekroju poprzecznego i modułem. Dlatego ważne jest, aby zredukować oba czynniki, aby poprawić zgodność wyrobu z przepisami, a ostatecznie interakcję z tkanką wyrobu.
Praca nad zmiękczaniem polimerów została zainspirowana pracą Nguyen et al.15, którzy wykazali, że mechanicznie zgodne implanty wewnątrzkorowe zmniejszają odpowiedź neurozapalną. Wcześniej stosowali mechanicznie adaptacyjne nanokompozyty (NC) z poli(octanu winylu)/osłonicy celulozy (tCNC), które stają się zgodne po implantacji.
Z drugiej strony, laboratorium Voit korzysta z wysoce przestrajalnego systemu polimerów tiol-enu i tiolu-enu/akrylanu. Materiały te mają tę zaletę, że stopień zmiękczenia po wystawieniu na działanie warunków in vivo można łatwo dostroić za pomocą konstrukcji polimeru. Wybierając odpowiedni skład polimeru i gęstość usieciowania, można modyfikować temperaturę zeszklenia i moduł Younga polimeru2,4,5,6,8. Podstawowym efektem zmiękczenia jest uplastycznienie polimeru w środowisku wodnym. Dzięki temu, że polimer ma temperaturę zeszklenia (Tg) wyższą od temperatury ciała po wyschnięciu (stan podczas implantacji), ale poniżej temperatury ciała po zanurzeniu w wodzie lub PBS, wynikowa sztywność/moduł polimeru może zmienić się z szklistego (sztywnego) po wyschnięciu do gumowatego (miękkiego) po wszczepieniu16.
Jednak dokładne i wiarygodne pomiary mięknienia spowodowanego plastyfikacją i przesunięciem Tg ze stanu suchego do mokrego nie były w przeszłości możliwe. Tradycyjna dynamiczna analiza mechaniczna jest wykonywana w powietrzu lub gazach obojętnych i nie pozwala na pomiar właściwości termomechanicznych polimerów wewnątrz roztworu. W poprzednich badaniach polimery były zanurzone w PBS na różne okresy czasu. Spuchnięte próbki zostały następnie wykorzystane do przeprowadzenia dynamicznej analizy mechanicznej (DMA)6,7,8. Ponieważ jednak procedura obejmuje rampę temperatury, próbki zaczynają wysychać podczas pomiaru i nie dają reprezentatywnych danych. Jest to szczególnie ważne, jeśli wielkość próby staje się mniejsza. Aby przewidzieć zmiękczenie sond neuronowych, konieczne byłoby przetestowanie warstw polimerowych o grubości od 5 do 50 μm, co nie jest możliwe w przypadku tradycyjnego DMA ze względu na wspomniane wyżej suszenie próbek podczas pomiaru.
Hess et al.17 zaprojektowali specjalnie skonstruowaną maszynę do badania mikrorozciągania do oceny właściwości mechanicznych materiałów adaptacyjnych mechanicznie przy użyciu metody kontrolowanej środowiskowo. Wcześniej używali systemu aerografu do rozpylania wody na próbki podczas pomiaru, aby zapobiec ich wysychaniu.
Użycie środowiskowego DMA (Rysunek 1) pozwala jednak na pomiar warstw polimerowych w roztworach, takich jak woda i PBS, w różnych temperaturach. Pozwala to nie tylko na pomiar właściwości termomechanicznych polimeru w stanie namoczonym/zmiękczonym, ale także na pomiar jego kinetyki mięknienia. Możliwe są nawet próby rozciągania i pomiary pęcznienia w wannie zanurzeniowej tej maszyny. Pozwala to na dokładne badania wywołanego plastyfikacją zmiękczenia substratów polimerowych w celu przewidywania zachowań in vivo.

<table><tbody><tr><td>1,3,5-Triallilo-1,3,5-triazyno-2,4,6(1H,3H,5H)-trion (TATATO)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>114235-100G</td><td></td></tr><tr><td>2,2-dimetoksy-2-fenyloacetofenon (DMPA)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>196118-50G</td><td></td></tr><tr><td>Laser CO2 Gravograph LS100</td><td>Gravotech, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Duże szklane szkiełka mikroskopowe Corning, 75 x 50 mm</td><td>Ted Pella</td><td>26005</td><td></td></tr><tr><td>Środowiskowe DMA: RSA-G2 Analizator ciał stałych</td><td>Instrumenty</td><td></td><td></td>TA</tr><tr><td>Bezpieczna pęseta z tworzywa sztucznego ESD, końcówki; Płaska, kaczy dziób, 11,5 cm</td><td>Cole Palmer</td><td>EW-07387-17</td><td></td></tr><tr><td>Powlekarka wirowa Laurell WS-650-8B</td><td>Laurell Technologies Corporation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ciekły azot</td><td>Gaz</td><td></td><td></td>powietrzny</tr><tr><td>PBS, 1X Roztwór, Fisher BioReodczynniki</td> Piec próżniowy <td>Fisher Scientific</td><td>BP243820</td><td></td></tr><tr><td>SHEL LAB</td><td>VWR International</td><td>89409-484</td><td></td></tr><tr><td>Krzem wafel</td><td>University Wafel</td><td></td><td>Klasa mechaniczna</td></tr><tr><td>System zanurzeniowy RSA-G2</td><td>TA Instruments Tris</td><td></td><td></td></tr><tr><td>(3-merkaptopropionian) trimetylopropanu (TMTMP)</td><td>Komora sieciująca Sigma-Aldrich</td><td>381489-100ML</td><td></td></tr><tr><td>UVP CL-1000 z żarówkami 365 nm</td><td>VWR International</td><td>21474-598</td><td></td></tr></tbody></table>

Środowiskowa dynamiczna analiza mechaniczna w celu przewidywania mięknienia implantów neuronowych

Environmental Dynamic Mechanical Analysis to Predict the Softening Behavior of Neural Implants

Podczas korzystania z dynamicznie zmiękczających substratów do implantów nerwowych, ważne jest, aby dysponować wiarygodną metodą in vitro, aby scharakteryzować mięknienie tych materiałów. W przeszłości nie było możliwe zadowalające zmierzenie mięknienia cienkich warstw w warunkach naśladujących środowisko ciała bez znacznego wysiłku. W niniejszej publikacji przedstawiono nową i prostą metodę, która umożliwia dynamiczną analizę mechaniczną (DMA) polimerów w roztworach, takich jak sól fizjologiczna buforowana fosforanami (PBS), w odpowiednich temperaturach. Zastosowanie środowiskowego DMA pozwala na pomiar efektów mięknienia polimerów na skutek uplastyczniania w różnych mediach i temperaturach, co w związku z tym pozwala na przewidywanie zachowania materiałów w warunkach in vivo.

Zastosowanie DMA w warunkach środowiskowych umożliwia analizę kinetyki zmiękczania oraz całkowitych zdolności do zmiękczania polimerów. Dzięki zastosowaniu trybu pomiaru temperatura-czas opisanego w protokole, można porównać ze sobą profile zmiękczania różnych formulacji polimerowych (Rysunek 6). Metoda ta może być również wykorzystana do ilościowego określenia szybkości zmiękczania i pęcznienia polimerów. Na Rysunku 4 widać, że ...

Aby umożliwić wiarygodne przewidywania mięknienia substratów polimerowych dla implantów neuronowych w środowisku in vivo, ważne jest posiadanie niezawodnej metody in vitro. W tym artykule przedstawiono zastosowanie dynamicznej analizy mechanicznej w roztworze soli fizjologicznej buforowanej fosforanami w temperaturze ciała.

When using dynamically softening substrates for neural implants, it is important to have a reliable in vitro method to characterize the softening behavior ...

Metoda ta pomaga w monitorowaniu, w jaki sposób właściwości materiałowe urządzeń do implantacji mogą się zmieniać po wprowadzeniu do ciała, w szczególności zmiękczenie materiałów. Główną zaletą tej techniki jest to, że oferuje prostą metodę in vitro, która naśladuje warunki in vivo, a tym samym minimalizuje potrzebę przeprowadzania testów na zwierzętach. Metoda ta jest szczególnie interesująca w przypadku testowania właściwości termomechanicznych materiału, który będzie stosowany w urządzeniach do implantacji w ogóle i nie ogranicza się do bioelektroniki.Ładowanie próbki i pomiar próbki w wilgotnych warunkach są nieco skomplikowane i mogą powodować niewiarygodne wyniki testu, jeśli nie zostaną wykonane prawidłowo. Rozpocznij od zmieszania ilościowych ilości tiolu z monomerami alkenów z fotoinicjatorem o łącznej zawartości 1 procenta wagowego. Przykryj 20-mililitrową szklaną fiolkę folią aluminiową, aby zapobiec kontaktowi padającego światła z roztworem monomeru, i użyj plastikowej pipety do utylizacji, aby dodać do fiolki 50 procent molowych TATATO, 45 molowych procent TMTMP i pięć molowych procent TMICN.Następnie dodaj 1 procent wagowy fotoinicjatora DMPA do fiolki i użyj mieszania z prędkością planetarną, aby wymieszać zawartość fiolki bez wystawiania roztworu na działanie światła. Po dokładnym wymieszaniu zawartości, powstałą mieszaninę prepolimeru tiolowo-enowego należy obtoczyć w pięciu warstwach o grubości 50 mikrometrów i natychmiast przenieść folie polimerowe na podłoże nośne w komorze sieciującej. Następnie fotopolimeryzuj folie przez 60 minut pod 365-nanometrowymi żarówkami ultrafioletowymi, a następnie utwardzaj w piecu próżniowym przez 24 godziny w temperaturze 120 stopni Celsjusza, aby jeszcze bardziej zakończyć konwersję.Gdy polimery całkowicie się utwardzą, użyj lasera dwutlenku węgla, aby pociąć folie na prostokąty o szerokości 4,5 milimetra i długości 50 milimetrów w celu przeprowadzenia dynamicznych testów mechanicznych. Aby skonfigurować dynamiczny analizator mechaniczny, należy wyposażyć maszynę w uchwyt zanurzeniowy w trybie naprężenia. Podłącz ciekły azot do maszyny i włącz ciekły azot w powietrzu jako źródło gazu dla pieca.Napisz metodę pomiaru na sucho za pomocą oprogramowania maszyny, w tym kondycjonowanie, rampę temperatury oscylacji i koniec kondycjonowania etapów testu. Następnie napisz metodę testowania zanurzeniowego za pomocą oprogramowania maszyny, w tym kondycjonowanie, czas oscylacji, rampę temperatury oscylacji i koniec etapów testu kondycjonowania. Gdy analizator jest gotowy, użyj suwmiarki z dokładnością do 001 milimetra, aby zmierzyć rzeczywistą grubość próbki polimeru do testów na sucho w powietrzu, a następnie wprowadź nazwę próbki, opis i geometrię próbki do oprogramowania.Ustaw szczelinę ładunkową na 15 milimetrów i załaduj próbkę. Upewnij się, że wyśrodkowałeś i wyrównałeś próbkę przed dokręceniem clamps. Następnie zamknij piec i rozpocznij pomiar na sucho.Po zakończeniu pomiaru otwórz piec i wyjmij próbkę polimeru z maszyny. Aby zmierzyć rzeczywistą grubość próbki polimeru do testów zanurzeniowych, najpierw zmierz próbkę suwmiarką z dokładnością do 001 milimetra, a następnie wprowadź nazwę próbki, opis i geometrię próbki do oprogramowania. Przygotuj zestaw z zlewką zanurzeniową zamocowaną za pomocą zacisku na górnym uchwycie i ustaw szczelinę załadunkową na 15 milimetrów.Załaduj próbkę, upewniając się, że próbka została wyśrodkowana i wyrównana, a następnie dokręć zaciski. Umieść wannę zanurzeniową na dolnej armaturze i mocno zabezpiecz wannę. Następnie napełnij wannę PBS o temperaturze pokojowej.Umieść pokrywę na kąpieli, zamknij piec i natychmiast rozpocznij pomiar zanurzenia, potwierdzając, że odpływ jest zamknięty. Ważne jest, aby rozpocząć pomiar tak szybko, jak to możliwe po napełnieniu zlewki PBS, aby zapewnić uchwycenie pełnego zakresu zmiękczenia. Po zakończeniu pomiaru otwórz odpływ, aby wyjąć PBS z kąpieli zanurzeniowej i otwórz piec.Następnie zdejmij pokrywkę ze zlewki, odkręć i podnieś zlewkę zanurzeniową, a następnie wyjmij próbkę polimeru z urządzenia. Wykorzystanie trybu pomiaru temperatury i czasu w protokole pozwala na porównanie profili mięknienia różnych preparatów polimerowych. Połączenie pomiarów suchej dynamicznej analizy mechanicznej i pomiarów zanurzeniowych w PBS pozwala na ocenę indukowanej wodą plastyfikacji różnych preparatów polimerowych, co ilustruje spadek temperatury zeszklenia i ogólne przesunięcie w dół krzywych modułu.Zmiękczanie polimerów do zastosowań in vivo działa najskuteczniej, gdy suchy polimer ma temperaturę zeszklenia wyższą od temperatury ciała, ale niższą od temperatury w stanie mokrym. W ten sposób moduł polimeru spada z modułu szklistego do gumowatego po zanurzeniu w warunkach fizjologicznych. Gdy temperatura zeszklenia zarówno w stanie suchym, jak i mokrym polimeru jest znacznie wyższa od temperatury ciała, polimer nie zmięknie w warunkach fizjologicznych.Metoda ta pozwala na zastąpienie PBS innymi odpowiednimi rozwiązaniami naśladującymi zachowanie biomateriałów w innych środowiskach.

environmental-dynamic-mechanical-analysis-to-predict-softening

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Istnieje potrzeba opracowania alternatywnych metod mocowania protez w związku z utratą kończyn spowodowaną naczyniowymi chorobami zatorowymi oraz urazami. Celem niniejszych prac jest wprowadzenie inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych w celu zwiększenia stabilności kostnej oraz zmniejszenia częstości występowania infekcji okołoimplantacyjnych u pacjentów wymagających zastosowania technologii osseointegracji.

Analizy bioelektryczne inteligentnego systemu projektowania implantów osseointegracyjnych dla osób po amputacjach

Omówiono metodę, za pomocą której mechaniczne zachowanie in vivo materiałów reagujących na bodźce jest monitorowane w funkcji czasu. Próbki są badane ex vivo przy użyciu testera mikrorozciągania z kontrolą środowiska w celu symulacji środowiska fizjologicznego. Praca ta dodatkowo przyczynia się do zrozumienia zachowania naszego materiału in vivo.

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

Wprowadzenie elastycznych sond mikroelektrod neuronowych jest możliwe dzięki dołączeniu sond do sztywnych usztywnień z glikolem polietylenowym (PEG). Unikalny proces montażu zapewnia jednolite i powtarzalne mocowanie. Po wprowadzeniu do tkanki PEG rozpuszcza się, a usztywnienie jest ekstrahowane. Metoda badawcza in vitro ocenia technikę w żelu agarozowym.

Wprowadzanie elastycznych sond neuronowych za pomocą sztywnych usztywnień przymocowanych za pomocą biorozpuszczalnego kleju

Różne powłoki elektrod wpływają na wydajność rejestracji neuronowej poprzez zmiany właściwości elektrochemicznych, chemicznych i mechanicznych. Porównanie elektrod in vitro jest stosunkowo proste, jednak porównanie odpowiedzi in vivo jest zwykle skomplikowane ze względu na różnice w odległości między elektrodami a neuronami oraz między zwierzętami. Ten artykuł zawiera solidną metodę porównywania elektrod do rejestracji neuronowej.

Metoda systematycznej oceny elektrochemicznej i elektrofizjologicznej elektrod rejestrujących działanie neuronów

Przedstawiono ulepszoną metodę mechanicznego testowania zakotwiczenia kości na powierzchniach potencjalnych implantów. Metoda ta pozwala na wyrównanie siły rozrywającej dokładnie prostopadle lub równolegle do płaszczyzny powierzchni implantu i zapewnia dokładny sposób kierowania sił zakłócających na dokładny obszar wokół implantu.

Ulepszona metoda badań mechanicznych do oceny zakotwiczenia implantu kostnego

Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy...

Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania

Tutaj prezentujemy protokół hodowli 3D komórek glejowych pochodzących z mózgu szczura, w tym astrocytów, mikrogleju i oligodendrocytów. Pokazujemy pierwotną hodowlę komórkową, syntezę hydrożelu metakrylowanego kwasu hialuronowego (HAMA), fotopolimeryzację HAMAfotopolimeryzację i enkapsulację komórek oraz przetwarzanie próbek do konfokalnego i skaningowego obrazowania mikroskopem elektronowym.

Ulepszone hodowle hydrożelowe 3D pierwotnych komórek glejowych do modelowania in vitro zapalenia układu nerwowego

Wykazaliśmy, że wszczepienie mikroelektrody w korze ruchowej szczurów powoduje natychmiastowe i trwałe deficyty motoryczne. Proponowane tutaj metody obejmują operację wszczepienia mikroelektrod i trzy zadania behawioralne gryzoni w celu wyjaśnienia potencjalnych zmian w funkcji motorycznej małej lub dużej spowodowanej uszkodzeniem kory ruchowej spowodowanym implantacją.

Testy behawioralne gryzoni w celu oceny deficytów funkcjonalnych spowodowanych implantacją mikroelektrod w korze ruchowej szczura

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Obecny protokół opisuje narzędzia do obsługi mikroelektrod wewnętrznych z krzemu podczas zabiegów modyfikacji powierzchni poprzez osadzanie gazu i reakcje roztworu wodnego. Szczegółowo wyjaśniono montaż komponentów używanych do obsługi urządzeń podczas całej procedury.

Narzędzia do obróbki powierzchniowej krzemowych płaskich mikroelektrod wewnątrzkorowych

Ten protokół został opracowany do podłużnego monitorowania właściwości mechanicznych tkanki płytki nerwowej podczas neurulacji zarodka pisklęcia. Opiera się on na integracji mikroskopu Brillouin i systemu inkubacji na etapie, umożliwiającego mechaniczne obrazowanie na żywo tkanki płytki nerwowej w zarodkach piskląt hodowanych ex ovo.

Monitorowanie mechanicznej ewolucji tkanki podczas zamykania cewy nerwowej zarodka pisklęcia

Poznaj metodę dynamicznej analizy mechanicznej do przewidywania mięknienia polimerowych implantów neuronowych w warunkach in vitro. Technika ta symuluje warunki fizjologiczne, minimalizując potrzebę testowania na zwierzętach.

Środowiskowa dynamiczna analiza mechaniczna w celu przewidywania mięknienia implantów neuronowych

Przeglądaj więcej filmów