Artigo de método

Análise mecânica dinâmica ambiental para prever o comportamento de amaciamento de implantes neurais

DOI:

10.3791/59209

⸱

1 de março de 2019

 ,  , 
1Department of Chemistry and Biochemistry, University of Texas at Dallas, 2Department of Materials Science and Engineering, University of Texas at Dallas, 3Center for Engineering Innovation, University of Texas at Dallas, 4Department of Bioengineering, University of Texas at Dallas

Neste artigo

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Para permitir previsões fiáveis do amaciamento de substratos poliméricos para implantes neurais em um ambiente na vivo , é importante ter um método fiável em vitro . Aqui, o uso de análise mecânica dinâmica em solução salina tamponada fosfato a temperatura do corpo é apresentado.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Quando usando substratos dinamicamente amaciamento para implantes neurais, é importante ter um método fiável em vitro para caracterizar o comportamento de amaciamento destes materiais. No passado, não foi possível medir satisfatoriamente o amaciamento de filmes finos em condições imitando o ambiente do corpo sem esforço substancial. Esta publicação apresenta um método novo e simples que permite a análise mecânica dinâmica (DMA) de polímeros em soluções, tais como soro de tampão fosfato (PBS), em temperaturas relevantes. O uso de DMA ambiental permite a medição dos efeitos amaciamento de polímeros devido do plasticization em vários meios de comunicação e temperaturas, que, por conseguinte, permite uma previsão do comportamento de materiais em condições na vivo .

Introdução

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Uma nova geração de materiais utilizados como substratos para implantes neurais compreende amolecimento forma memória polímeros1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Estes materiais são suficientemente rígidos durante o implante para superar as forças críticas de flambagem, mas tornam-se até três ordens de magnitude mais suaves após a implantação em um ambiente de corpo. Prevê-se que estes materiais mostram uma melhor interação do dispositivo-tecido devido à incompatibilidade de reduzida no módulo em comparação aos materiais tradicionais usados em implantes neurais, tais como tungstênio ou silício. Tradicionais, rígidos dispositivos mostram resposta inflamatória após o implante, seguido por encapsulamento de tecido e Ralevic de cicatrizes que muitas vezes resulta em falha de dispositivo10,11. É uma suposição comum que dispositivos menos rígidos minimizar o corpo estranho resposta12,13,14. A rigidez de um dispositivo é ditada pela sua área de seção transversal e o módulo de elasticidade. Portanto, é importante reduzir os dois fatores para melhorar a conformidade do dispositivo e, finalmente, a interação de tecido do dispositivo.

O trabalho em amaciar polímeros foi inspirado pelo trabalho de Nguyen et al.15, que demonstraram que implantes intracortical mecanicamente compatível com reduzem a resposta do MPTP. Eles usaram anteriormente poly(vinyl acetate)/Urochordata mecanicamente adaptativo celulose nanocrystal (tCNC) nanocompósitos (NC), que tornar-se compatível após o implante.

O laboratório Voit, por outro lado, usa o sistema altamente sintonizável de polímeros-ene tiol e tiol-ene/acrilato. Estes materiais são vantajosas em que o grau de amolecimento após exposição a condições na vivo facilmente pode ser ajustado pelo projeto de polímero. Escolhendo a composição do polímero certo e crosslink densidade, a temperatura de transição vítrea e módulo de Young do polímero podem ser modificado2,4,5,6,8. O efeito subjacente o amaciamento é o plasticization do polímero em um ambiente aquoso. Por ter um polímero com uma temperatura de transição vítrea (Tg) acima da temperatura do corpo quando secar (o estado durante o implante), mas abaixo da temperatura do corpo depois de ser imerso em água ou em PBS, o rigidez/módulo resultante do polímero pode deslocar do vítreo (duro) quando seco de borracha (macio) quando implantado16.

No entanto, medidas exatas e de confiança do amolecimento devido do plasticization e a mudança da Tg da seco-húmido Estados não tem sido capazes de ser medido no passado. Tradicional análise mecânica dinâmica é executada no ar ou gases inertes e não permite a medição das propriedades termomecânicas de polímeros dentro de uma solução. Em estudos anteriores, os polímeros foram imersos em PBS para várias quantidades de tempo. Inchados amostras foram então usadas para executar análise mecânica dinâmica (DMA)6,7,8. No entanto, desde que o procedimento envolve uma rampa de temperatura, amostras começam a secar durante a medição e não ceder dados representativos. Isto é especialmente verdadeiro se o tamanho da amostra torna-se menor. Para prever o amaciamento de sondas neurais, seria necessário testar filmes de 5 a 50 µm-fino polímero, o que não é possível com DMA tradicional devido a secagem das amostras referidas durante a medição.

Hess et al17 projetaram um Custom-Built edentados máquina para avaliar as propriedades mecânicas dos materiais mecanicamente adaptáveis, usando um método do ambiente controlado de teste. Anteriormente, eles usaram um sistema airbrush para aspergir água sobre as amostras durante a medição, para evitar que sequem.

O uso de DMA ambiental (Figura 1), no entanto, permite a medição dos filmes de polímeros em soluções, tais como água e PBS, a diferentes temperaturas. Isto permite a medição de propriedades de termomecânico do polímero no estado embebido/amaciado, não só mas também medição de sua cinética de amaciamento. Ensaios de tracção mesmo e inchaço medições são possíveis dentro do banho de imersão da máquina. Isto permite estudos exatos do amaciamento do plasticization-induzida de substratos de polímero para prever comportamentos na vivo .

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Protocolo

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1. preparação das amostras de polímero para testes

  1. Sintetiza o polímero thiol-ene amaciamento de acordo com protocolos anteriores dentro de uma coifa. 1 , 2 , 4 , 18 brevemente, Misture quantidades quantitativas de tiol de monômeros de alceno com um total de 0.1 iniciador de foto wt %.
    1. Prepare um frasco de vidro de 20 mL de mistura de polímero. Cobrir o frasco em papel de alumínio para evitar a luz incidente de entrar em contato com a solução de monômero e manter à temperatura ambiente (RT). Use todos os produtos químicos como recebido sem mais purificação.
    2. Para polímero totalmente amaciamento, adicionar 50 mol % 1, 3,5-trialilico-1, 3,5-triazina-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO), 45 mol % trimetilolpropano tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) e 5 mol % Tris [2-(3-mercaptopropionyloxy) etil] isocianurato (TMICN) para o coberto de frasco com uma pipeta descartável de plástico.
    3. Adicione 0,1% em peso da photoinitiatior 2,2-dimetoxi-2-phenylacetophenone (DMPA) para a solução de polímero.
    4. Homogeneiza o conteúdo dentro do frasco de velocidade planetária mistura sem expor a solução à luz.
      Nota: A solução de polímero é sensível à luz e começará a polimerizar após 45 a 60 min, mesmo que coberto com papel alumínio. Portanto, use a solução de polímero tão rapidamente quanto possível após a mistura.
  2. Girar o casaco a solução de polímero preparado na secção 1.1 como filmes finos entre 5 a 50 µm de espessura em lâminas de vidro microscópicos ou wafers de silício como um substrato de transportadora de acordo com a curva de rotação (Figura 2). Para a espessura da película de 30 µm, girar a 600 rpm por 30 s.
    Nota: Quando utilizar uma formulação diferente de SMP, a velocidade de rotação e o tempo podem variar dependendo da viscosidade da solução de polímero.
  3. Transferi os filmes do polímero sobre o substrato de transportadora imediatamente após a fiação para a câmara de reticulação. Foto-polimerizar os filmes por 60 min sob 365 lâmpadas UV de nm e pós-cura para 24 h em um vácuo forno a 120 ° C, a mais completa da conversão.
  4. Corte os filmes de polímero curado em amostras retangulares com larguras de 4,5 mm e comprimentos de 50 mm para o teste de DMA. Espessuras podem variar de 5 a 50 µm. As amostras podem ser trazidas em medir a geometria aplicando dois métodos diferentes (escolha passo 1.4.1 ou 1.4.2).
    1. Corte os filmes de polímero curado em retângulos usando um laser de2 CO. Definir o CO2 laser micromaquinação parâmetros ao poder de 5,0% (2.0 W) e velocidade de 10,0% (0.254 m/s) (Figura 3A).
    2. Defina as amostras DMA usando fotolitos em uma instalação de salas limpas classe 10000 (Figura 3B). Use os substratos SMP no vidro ou bolacha como os substratos partidos na sala limpa.
      1. Depósito de nitreto de silício de baixa temperatura para atuar como uma máscara difícil para o plasma seguir processos de gravura. A estrutura de tópicos/forma de dispositivo usando técnicas de litografia padrão do teste padrão. Use um gravador de plasma com SF6 e O2 de plasma para remover a máscara dura e camada SMP, respectivamente.
      2. Depois que a camada SMP é plasma gravado até a vidro slide/bolacha, condicione a máscara de silicone restantes nitreto difícil em mergulho de HF diluído 1:10.
  5. Delaminate os dispositivos de teste de vidro slide/wafer por imersão em água deionizada como a última etapa.

2. configuração da máquina

  1. Use um analisador mecânico dinâmico (DMA) com um sistema de imersão. Equipe a máquina com o dispositivo elétrico de imersão no modo de tensão (Figura 1). Conectar o nitrogênio líquido para a máquina e ativar o LN2/ar como uma fonte de gás para o forno.
  2. Escreva o método para medições secos com o software da máquina, incluindo as seguintes três etapas: condicionado, rampa de temperatura de oscilação e condicionado final do teste, em seguida, configurar os parâmetros da seguinte forma:
    1. Definir os seguintes parâmetros para as opções de condicionamento: modo = ativo, selecione "tensão", força axial = 0,05 N, valor inicial definido para "on", sensibilidade = 0.0 N, modo de força proporcional = força de rastreamento, compensar módulo = on, selecione "força axial", em seguida, definir força dinâmica para 25,0%, força axial mínima = 0,05 N, programado Pa, modo ativado, estirpe de extensão abaixo 0.0 ajustar = 0,05%, tensão mínima = 0,1%, tensão máxima = 0,5%, força mínima = 0,05 N, força máxima = 0,2 N.
    2. Definir os seguintes parâmetros para a rampa de temperatura de oscilação: começar a temperatura = 10 ° C, herdar o ponto do set = off, tempo de imersão = 0,0 s, espere para temperatura = on, taxa de rampa = 2,0 ° C/min, temperatura final = 100 ° C, mergulhe o tempo após a rampa = 0,0 s, taxa de amostragem = 1 pts/s, reto % n = 0,275%, único ponto, frequência = 1 Hz.
    3. Definir os seguintes parâmetros para o final do teste de condicionamento: controle ambiental = off, ajuste de força axial =, modo desabilitado, transdutor/motor = off.
  3. Escreva o método para a imersão em testes com o software de máquina, incluindo as seguintes quatro etapas: condicionado, tempo de oscilação, rampa de oscilação-temperatura e condicionado-final do teste, em seguida, configurar os parâmetros da seguinte forma:
    1. Definir os seguintes parâmetros para as opções de condicionamento: modo = ativo, selecione "tensão", força axial = 0,05 N, valor inicial definido para "on", sensibilidade = 0.0 N, modo de força proporcional = força de rastreamento, compensar módulo = on, selecione "força axial" e definir força dinâmica para 25,0%, força axial mínima = 0,05 N, programado Pa, modo ativado, estirpe de extensão abaixo 0.0 ajustar = 0,05%, tensão mínima = 0,1%, tensão máxima = 0,5%, força mínima = 0,05 N, força máxima = 0,2 N.
    2. Definir os seguintes parâmetros para o tempo de oscilação: temperatura = 39,5 ° C, herdar o ponto do set = off, tempo de imersão = 0,0 s, espere para temperatura = off, duração = 3600.0 s, taxa de amostragem = 1 pts/s, estirpe % = 0,275%, único ponto, frequência = 1 Hz.
    3. Definir os seguintes parâmetros para a rampa de temperatura de oscilação: começar a temperatura = 10 ° C, herdar o ponto do set = off, tempo de imersão = 300.0 s, espere para temperatura = off, taxa de rampa = 2,0 ° C/min, temperatura final = 85 ° C, mergulhe o tempo após a rampa = 300.0 s, taxa de amostragem = 1 pts/s, s treinar % = 0,275%, único ponto, frequência = 1 Hz.
    4. Definir os seguintes parâmetros para o final do teste de condicionamento: controle ambiental = off, ajuste de força axial =, modo desabilitado, transdutor/motor = off.

3. carga e descarga para medições secas da amostra

  1. Medir a espessura real da amostra polímero para teste seco (no ar) com paquímetro com precisão de 0,001 mm.
  2. Digite o nome da amostra, a descrição e geometria da amostra dentro do software.
  3. Ajustar a distância do carregamento de 15 mm e carregar a amostra. Certifique-se de centralizar e alinhar espécime antes que os grampos são parafusados mão firme ou use uma chave de torque com 0,1 N (Figura 3).
  4. Feche o forno e iniciar a medição usando os métodos descritos na seção 2.2.
  5. Espere até que termine a medição. Abra o forno e retirar a amostra de polímero da máquina.

4. amostra de carga e descarga para teste de imersão

  1. Medir a espessura real da amostra polímero para ensaios em PBS com paquímetro com precisão de 0,001 mm por imersão.
  2. Digite o nome da amostra, a descrição e geometria da amostra dentro do software.
  3. Prepare a instalação com o copo de imersão fixado com uma pinça de aperto superior (Figura 4AB).
  4. Ajustar a distância do carregamento de 15 mm e carregar a amostra (Figura 4). Certifique-se de centralizar e alinhar a amostra (Figura 5) antes que os grampos são parafusados mão firme ou use uma chave de torque com 0,1 N.
  5. Coloque o banho de imersão na fixação do fundo e Dane-se firmemente (Figura 4). Encha a banheira com PBS RT (Figura 4E), coloque a tampa na parte superior (Figura 4F), feche o forno (Figura 4) e iniciar a medição imediatamente usando os métodos descritos na seção 2.3. Certifique-se de que o dreno está fechado (Figura 4 H).
  6. Espere até que termine a medição. Remova a PBS os banhos de imersão, usando o dreno. Abrir o forno, retire a tampa do copo, desatarraxar o copo de imersão, levantá-lo e retirar a amostra de polímero da máquina.
  7. Limpe as braçadeiras e copo de imersão com passadas de água para remover qualquer sal restante da PBS.

5. medições

  1. Medir o polímero no ar sem o copo de imersão. Siga as instruções para a amostra de carga e descarga, conforme descrito na seção 3. Repita esta medição pelo menos 3 x para coletar resultados com relevância estatística.
  2. Medir o polímero dentro do banho de imersão, seguindo os passos descritos na secção 4. Repita a medição pelo menos 3 x para coletar resultados com relevância estatística.

6. interpretação de dados

  1. Abra a guia resultados no software da máquina, onde os dados brutos podem ser vistos em um formato de tabela ou plotados como um gráfico.
  2. Traça a primeira parte da medição de imersão, a medição do tempo de oscilação, como módulo de armazenamento ao longo do tempo para avaliar a cinética de amaciamento. A curva mostra quão rápido o módulo de elasticidade do polímero diminui ao longo do tempo enquanto imerso em PBS.
  3. Observe o tempo em que o módulo níveis para fora. Isto representa o tempo de amolecimento sob condições fisiológicas.
  4. Se o polímero não é totalmente amaciado após o tempo de imersão conjunto de 1 h, repita a medição com o tempo de imersão maior.
  5. Exibir as rampas de temperatura oscilação das medições no ar e PBS como módulo de armazenamento no eixo esquerdo e tan delta no eixo certo sobre a temperatura para exibir as propriedades termomecânicas do polímero antes (seco) e depois (em PBS) plasticization .
  6. Plotar os dados para o seco (ar) e medições de PBS juntas para melhor exibir as alterações nas propriedades termomecânicas devido do plasticization.
  7. Note que o módulo de armazenamento do material seco a 25 ° C e da amostra encharcada a 37 ° C, como estes são números relevantes para avaliar quanto o polímero vai amolecer durante a implantação.
  8. Observe as alterações no pico da tan delta entre as amostras secas e encharcadas.
  9. Exporte os dados como um arquivo. txt ou. csv para interpretação dos dados e plotagem com outro software.

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Resultados

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O uso de DMA ambiental permite a análise da cinética e capacidades globais de amaciamento de polímeros de amaciamento. Usando o modo de medição de temperatura-tempo do protocolo, os perfis de amaciamento de formulações diferentes de polímero podem ser comparados ao outro (Figura 6). Esse método também pode ser usado para quantificar o amolecimento e inchaço taxas de polímeros. Pode ser visto na Figura 4 que formulações diferentes...

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Discussão

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O uso de DMA ambiental permite o estudo do comportamento de diversos polímeros utilizados como substratos para implantes neurais19 ou outros dispositivos biomédicos em solução e para imitar na vivo condições. Isto inclui, mas não está limitado a, poliamida, parylene-C, PDMS e SU-8. Hidrogel e materiais de matriz extracelular (ECM) também podem ser investigados usando esse método. As diferenças de amolecimento geral do polímero, bem como de sua cinética amolecimento podem ser facilmente co...

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Divulgações

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Os autores declaram que eles têm não tem interesses financeiro concorrente.

Agradecimentos

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Os autores querem agradecer Dr. Taylor Ware por nos permitir usar seu ambiente DMA.

Este trabalho foi financiado pelo Instituto de assistente de defesa para assuntos de saúde, através de Peer revisão médica programa de pesquisa [W81XWH-15-1-0607]. Opiniões, interpretações, conclusões e recomendações são as dos autores e não necessariamente endossado pelo departamento de defesa.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
1,3,5-Trialil-1,3,5-triazina-2,4,6(1H,3H,5H)-triona (TATATO)Sigma-Aldrich114235-100G
2,2-Dimetoxi-2-fenilacetofenona (DMPA)Sigma-Aldrich196118-50G
CO2 laser Gravograph LS100Gravotech, Inc.
Corning Grandes Lâminas de Microscópio de Vidro, 75 x 50mmTed Pella26005
DMA Ambiental: Analisador de Sólidos RSA-G2Instrumentos TA Pinça
de Plástico Segura ESD, Pontas; Plano, bico de pato, 11,5 cmCole PalmerEW-07387-17
Laurell WS-650-8B revestidor giratórioLaurell Technologies Corporation
nitrogênio líquidoGás
PBS, 1X Solução, Fisher BioReagentsFisher ScientificBP243820
Forno a vácuo SHEL LABVWR International89409-484
Silício waferUniversidade WaferGrau mecânico
O sistema de imersão RSA-G2TA Instruments
Trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionato) (TMTMP)Sigma-Aldrich381489-100ML
UVP CL-1000 com lâmpadas de 365 nmVWR International21474-598
do arCâmara de reticulação

Referências

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