Экологически-контролируемое Microtensile Тестирование Механически адаптивных полимерных нанокомпозитов для Экс естественных условиях Характеристика

Summary

Метод обсуждается в котором В естественных условиях Механические свойства раздражителей аспекты материалов как функцию времени. Образцы испытывают Экс естественных условиях Использование microtensile тестер с экологическим контролем для имитации физиологической среде. Эта работа способствует дальнейшему пониманию В естественных условиях Поведение нашем материале.

Abstract

Имплантируемые микроустройства привлекают значительное внимание в нескольких биомедицинских приложениях^1-4. Такие устройства были изготовлены из различных материалов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки^5,6. В первую очередь, из-за микроразмеров устройства требуется высокий модуль упругости для облегчения имплантации в живую ткань. И наоборот, жесткость устройства должна соответствовать окружающим тканям, чтобы свести к минимуму индуцированное локальное напряжение^7-9. Поэтому недавно мы разработали новый класс биоинспирированных материалов, чтобы удовлетворить эти требования, реагируя на стимулы окружающей среды изменением механических свойств^10-14. В частности, наш нанокомпозит на основе поливинилацетата (PVAc-NC) демонстрирует снижение жесткости при воздействии воды и повышенных температур (например, температуры тела). К сожалению, существует мало методов количественной оценки жесткости материалов in vivo¹⁵, а механические испытания вне физиологической среды часто требуют больших образцов, непригодных для имплантации. Кроме того, материалы, реагирующие на стимулы, могут быстро восстановить свою первоначальную жесткость после эксплантации. Поэтому мы разработали метод, с помощью которого механические свойства имплантированных микрообразцов могут быть измерены ex vivo, при этом симулированные физиологические условия поддерживаются с использованием контроля влажности и температуры^13,16,17.

С этой целью был разработан специальный тестер микрорастяжения, предназначенный для микромасштабных образцов^13,17 с сильно варьирующимися модулями Юнга (диапазон от 10 МПа до 5 ГПа). Поскольку наши интересы связаны с применением PVAc-NC в качестве биологически адаптируемого субстрата для нейронных зондов, был необходим инструмент, способный механически характеризовать образцы на микроуровне. Этот инструмент был приспособлен для обеспечения контроля влажности и температуры, что сводило к минимуму сушку и охлаждение образца¹⁷. В результате механические характеристики эксплантированного образца близко отражают механические характеристики образца непосредственно перед эксплантацией.

Общая цель этого метода - количественно оценить in vivo механические свойства, в частности модуль Юнга, материалов, реагирующих на стимулы, механически адаптивных на основе полимеров. Это достигается путем предварительного определения условий окружающей среды, которые сведут к минимуму изменение механических свойств образца после эксплантации, не способствуя снижению жесткости, не зависящей от того, что происходит в результате имплантации. Затем образцы подготавливаются к имплантации, обработке и тестированию (Рисунок 1A). Каждый образец имплантируется в кору головного мозга крыс, которая представлена здесь в виде эксплантированного мозга крысы, на определенный срок (рисунок 1B). На этом этапе образец эксплантируется и немедленно загружается в прибор для испытаний на микрорастяжение, а затем подвергается испытанию на растяжение (рис. 1C). Последующий анализ данных дает представление о механическом поведении этих инновационных материалов в среде коры головного мозга.

Protocol

1. Подготовка образцов

1. Подготовьте ПВА-NC пленки толщиной в диапазоне 25-100 мкм, с использованием литья решения и технологии сжатия ^10-12.
2. Придерживаться пленки на кремниевой пластине при нагревании на горячей плите в течение двух минут при 70 ° С (выше температуры стеклования) содействовать тесный контакт между пленкой и подложкой. Этот шаг гарантирует, что полученные пленка остается плоским и фиксированных на кремниевой пластины, которая необходима для плоских процессов микрообработки.
3. Pattern пленку в тестируемом образце геометрии лазерного микрообработке (VLS 3.50, VersaLASER). Установите CO ₂ прямой записи параметров лазерного микрообработке до 1,0% мощность (0,5 Вт), 4,0% скорости (56 мм / с), и 1000 импульсов на дюйм ^13,16.
4. Образец образцы, которые будут использоваться для установления условий окружающей среды ("Установка образцов") в форме собачьей кости структуры с поперечными размерами площадки 1,5 х 1,5 мм ^2, и боковой балкой тусклыйensions 300 х 3000 мкм ^2, с толщиной соответствия, что пленки по всему (рис. 2).
5. Образец образцов напр экспериментов естественных условиях («имплантат образец") в пучках 300 мкм и длиной 6 мм, с толщиной, соответствующих этому пленки.
6. Осторожно освободить образцов из пластин с помощью лезвия бритвы и пинцет.
7. Для обработки проб, подготовить специально обработанной Акриловые держатели, предназначенные для обслуживания, как часть рукоятки системы в microtensile тестера. Лазером маркировки показать осевой держатель и 1,5 мм от конца. Нанесите небольшое количество геля цианоакрилат клей на основе по осевой линии акриловый держатель и тщательно придерживаться 1,5 мм длины имплантата образца в держателе и перекрывают отмечены линии (фиг.3). Каждый имплантат выборка требует одного акрилового держателя. Быть осторожным, чтобы гарантировать, что клейкий гель остается только вдоль 1,5 мм длины ПВА-NC соблюдались акрилова держателя. В противном случае клей гель может повлиять на механические свойства образца.
8. Удалить влагу из всех образцов, помещая их в эксикаторе в течение по крайней мере 24 часов.
9. Измерение длины, ширины и толщины размеры образцов с помощью оптического микроскопа.

2. Установить условия окружающей среды

1. Загрузите сухой установки образца в microtensile тестера (см. рисунок 4), первый зажим между мобильным захваты, затем между фиксированными захватами.
2. Установить воздух щетка с заполненными водой резервуара в фиксированном положении, при этом сопло направлено на microtensile образца. Подключите аэрографа к воздушному компрессору с помощью пластиковых труб. С соплом аэрографа полностью закрыта, включите компрессор воздуха.
3. Начать циклическую процедуру тестирования microtensile, чередуя деформацию растяжения (положительные деформации) и деформации сжатия (отрицательный штамм) применяется к TОн образца, оставаясь в пределах линейной упругой области напряженно-деформированного участка. Для ПВА-NC, приложенной деформации ограничено до менее чем 2%. В пользовательском тестер microtensile используемые в этих экспериментах, скорость деформации контролировали в то время как необходимое усилие для достижения этого штамма измерялась. Кроме того, различные настройки может включать в себя управление приложенной силы при измерении Полученный штамм.
4. Постепенно увеличение потока из сопла щетка воздуха и контролировать наклон напряжение-деформация участка в зависимости от величины потока от щетки воздуха. Максимальный поток, который не вызывает значительного (> 10%), снижение модуля Юнга в течение 60 сек это уровень, который будет использоваться для экс виво экспериментов. На данный момент, влажности, которая не будет смачивать сухой образец (и тем самым способствовать снижению модуля Юнга), а также сведет к минимуму сушки образца после воздействия биологических жидкостей в естественных условиях были ЭСТАblished.
5. Измерить температуру вблизи образца. Идеальная установка будет включать в себя термопары с цифровым отсчетом, и выполняться во время аэрограф работает. Установить интенсивность и расстояние до источника лучистой тепла, например, что температура держится до 37 ° С, в соответствии с физиологическими условиями.

3. Сравните экологический контроль с целью Номера для экологического контроля

1. Погрузить образцы установки, по крайней мере 30 минут в фосфатном буферном растворе. По истечении этого времени, образец полностью насыщен и была снижена до минимума модуль Юнга при данной температуре.
2. Быстро загрузить сэмпл в microtensile тестер и начать циклическое тестирование microtensile, с кистью воздух прочь, в то время как образец высохнет. От этого будет зависеть, как быстро высыхает образца под неконтролируемых условиях.
3. Загрузите вторую PBS-насыщенных установки образца в microtensile тестер, и начать циклическое тестирование microtensileс кистью воздух далее. Это позволит определить, как быстро высыхает образца при контролируемых условиях окружающей среды.

4. Имплантация зонда и Эксплантация

1. Установите имплантат образца фиксатора микроманипулятор и положение ортогонально кортикальной тканью.
2. Перед введением, сохранить достаточно влажной ткани физиологическим раствором для обеспечения однородности ткани механики.
3. Нижняя образца полимера в кору с помощью элементов управления микроманипулятор рукой. Оставьте образец в кортикальной тканью до времени имплантат цели, как правило, от 1 до 30 мин. Для предотвращения от высыхания тканей для моментов времени в течение 5 минут, слегка промокните ткань каждые 5 мин с использованием солевого пропитанной ватным тампоном.
4. В то время как зонд имплантируется в коре головного мозга, готовят microtensile тестер для загрузки в настоящее время имплантированный образец путем установки приводного стержня с нулевым смещением положении 3,0 мм от стационарного зажима образца. Кроме того, установите сопло аэрографас параметром потока и излучающий источник тепла для соответствующей интенсивности определения на шаге 2.4.
5. По окончании указанного времени имплантат, приподнять зонд из коры с помощью элементов управления микроманипулятор рукой. Сразу и осторожно удалить образец из микроманипулятор зажима и загрузить в microtensile тестер, как более подробно описано в шаге 5.2.

5. Microtensile Тестирование образцов имплантатов

1. Чтобы сэкономить время после эксплантации, убедитесь, что microtensile тестер полностью готова принять имплантата образца до имплантации, как описано в шаге 4.4.
2. Сразу после эксплантация, загрузка образца между двумя наборами microtensile зажимы тестера. Поскольку образец крепится к акриловым держателем призвана служить в качестве верхней половины один зажим, сборки поместить имплантат образец на мобильный захват, образец стороной вниз. Важно, чтобы гарантировать, что образец установлен таким образом, что штамм заявлIED только по длине зонда, чтобы избежать приложения крутящего момента образца во время испытания. Таким образом, образец должен быть установлен в центре каждого зажима и зажимы должны быть выровнены по отношению друг к другу.
3. Регулировка положения образца таким образом, чтобы расстояние между зажимами составляет 3,0 мм, а конец зонда помещается в основной зажима. В этом 3.0 мм Расстояние между зажимами расстояние между метками для образца, и будет использоваться в дальнейших вычислениях для определения нагрузки на образец.
4. Сразу после крепления образца между двумя зажимами, и в течение 2 мин эксплантация из нервной ткани, активируют двигателя в направлении растягивающей нагрузки на удлиненное образца с постоянной скоростью (10 мкм / сек использован здесь), одновременно измерения и записи удлинение образца (с использованием перемещение индикатора, Mitutoyu 543-561) и соответствующие силы (с помощью датчика, преобразователь Методы МБР-2.5), необходимых к деформации образца.
5. Повторите microtensile тестирования для каждого образца и / или каждый набор условий (т.е. время вставки).

6. Анализ данных

1. Преобразование исходных данных удлинение к инженерным штаммом применяется к имплантату образца путем деления расстояния удлинения начальной расчетной длины, как описано в формуле 1, где ε в приложенной деформации, т время, д является смещение измеряется микрометром индикатора и L ₀ начальная длина калибровочного образца:
   (1)
2. Преобразование исходных данных усилие к инженерным напряжение на образце путем деления силы (в ньютонах), к TRAnsverse площадь поперечного сечения, как описано в уравнении 2:
   (2)
   где σ является напряжение на образце, F сила измеряется датчиком (в ньютонах), ш ₀ является исходной ширины образца и трет ₀ является исходной толщины образца.
3. Участок напряжение (σ [т]) в зависимости от деформации (ε [т]) кривой для каждого образца с помощью компьютерной программы, такой как Microsoft Excel.
4. Изолировать линейной упругой части сюжета и использовать программные инструменты кривой, чтобы найти лучший подходящую линию к этой части. Наклон наилучшего линия соответствует модуль Юнга образца. Выделенную часть участка должна включать не менее 10 напряженно-деформированного очка, и должны быть приняты от части участка, где склон является наибольшей.
5. Для циклических испытаний, модуль Юнга должны быть определены для каждого цикла. Это может быть автоматизирован или выполняться вручную.
6. Для циклических испытаний, участок модуль Юнга каждого цикла в зависимости от времени. Это указывает на то, каким образом измеренные модуля изменяется с течением времени, что свидетельствует о том, как быстро установки образца смачивающие или сушки.
7. Для имплантат образцов, каждый образец и время имплантат соответствует одному циклу циклических испытаний. Измерение модуля Юнга по методике, описанной выше, для каждого имплантата образца.
8. Сюжет модуля Юнга по сравнению с имплантатом времени. На данный момент, сравнения могут быть сделаны, чтобы настольная исследований и т.д.

Results

Механические свойства практически всех полимерных материалов, в том числе наши ПВА-NC, зависят от воздействия окружающей среды. В частности, они включают воздействием тепла и влаги. Когда материал является пластифицированный благодаря поглощению влаги или претерпевает фазовый переход, он отображает снижение модуля Юнга. При подготовке влажности и температуры контролируемой среды для исключая виво образец механической характеристикой, важно обеспечить, чтобы было минимальное изменение содержания влаги в образце ...

Discussion

Продвижение имплантируемых биомедицинских микроэлектромеханических систем (BioMEMS) для взаимодействия с биологическими системами мотивирует развитие новых материалов с высокой заданными свойствами. Некоторые из этих материалов предназначены для демонстрируют изменение свойств материала в ответ на стимул найти в физиологической среде. Один недавно разработанные класс материалов реагирует на присутствие водородной связи образующие жидкости (например, воды) и при повышенных температурах, чтобы уменьшить модуль Юн...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Силиконовая пластина	University Wafer		Механический класс
Экструдированный акриловый лист	Профессиональный пластик	SACR 062EF	Толщина 0,062 "
Лезвие бритвы	McMaster-Carr	3962A3
Пинцет	McMaster-Carr	8384A47	#5 наконечник
Супер Клей Гель	Loctite	130380
Воздух	Щеточный защелкивающийся промышленный	BF175TA
воздушный компрессор	Paasche	B002YKN8YO	D500
Термопара	Omega	HH12A
Горячая пластина	Cimarec	SP131325Q
CO2 лазер прямой записи	VersaLaser	3.5
Dessicator	Fisher Scientific	08-595
Лампа			изготовленный по индивидуальному заказу
			для испытаний на микрорастяжение