Методическая статья

Экологические динамический механический анализ предсказать размягчения поведение нейронные имплантаты

DOI:

10.3791/59209

⸱

1 марта 2019 г.

 ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Чтобы разрешить надежные прогнозы размягчения полимерные субстраты для нейронные имплантанты в среде в естественных условиях , важно иметь надежного в vitro методом. Здесь представлен использование динамического механического анализа в фосфатный буфер при температуре тела.

Аннотация

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

При использовании динамически размягчения субстратов для нейронные имплантанты, важно иметь надежного в vitro метод для характеристики размягчения поведение этих материалов. В прошлом не удалось удовлетворительным образом измерить размягчения тонких пленок в условиях, подражая тела среды без значительных усилий. Эта публикация представляет новый и простой метод, который позволяет динамический механический анализ (ДМА) полимеров в решениях, таких как-фосфатный буфер (PBS), при соответствующей температуре. Использование экологических DMA позволяет измерение смягчения последствий полимеров за счет пластификации в различных средствах массовой информации и температуры, что таким образом позволяет предсказания поведения материалов при условиях в естественных условиях .

Введение

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

Новое поколение материалов, используемых в качестве подложки для нейронные имплантаты состоит из размягчения формы памяти полимеров1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Эти материалы являются достаточно жесткой во время имплантации для преодоления критических выпучивания силы, но они становятся до трех порядков мягче после имплантации в среде тела. Он предсказал, что эти материалы Показать лучшего взаимодействия устройств ткани из-за уменьшение несоответствия в модуль по сравнению с традиционные материалы, используемые в нейронные имплантанты, например Вольфрам или кремния. Традиционные, жесткой устройства показывают воспалительной реакции после имплантации, следуют инкапсуляции ткани и астроглиальных рубцов, что часто приводит к устройство отказа10,11. Это общие предположения, что менее жесткой устройств к минимуму инородного тела ответа12,,1314. Жесткость устройства диктуется ее площадь поперечного сечения и модуль. Таким образом важно уменьшить оба фактора для улучшения соблюдения устройства и, в конечном счете, взаимодействию ткани устройства.

Работа по смягчению полимеров был вдохновлен работой Нгуен et al.15, который продемонстрировал, что механически совместимые intracortical имплантаты уменьшить ответ neuroinflammatory. Ранее они использовали механически Адаптивная poly(vinyl acetate)/оболочники целлюлозы Нанокристаллические (tCNC) нанокомпозитов (НК), которые становятся совместимыми после имплантации.

Войт лаборатории, с другой стороны, использует систему высоко перестраиваемый тиоловых Эне и тиоловых СВ/акрилата полимеров. Эти материалы являются выгодные в том, что степень размягчения после воздействия в vivo условий могут быть настроены легко дизайн полимера. Выбирая правильный полимерной композиции и crosslink плотности, температуры стеклования и Юнга полимера может быть изменен2,-4,-5,-6,-8. Основной эффект размягчения является пластификации полимера в водной среде. В имеющие полимера с температуры стеклования (gT) выше температуры тела при сухой (состояние во время имплантации), но ниже температуры тела после того, как погружен в воду или PBS, полученный жесткость/модуль полимера можно перейти от стекловидный (жесткая) при сухой к резиновой (мягкая) когда имплантированные16.

Однако точные и надежные измерения размягчения за счет пластификации и shift Tg от сухой и мокрой государства не смогли быть измерена в прошлом. Традиционные динамический механический анализ выполняется в воздухе или инертных газов и не позволяют измерять термомеханические свойства полимеров внутри решения. В предыдущих исследованиях полимеры был погружен в PBS для различных количество времени. Опухание образцы были затем использованы для выполнения динамический механический анализ (ДМА)6,,78. Однако поскольку процедура включает температура пандуса, образцы начинают сухой во время измерения и не дают репрезентативных данных. Это особенно верно, если размер выборки становится меньше. Для того, чтобы предсказать, размягчения нейронных зондов, было бы необходимо проверить 5 до 50 мкм тонких полимерных пленок, что невозможно с традиционными DMA вследствие вышеуказанных сушка проб во время измерения.

Гесс et al.17 разработали заказ microtensile тестирование машины для оценки механических свойств механически адаптивной материалов, с использованием экологически управляемый метод. Ранее они использовали систему Аэрограф брызг воды на образцах во время измерения для предотвращения их от высыхания.

Однако, использование экологических DMA (рис. 1), позволяет для измерения полимерных пленок в решениях, таких как вода и PBS, при различных температурах. Это позволяет не только измерение термомеханические свойства полимеров в пропитанной размягченного состояния, но и измерение его размягчения кинетики. Внутри ванны погружения этой машины возможны отек измерений и испытаний даже на растяжение. Это позволяет для точного исследования пластификацию индуцированной размягчения полимера субстратов для прогнозирования поведения в естественных условиях .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка полимерные образцы для тестирования

  1. Синтезировать размягчения полимера тиоловых Ен по данным предыдущих протоколов внутри зонта. 1 , 2 , 4 , 18 кратко, смешайте количественных объемов тиоловых алкен мономеров в общей сложности 0.1 wt % фото инициатора.
    1. Подготовьте стеклянный флакон 20 мл для смешивания полимера. Покрыть флакон в алюминиевой фольги для предотвращения падающий свет от контактов с мономером решения и держать при комнатной температуре (RT). Используйте все химические вещества, как получил без дальнейшей очистки.
    2. Для полного размягчения полимера, добавить 50 моль % 1,3,5-triallyl-1,3,5-триазина 2,4,6(1H,3H,5H)-trione (ТАТАТО), 45 моль % триметилолпропан tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) и 5 моль % трис [2-(3-mercaptopropionyloxy) этил] Изоцеануратовые (TMICN) для покрыты флакон с использованием одноразовых пластиковых дозаторов.
    3. Добавьте 0,1 wt % photoinitiatior 2,2-диметокси-2-phenylacetophenone (ДМПА) раствора полимера.
    4. Тщательно перемешайте содержимое внутри флакона планетарные скорость смешивания не подвергая решение к свету.
      Примечание: Раствор полимера чувствителен к свету и начнут полимеризоваться после 45-60 мин, даже если покрыты фольгой. Таким образом используйте раствор полимера как можно быстрее после смешивания.
  2. Вращать слой раствора полимера, подготовленный в разделе 1.1 как тонкие пленки между 5 до 50 микрон толщины на микроскопических стеклянных скольжениях или пластин кремния как субстрат перевозчика согласно кривой спин (рис. 2). Для 30 мкм толщина пленки, спина на 600 об/мин за 30 s.
    Примечание: При использовании иной формулировке SMP, скорость отжима и время может варьироваться в зависимости от вязкости раствора полимера.
  3. Передача полимерных пленок на подложке перевозчик сразу же после спиннинг в палату сшивки. Фото полимеризоваться фильмы для 60 мин под 365 Нм УФ лампы и после лечения для 24 h в вакуумной печи при температуре 120 ° C для дальнейшего завершения преобразования.
  4. Вырежьте вылечить полимерных пленок в прямоугольных проб с шириной 4,5 мм и длиной 50 мм для тестирования DMA. Толщина варьируется от 5 до 50 мкм. Образцы могут быть привлечены в измерения геометрии, применение двух различных методов (выбрать шаг 1.4.1 или 1.4.2).
    1. Нарежьте прямоугольников с помощью лазера2 CO вылечить полимерных пленок. Задание CO2 лазерная микрообработка параметров мощность 5,0% (2.0 W) и 10,0% скорость (0,254 м/сек) (рис. 3A).
    2. Определите образцы DMA с помощью фотолитографии в объекте класса 10000 cleanroom (рис. 3B). Используйте SMP на стекло или пластин субстраты как отправной субстратов в чистых помещениях.
      1. Депозит низкой температуры нитрида кремния в качестве жесткого маска для следующих плазмы, офорт процессов. Модель устройства наброски/форма с использованием методов стандартных литографии. Используйте гравер плазмы с SF6 и O2 плазмы для удаления трудно маски и SMP слой, соответственно.
      2. После SMP слой плазменного травления вниз слайд/пластин стекла, etch оставшиеся кремния нитрид жесткий маска находится в разреженных dip 10:1 кв.
  5. Расслаивается тестовые устройства из стекла слайд/пластины путем замачивания в деионизированной воде как последний шаг.

2. машина установки

  1. Используйте динамический анализатор механических (DMA) с системой погружения. Оборудуйте машину с погружения арматуре в напряжение режиме (рис. 1). Подключите жидкого азота на машину и включить LN2 воздуха как источника газа для печи.
  2. Напишите метод для сухой измерений с помощью программного обеспечения машины, включая следующие три шага: кондиционером, колебания температуры рамп и принадлежности конце теста, затем установите параметры следующим образом:
    1. Установите следующие параметры для функции принадлежности: режим = активная, выберите «напряжение», осевой силы = 0,05 N, задать начальное значение для «вкл.», чувствительность = 0.0 N, пропорциональную силу режим = сила слежения, компенсировать модуль =, выберите «осевой силы», а затем установить динамичной силой до 25,0%, Минимальная осевая сила = 0,05 N, запрограммированы расширение ниже 0.0 Па, включен режим, штамм отрегулировать = 0,05%, минимальное напряжение = 0,1%, максимальное напряжение = 0,5%, минимальной силы = 0,05 N, максимальная сила = 0,2 н.
    2. Установите следующие параметры для рамп колебания температуры: Стартовая температура = 10 ° C, наследуют набор точки = off, выдержите время = 0.0 s, ожидания для температуры = on, рамп ставка = 2.0 ° C/мин, температура конца = 100 ° C, Замочите время после рамп = 0.0 s, частота дискретизации = 1 pts/s, strai n % = 0,275%, одной точки, частота = 1 Гц.
    3. Установите следующие параметры для принадлежности конце теста: экологический контроль = off, корректировка осевой силы =, режим отключен, датчика/мотор = off.
  3. Напишите метод для погружения, тестирование с помощью программного обеспечения машины, включая следующие четыре шага: принадлежности, колебание время, колебания температуры рамп и принадлежности конце теста, затем установите параметры следующим образом:
    1. Установите следующие параметры для функции принадлежности: режим = активная, выберите «напряжение», осевой силы = 0,05 N, задать начальное значение для «вкл.», чувствительность = 0.0 N, пропорциональную силу режим = сила слежения, компенсировать модуль =, выберите «осевой силы» и установите динамичной силой до 25,0%, Минимальная осевая сила = 0,05 N, запрограммированы расширение ниже 0.0 Па, включен режим, штамм отрегулировать = 0,05%, минимальное напряжение = 0,1%, максимальное напряжение = 0,5%, минимальной силы = 0,05 N, максимальная сила = 0,2 н.
    2. Установите следующие параметры для колебаний время: температура = 39,5 ° C, наследуют набор точка = off, выдержите время = 0.0 s, ожидание температуры = off, продолжительность = 3600.0 s, частота дискретизации = 1 pts/s, штамм % = 0,275%, одной точки, частота = 1 Гц.
    3. Установите следующие параметры для рамп колебания температуры: Стартовая температура = 10 ° C, наследуют набор точки = off, выдержите время = 300,0 s, ожидания для температуры = off, рамп ставка = 2.0 ° C/мин, температура конца = 85 ° C, Замочите время после рамп = 300,0 s, частота дискретизации = 1 pts/s, s поезд % = 0,275%, одной точки, частота = 1 Гц.
    4. Установите следующие параметры для принадлежности конце теста: экологический контроль = off, корректировка осевой силы =, режим отключен, датчика/мотор = off.

3. образец погрузки и разгрузки для сухой измерений

  1. Измерения фактической толщины полимерной образца для сухой (в воздухе) тестирования с суппорта с точностью 0,001 мм.
  2. Введите образец имя, описание и образец геометрии в программное обеспечение.
  3. Установите разрыв загрузки до 15 мм и загрузки образца. Убедитесь, что центр и выравнивание образца до зажимы привинчены плотно рукой или использовать динамометрический с 0,1 N (рис. 3 c).
  4. Закройте печи и начать измерение, используя методы, описанные в разделе 2.2.
  5. Дождитесь завершения измерения. Откройте печи и удалить образец полимера из машины.

4. пример загрузки и разгрузки для тестирования погружение

  1. Измерения фактической толщины полимерной образца для испытаний в PBS с суппорта с точностью 0,001 мм погружения.
  2. Введите образец имя, описание и образец геометрии в программное обеспечение.
  3. Подготовка установки со стаканом погружения, фиксированной с зажимом на верхнюю ручку (рис. 4AB).
  4. Установите разрыв загрузки до 15 мм и загрузки образца (рис. 4 c). Убедитесь, что центр и выравнивание образца (рис. 5), прежде чем зажимы привинчены плотно рукой или использовать динамометрический с 0,1 н.
  5. Ванны погружения на дно арматуре и плотно завинтите (рис. 4 d). Заполните ванну с RT PBS (Рисунок 4E), поместите крышку на вершине (Рисунок 4F), закройте печи (рис. 4 g) и начать измерения немедленно с помощью методов, описанных в разделе 2.3. Убедитесь, что сливной закрыт (рис. 4 H).
  6. Дождитесь завершения измерения. Удалите из ванны погружения, с помощью сливной PBS. Откройте печи, снимите крышку с стакан, отвинтить стакан погружения, поднять его и удалить образец полимера из машины.
  7. Очистите зажимы и стакан погружения де гладить водой, чтобы удалить любые оставшиеся соли от PBS.

5. измерения

  1. Измерьте полимера в воздухе без стакан погружения. Следуйте инструкциям для образца погрузки и разгрузки, как описано в разделе 3. Повторите это измерение по крайней мере 3 x для сбора результатов с статистической значимости.
  2. Измерьте полимер внутри ванны погружения следующие шаги, описанные в разделе 4. Повторите измерение по крайней мере 3 x для сбора результатов с статистической значимости.

6. Интерпретация данных

  1. Откройте вкладку результаты в программное обеспечение машины, где необработанные данные можно просматривать в формате таблицы или заговор как граф.
  2. Участок в первой части погружения измерение, измерение колебаний времени, как модуль хранения со временем для оценки смягчения кинетики. Кривая показывает, насколько быстро модуль полимера уменьшается с течением времени, погруженном в PBS.
  3. Обратите внимание на время, в котором модуль уровнях вне. Это представляет собой время для размягчения при физиологических условиях.
  4. Если полимер не размягчается полностью после набора погружение время 1 h, повторите измерения с повышенной погружение время.
  5. Отображение пандусы колебание температуры измерений в воздухе и PBS как модуль хранения на левой оси и тангенс дельта на правой оси над температурой для отображения термомеханических свойств полимера до (сухой) и после (в PBS) пластификации .
  6. Печать данных для сухой (воздуха) и PBS измерений вместе, чтобы лучше отобразить изменения в термомеханические свойства за счет пластификации.
  7. Обратите внимание модуль хранения сухого материала при 25 ° C и пропитанной образца при 37 ° C, так как это соответствующие цифры для оценки, сколько полимера смягчит во время имплантации.
  8. Обратите внимание на изменения в пик тангенс дельта между образцами сухой и мокрой.
  9. Экспорт данных в файл .txt или .csv для дальнейшей интерпретации данных и печати с другим программным обеспечением.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Использование экологических DMA позволяет анализ размягчения кинетики и общего размягчения возможности полимеров. С помощью режима измерения температуры время протокола, смягчающим профили различных полимерных составов можно сравнить друг с другом (рис. 6). Этот метод может также использоваться для количественного определения размягчения и отек ставки полимеров. На рисунке 4 можно увидеть, что различные полимерные составы могут п...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Использование экологических DMA позволяет исследования поведения различных полимеров, используемых в качестве субстратов для нейронные имплантаты19 или другие Биомедицинские приборы в растворе и имитировать в vivo условий. Это включает, но не ограничиваясь, полиимидные, парилена C, PDMS и Су-8. Гидрогелей и внеклеточного матрикса (ECM) материалы можно также исследовать с помощью этого метода. Различия общего размягчения полимера, а также его размягчения кинетики можно легко сравнить между...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что они не имеют никаких финансовых интересов.

Благодарности

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

Авторы хотели бы поблагодарить Доктор Ware Тейлор за предоставленную нам возможность использовать его экологической DMA.

Эта работа была поддержана Управлением из помощника министра обороны по вопросам здравоохранения через Peer обзор медицинских исследований программы [W81XWH-15-1-0607]. Мнения, толкований, выводы и рекомендации принадлежат авторам и не обязательно одобрены министерством обороны.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1,3,5-триаллил-1,3,5-триазин-2,4,6(1H,3H,5H)-трион (TATATO)Sigma-Aldrich114235-100G
2,2-диметокси-2-фенилацетофенон (DMPA)Sigma-Aldrich196118-50G
CO2-лазер Gravograph LS100Gravotech, Inc.
Предметные стекла для большого стекла микроскопа Corning, 75 x 50 ммTed Pella26005
Окружающая среда DMA: анализатор твердых веществ RSA-G2TA Instruments
ESD безопасный пластиковый пинцетр, наконечники; Плоский, Утконос, 11,5 смCole PalmerEW-07387-17
Laurell WS-650-8B Прядильный коатерLaurell Technologies Corporation
жидкий азотВоздух газообразный
PBS, 1X Solution, Fisher BioReagentsFisher ScientificBP243820
SHEL LAB вакуумная печьVWR International89409-484
Кремний вафляУниверситет ВафляМеханический класс
RSA-G2 Иммерсионная система TAInstruments
триметилолпропан трис (3-меркаптопропионат) (TMTMP)Sigma-Aldrich381489-100ML
UVP CL-1000 сшивающая камера с лампами 365 нмVWR International21474-598

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Environmental DMAPolymer SofteningGlass Transition TemperaturePlasticization EffectImmersion TestingPBS SolutionThiol ene PolymerMechanical Testing

Похожие статьи