Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

בדיקת Microtensile לסביבה מבוקרת של nanocomposites הפולימר מכאני-מסתגל ל Published: August 20, 2013 doi: 10.3791/50078
Automatic Translation
1, 1,2, 1,2, 1,3, 1,2
1Advanced Platform Technology Center, Rehabilitation Research and Development, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 2Department of Biomedical Engineering, Case Western Reserve University, 3Department of Electrical Engineering and Computer Science, Case Western Reserve University

Summary

שיטה נדונה על ידי ה

Abstract

microdevices מושתלים צובר תשומת לב משמעותית לכמה יישומים ביו 1-4. מכשירים כאלה נעשו מתוך מגוון רחב של חומרים, כל אחד מציע יתרונות וחסרונות משלה 5,6. הבולט ביותר, בשל ממדי מכשיר microscale, נדרש מודולוס גבוה כדי להקל על השתלה לתוך רקמת חיה. לעומת זאת, את הנוקשות של המכשיר צריכה להתאים את הרקמה שמסביב כדי למזער את המתח מושרה 7-9 מקומי. לכן, אנו פיתחה לאחרונה סוג חדש של חומרים בהשראה ביולוגי כדי לעמוד בדרישות אלה על ידי מגיבים לגירויים סביבתיים עם שינוי בתכונות מכאניות 10-14. באופן ספציפי, nanocomposite מבוססת (ויניל אצטט) פולי (PVAc-NC) מציגה ירידה בקשיחות בעת חשיפה למים וטמפרטורות גבוהות (למשל טמפרטורת גוף). למרבה הצער, קיימות מספר שיטות לכמת את הקשיחות של חומרי in vivo 15, וmechבדיקות anical מחוץ לסביבה הפיזיולוגית לעתים קרובות דורשת דגימות גדולות מתאימות להשתלה. יתר על כן, חומרים המגיבים לגירויים עשויים להתאושש הנוקשות הראשונית שלהם לאחר explantation במהירות. לכן, פיתחנו שיטה שבאמצעותה ניתן למדוד את התכונות מכאניות של microsamples המושתל vivo לשעבר, עם תנאים פיסיולוגיים מדומים נשמר באמצעות לחות ובקרת טמפרטורת 13,16,17.

לצורך כך, בוחן microtensile מותאם אישית תוכנן כדי להכיל דגימות microscale 13,17 עם נרחב משתנה moduli של יאנג (טווח של 10 עד 5 מגפ"ס GPA). כפי שמעניין אותנו הם ביישום של PVAc-NC כמצע בדיקה עצבי ביולוגי וישימה, כלי מסוגל אפיון מכאני של דוגמאות בmicroscale היה הכרחי. כלי זה הותאם כדי לספק לחות ובקרת טמפרטורה, אשר ממוזערת מדגם ייבוש וקירור 17. כתוצאה מכך, המכונאימאפייני al של מדגם explanted משקפים במדויק לאלה של המדגם רק לפני explantation.

המטרה הכללית של שיטה זו היא להעריך כמותית במאפייני vivo מכאניים, במיוחד מודולוס הצעיר על חומרים מבוססי פולימר גירויים, מגיב, מכאני-אדפטיבית. המטרה זו מושגת על ידי ההקמה את התנאים הסביבתיים שיצמצמו שינוי בתכונות מכאניות לדוגמה לאחר explantation מבלי לתרום לירידה בקשיחות בלתי תלויה שנובעים מההשתלה הראשונה. דוגמאות לאחר מכן מוכנות להשתלה, טיפול, ובדיקה (איור 1 א). כל דגימה היא מושתלת לתוך קליפת המוח של חולדות, המיוצגת כאן כמוח חולדת explanted, למשך תקופה מוגדרת (איור 1). בשלב זה, מדגם explanted ונטען באופן מיידי לבוחן microtensile, ולאחר מכן נתון לבדיקת מתיחה (איור1 ג). לאחר ניתוח הנתונים מספק תובנה על ההתנהגות מכאנית של חומרים חדשניים אלו בסביבה של קליפת המוח.

Protocol

1. לדוגמא הכנה

  1. הכן סרט PVAc-NC של עובי בטווח של 25-100 מיקרומטר באמצעות ליהוק פתרון וטכניקת דחיסת 10-12.
  2. סרט דבק לפרוסות סיליקון על ידי חימום על פלטה חשמלית לשתי דקות על 70 מעלות צלזיוס (מעל לטמפרטורת מעבר הזכוכית) כדי לקדם את הקשר אינטימי בין הסרט והרקיק. צעד זה מבטיח שהסרט המוכן נשאר שטוח וקבוע לרקיק סי, שהוא הכרחי לתהליכי micromachining מישוריים.
  3. תבנית הסרט לגיאומטריות מדגם הבדיקה על ידי לייזר micromachining (VLS 3.50, VersaLASER). הגדר את 2 הפרמטרים micromachining לייזר ישירים לכתוב CO לשלטון 1.0% (0.5 רוחב), 4.0% מהירות (56 מ"מ / ים), ו-1,000 פעימות ב13,16 אינץ'.
  4. דגימות דפוס שישמשו לשם קביעת תנאי סביבה ("דוגמאות להגדרות") למבנים בצורת dogbone עם ממדי כרית לרוחב 1.5 x 1.5 מ"מ 2, ואלומת אור עמום לרוחבensions 300 x 3,000 מיקרומטר 2, עם עובי ההתאמה של הסרט לאורך (איור 2).
  5. דפוס את הדגימות לניסויים vivo לשעבר ("מדגם שתל") לתוך קורות 300 מיקרומטר x 6 מ"מ, בעובי ההתאמה של הסרט.
  6. לשחרר בזהירות את הדגימות מהרקיק באמצעות סכין גילוח ופינצטה.
  7. לטיפול במדגם, להכין המחזיקים אקריליים בהזמנה אישית במכונה שנועדו לשמש כחלק ממערכת האחיזה בבוחן microtensile. סימוני לייזר חרוטים להראות אמצע של בעל ו1.5 מ"מ מהסוף. מניחים כמות קטנה של דבק מבוסס על ג'ל cyanoacrylate האמצע של בעל אקריליק ולדבוק בקפדנות באורך 1.5 מ"מ של מדגם השתל לבעל וחופף את קו האמצע המסומן (איור 3). כל דגימת שתל דורשת בעל אקריליק אחד. להיות זהיר כדי להבטיח כי ג'ל הדבק נשאר רק לאורכו 1.5 מ"מ של PVAc-NC שדבק ACRבעל ylic. אחרת, ג'ל הדבק יכול להפריע להתנהגות מכאנית של המדגם.
  8. הסר את הלחות מכל הדגימות על ידי הצבת אותם בייבוש במשך לפחות 24 שעות.
  9. מדוד את האורך, רוחב ומידות עובי של הדגימות באמצעות מיקרוסקופ אופטי.

2. לקבוע תנאים סביבתיים

  1. טען מדגם הגדרה יבש לבוחן microtensile (ראה איור 4), הלחיצה ראשונה בין אוחז הנייד, ולאחר מכן בין אוחז הקבוע.
  2. הר מברשת אוויר עם מאגר מלא מים לתוך תנוחה קבועה, עם הזרבובית המופנית כלפי מדגם microtensile. חברו את מברשת האוויר למדחס אוויר דרך צינורות פלסטיק. עם זרבובית מברשת האוויר סגורה לחלוטין, הפעל את מדחס האוויר.
  3. תתחיל בהליך בדיקת microtensile מחזורי, לסירוגין בין זן מתיחה (מתח חיובי) ומתח הדחיסה (מתח שלילי) לא יחול עלהוא המדגם, שנותר בתוך אזור אלסטי ליניארי של עלילת מתח מתח. לPVAc-NC, המאמץ ליישם מוגבל פחות מ -2%. בבוחן microtensile המותאם אישית המשמש בניסויים אלה, שיעור הזן היה בשליטה בזמן את כוח הדרוש כדי להשיג את המתח שנמדד. לחלופין, הגדרה שונה עשויה להיות כרוכה שליטה כוח ליישם תוך מדידת המתח שנוצר.
  4. בהדרגה להגדיל את הזרימה מנחיר מברשת האוויר, ולפקח על המדרון של עלילת מתח מתח כפונקציה של כמות הזרימה ממברשת האוויר. הזרימה המקסימלי שאינו גורמת לירידה (> 10%) משמעותית במודולוס של יאנג על פני תקופה של 60 שניות היא ברמה שתשמש לניסויי vivo לשעבר. בשלב זה, בתנאי הלחות שלא להרטיב מדגם יבש (ובכך לתרום להפחתה במודולוס של יאנג), וגם יהיה למזער מדגם ייבוש לאחר שנחשף לנוזלים ביולוגיים in vivo היה established.
  5. למדוד את הטמפרטורה בסמוך למדגם. הגדרה אידיאלית תכלול צמד תרמי עם צג דיגיטלי, ולהתבצע תוך מברשת האוויר פועל. הגדר את עוצמת והמרחק של מקור קרינת החום כזה שטמפרטורת המדגם שנערכה עד 37 מעלות צלזיוס, כך שיתאים לתנאים פיסיולוגיים.

3. השווה בקרת הסביבה לבקרה ללא סביבה

  1. דגימות התקנה לטבול במשך לפחות 30 דקות בופר פוספט. לאחר הסכום הזה של זמן, המדגם רווי לחלוטין וצומצם למודולוס של יאנג המינימום שלה בטמפרטורת נתונה.
  2. מהירות טעינת דגימה לבוחן microtensile ולהתחיל בדיקות microtensile מחזורית, עם מברשת האוויר, ואילו במדגם מתייבש. זה יקבע כמה מהר מתייבש המדגם תחת תנאים שאינם מבוקרים.
  3. טען מדגם התקנת PBS רווי שנייה לבוחן microtensile, ולהתחיל בדיקות microtensile מחזוריתעם מברשת האוויר ב. זה יקבע כמה מהר מתייבש המדגם תחת תנאי סביבה מבוקרים.

4. השתלת בדיקה וexplantation

  1. צרף מדגם שתל למהדק micromanipulator ועמדה מאונכת לרקמת קליפת המוח.
  2. לפני הכניסה, לשמור על רקמה לחה עם מי מלח במידה מספקת כדי להבטיח אחידות של מכניקה של רקמות.
  3. מנמיכים את מדגם הפולימר לתוך קליפת המוח באמצעות פקדי יד micromanipulator. השאר מדגם ברקמת קליפת המוח, עד שזמן שתל היעד, בדרך כלל בין 1 ל 30 דקות. כדי למנוע מהתייבשות רקמות לנקודות זמן על פני 5 דק ', בקלילות טיפת רקמות בכל 5 דקות באמצעות מטלית כותנה ספוגה מי מלח.
  4. בעוד החללית היא מושתל בקליפה, להכין בוחן microtensile לטעינת המדגם מושתל כיום על ידי קביעת מוט הכונן למצב של אפס התזוזה של 3.0 מ"מ מתפס המדגם הנייח. כמו כן, להגדיר את פיית מברשת האווירלהגדרת הזרימה ומקור החום קורן לעצמה הראויה לקבוע בשלב 2.4.
  5. בסופו של שתל הזמן שצוין, להעלות את החללית מתוך הקליפה באמצעות פקדי יד micromanipulator. באופן מיידי, ובזהירות, הוצא את המדגם ממהדק micromanipulator ולטעון לתוך בוחן microtensile, כפי שתואר בפירוט רב יותר בשלב 5.2.

5. בדיקת Microtensile של דוגמאות שתל

  1. כדי לחסוך זמן אחרי explantation, להבטיח כי בוחן microtensile מוכן לחלוטין לקבל את מדגם השתל לפני ההשתלה, כפי שמתואר בשלב 4.4.
  2. מייד לאחר explantation, טען את הדגימה בין שני הסטים של מלחציים בודקים microtensile. מאז המדגם הוא רכוב על בעל אקריליק נועד לשמש את החצי העליון של מהדק אחד, למקם את השתל בהרכבת מדגם האחיזה, צד המדגם הנייד למטה. חשוב להבטיח כי המדגם הוא רכוב מתח כזה שהוא ApplIED רק לאורכו של החללית, כדי למנוע החלת מומנט לדגימה במהלך בדיקה. ככזה, המדגם חייב להיות מותקן על מרכזו של כל מהדק, ואת מהדק חייב להיות ברמה בכבוד אחד לשנייה.
  3. להתאים את מיקום המדגם כזה שהמרחק בין מלחציים הוא 3.0 מ"מ, והסוף של החללית ממוקמת לתוך המהדק הקבוע. אורך זה 3.0 מ"מ בין מלחציים הוא אורך מד למדגם, וישמש בחישובים מאוחרים יותר כדי לקבוע את הלחץ על המדגם.
  4. מייד לאחר הבטחת המדגם בין שני התפסים, ותוך 2 דקות של explantation מהרקמה העצבית, להפעיל את המנוע בכיוון המתיחה כדי להאריך את המדגם בקצב קבוע (10 מיקרומטר / שניים המשמשים כאן), בה בעת מדידה ורישום התארכות של המדגם (באמצעות מחוון עקירה, Mitutoyu 543-561) וכוח משויך (באמצעות תא עומס, טכניקות מתמרים MDB-2.5) נדרש להתאמץ המדגם.
  5. חזור על בדיקת microtensile עבור כל דגימה ו / או כל סט של תנאים (כלומר זמן החדרה).

6. ניתוח נתונים

  1. להמיר את נתוני התארכות הגלם לזן ההנדסה פנה למדגם השתל על ידי חלוקת המרחק של התארכות באורך הראשוני מד, כפי שמתואר במשוואה 1, שבו ε הוא המאמץ ליישם, t הוא הזמן, D הוא התזוזה שנמדדה על ידי מיקרומטר מחוון, וL 0 הוא אורך מד הראשוני של המדגם:
    משוואת 1 (1)
  2. להמיר את נתוני כוח הגלם ללחץ ההנדסה במדגם על ידי חלוקת כוח (בניוטונים), על ידי טרהשטח חתך nsverse, כפי שמתואר במשוואה 2:
    משוואה 2 (2)
    שבו σ הוא לחץ על המדגם, F הוא כוח שנמדד על ידי תא העומס (בניוטונים), W 0 הוא הרוחב הראשוני של המדגם, ולא 0 הוא העובי הראשוני של המדגם.
  3. העלילה המתח (σ [t]) לעומת מתח (ε [t]) עקומה עבור כל דגימה באמצעות תוכנת מחשב, כגון Microsoft Excel.
  4. לבודד את חלק אלסטי ליניארי של העלילה ושימוש בתוכנה מבוססת כלים עקומה הולמים כדי למצוא את הקו המתאים ביותר לחלק זה. השיפוע של קו הכושר הטוב ביותר המתאים למודולוס של יאנג של המדגם. החלק המבודד של העלילה צריך לכלול לפחות 10 נקודות מתח מתח, ויש לנקוט מהחלק של העלילה שבו השיפוע הוא הגדול ביותר.
  5. לבדיקות מחזוריות, מודולוס של יאנג יצטרך להיקבע לכל מחזור. זה יכול להיות אוטומטי או באופן ידני.
  6. לבדיקות המחזוריות, עלילת מודולוס צעיר של של כל מחזור ביחס לזמן. זה מצביע על כמה שינויים שנמדדו מודולוס עם זמן, וזה מעיד על כמה מהר מדגם התקנה הוא הרטבה או ייבוש.
  7. לקבלת דוגמיות שתל, כל דגימה ושעה של שתל מתאים למחזור של הבדיקות המחזוריות אחת. מדוד מודולוס הצעירים של שימוש בהליך שתואר לעיל עבור כל דגימת שתל.
  8. עלילה מודולוס של יאנג לעומת זמן שתל. בשלב זה, ניתן לבצע השוואות לחקירות המעבדתיים, וכו '

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

את התכונות מכאניות של כמעט כל החומרים פולימריים, כולל PVAc-NC שלנו, תלויות בחשיפה לתנאים סביבתיים. בעיקר, אלה כוללים את החשיפה לחום ולחות. כאשר חומר הוא פלסטיק שעקב הספיגה של לחות, או עובר מעבר תרמית, הוא מציג ירידה במודולוס של יאנג. בהכנה ללחות והסביבה בטמפרטורה מבוקרת לאפיון המדגם מכאני vivo לשעבר, חשוב לוודא שיש שינוי מינימאלי בתכולת הלחות של המדגם בעת טעינת הדגימה לבוחן microtensile, כמו גם במהלך בדיקה מכאנית. זו מוערכת באמצעות ניסויים מדגם ההתקנה הבקרה על מנת להבטיח כי המדגם אינו מושפע מהלחות שנוצרה על ידי מברשת האוויר, וגם לא יבש במהירות בסביבה החיצונית. איור 5 מראה עלילת דוגמה הממחישה את ההתנהגות מכאנית של התקנה יבשה מדגם במהלך cyclבדיקות מתיחה iCal להגדרת לחות מברשת אוויר מתאימה. כל שינוי במודולוס של יאנג ואילו מברשת האוויר מופעלת הוא מינימאלי. זה חשוב כמו הסביבה החיצונית לא צריכה לתרום לירידה או עלייה בנוקשות. כאשר הזרימה ממברשת האוויר מוגדרת גבוהה מדי, מודולוס של יאנג של המדגם באופן משמעותי יקטן בכ -60 שניות.

שליטה על סביבת הבדיקות מכאנית יכולה גם להבטיח כי החומרים לא יתייבשו בטרם עת. לדוגמה, השימוש בסביבה המבוקרת לחותנו מגדילה את הזמן הנדרש למדגם explanted לייבש ולשחזר תכונות מכאניות טרום השרשתה. איור 6 מדגים את התנהגות הייבוש של שתי דגימות התקנה בקרה ספוגות לרוויה לאחר מכן נתון לבדיקת מתיחה מחזורית תחת תנאים סביבתיים הן מבוקרים ובלתי מבוקרים. תחת סביבה לא מבוקרת, את הדגימות לשחזר מודולוס יאנג שלעולה על 400 מגפ"ס ב150 שניות שבמהלכו המדגם היה טעון לבוחן microtensile. העלייה זו של מודולוס יאנג של 20-40 פעמים מזה של מדגם רווי נבעה מהייבוש המהיר של המדגם 13. תחת שליטה סביבתית, גידול ניכר במודולוס של יאנג לא נמדד עד 240 שניות לאחר הוצאתו מאמבטית הטבילה. פרק זמן זה מספיק לשניהם עומס המדגם ולבצע מספיק הבדיקות מכאני כדי לאפשר מיצוי של מודולוס של יאנג.

העיצוב עבור הדגימות לבדיקת שתל vivo לשעבר (איור 3), הכולל התחשבות במספר הגורמים. ראשית, הדגימות צריכים להיות מושתלים לתוך הרקמה של עניין, שהיא קליפת המוח בחקירה זו. כתוצאה מכך, המדגם צריך גיאומטריה בהשראת מחט, המיוצגת על ידי קרן PVAc-NC הצר. בנוסף, המדגם צריך להיות מתוכנן בכל קשור לכח הנדרש לעמenetrate הרקמות של עניין מבלי שנכנע. נוסחת הקריסה של אוילר לוקחת בחשבון מודולוס של יאנג של החומר, כמו גם את האורך, רוחב, ועובי הקורה כדי לספק כוח קריטי שבו קרן מסוג חללית צפויה אבזם 17. במחקר זה, את ממדי הקורה נבחרו כך שהבדיקה הייתי לחדור דרך הרקמה העצבית ללא סיכון של קריסה. בהתחשב במחקרים קודמים שהראו כוח החדרה פחות מ 15 MN, אורך נבחר בדיקה של 4.5 מ"מ כדי לאפשר לקרן מבחן 3 מ"מ ואורך 1.5 מ"מ למרתק, ועובי סרט ידוע עולה על 75 מיקרומטר, אנחנו יכולים לחשב כי רוחב החללית תעלה על 107 מיקרומטר. כדי להבטיח הדירות מרבי עם כלי micromachining לייזר, רוחב של 300 מיקרומטר נבחר לדגימות. נקודה נוספת לדאגה היא הטיפול של מדגם microprobe במהלך החדרה לתוך הרקמה וההסרה של הרקמה. כפי שניתן פגום קורה פשוט במהלך טיפול, מצרף את ביהמ 'למבנה משמעותי יותר (כלומר בעל אקריליק) מאפשר העברה בטוחה יותר להשתלה ולבדיקה מכאנית. לבסוף, צריכה להיות מותאם הרכבה זו כדי לאפשר לטעינה לבוחן המתיחה במהירות אפשרית.

עלילת נציג המציגה את עקומות מתח מתח לדוגמה יבשים ורטוב מדגם שנשתלו בקליפת מוח החולדה למשך 30 דקות מוצגת באיור 7. מודולוס של יאנג, אשר תואם את השיפוע של עלילת מתח מתח באזור אלסטי ליניארי, הוא באופן ברור הרבה יותר גדול לדוגמה היבש מאשר למדגם המושתל. שתי הדגימות היו מתוחות לשבור. עם זאת, מודולוס של יאנג נגזר מחלק אלסטי ליניארי של העלילה שנאספה בשלב מוקדם של בדיקת המתיחה, לפני כניסת דפורמציה פלסטית וכישלון מדגם, כפי שמוצג באיור 8. איור 9 מראה כי לאחר כ -5 דקות של השתלה, מדגם דיסממלא שינוי קטן במודול של הצעיר, מה שמרמז כי המדגם מגיע לרוויה וקשיחות מינימאלית בתוך פרק זמן זה.

איור 1
איור 1. סקירה סכמטי של השיטה הניסיונית לאפיון בהתנהגות מכאנית vivo של microprobe גירויים, מגיב, מכאני-אדפטיבית פולימר nanocomposite. (א) ראשית, המדגם שהוכן על ידי דפוסי סרט PVAc-NC לקורה וגובר על אקריליק בעל. (ב) הבדיקה אז מושתלת לתוך קליפת המוח לתקופה קצובה של זמן. (ג) לבסוף, מדגם explanted וכפוף לבדיקות microtensile באמצעות בוחן microtensile שהותקן.

איור 2
איור 2. לייזר micromachined PVAc-NC התקנת מדגם לקביעת תנאים סביבתיים הנדרשים לשמירה על בהתנהגות מכאנית vivo של דגימות שתל PVAc-NC לאחר explantation.

איור 3
איור 3. תצלומים של מדגם שתל, בהיקף של קורה PVAc-NC לייזר בדוגמת רכוב על בעל אקרילי.

איור 4
איור 4. חסום את התרשים של בוחן microtensile. המדגם הוא הידק בין מהדק קבוע ומהדק נייד המחובר למוט הכונן של piezomotor ליניארי. שיעור הזן של piezomotor יניארי נשלט והמתח נמדד באמצעות מדד העקירה. העומס הנדרש להתאמץ המדגם הואasured ידי תא עומס. התנאים הסביבתיים באזור המדגם נשלטים על ידי מברשת אוויר ומנורת חום.

איור 5
איור 5. מודולוס של יאנג (E) כפונקציה של זמן, כפי שנמדד במהלך בדיקות מתיחה מחזוריות כדי לקבוע את הגדרות מברשת האוויר הנכונות לשליטה על הלחות בסביבת הבדיקה. האזור המוצל הוא הזמן שבו מברשת האוויר הייתה מופעלת. בהגדרות מברשת האוויר המשומשות, מודולוס של יאנג אינו משתנה באופן משמעותי לאורך זמן, מצביע על כך שכמות המים נספגת על ידי התקנת הדגימה ממברשת האוויר זה לא מספיק כדי לתרום לירידה בנוקשות.

איור 6
איור 6. מודולוס של יאנג (E) לעומת זמן למי saturatדגימות ed בשתי סביבות בדיקת המתיחה מבוקרות ובלתי מבוקרים רטיבות. ההתאוששות של מודולוס של יאנג הראשוני היא הרבה יותר איטית בסביבה המבוקרת.

איור 7
איור 7. דוגמה לעלילות מתח מתח לדגימות PVAc-NC שהיו יבשים (לא מושתל) ורטובים (vivo לשעבר, explanted מרקמות לאחר 30 דקות in vivo).

איור 8
איור 8. סט נוסף של עלילות מתח מתח על מנת להוכיח כי חלק אלסטי ליניארי של העלילה הוא מבודד מעלילת מתח מתח הכוללת (משמאל), והוציא ושיתאים לקו (מימין). למדידה מסוימת הזה, של צעירמודולוס הוא 16.8 מגפ"ס. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 9
איור 9. מודולוס של יאנג, דואר, לעומת שתל זמן לדגימות PVAc-NC המושתל בקליפת המוח. ברי השגיאה מייצג שגיאה סטנדרטית עם n = 4, למעט של שתל 5 דקות, עם n = 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

קידום מערכות מיקרו יו מושתלים (BioMEMS) לאינטראקציה עם מערכות ביולוגיות מניע את הפיתוח של חומרים חדשים בעלי תכונות הפערים מחויטות. חלק מחומרים אלה נועדו להציג את שינוי בתכונות חומר בתגובה לגירוי שנמצא בסביבה הפיזיולוגית. כיתה לאחרונה פיתחה אחד חומרים מגיבה לנוכחות של נוזלים בונד יוצרי מימן (מים לדוגמה) וטמפרטורות גבוהות להפחתת מודולוס יאנג של, מידה של נוקשות חומר, על ידי שלושה סדרי גודל 10,11,18. יש חומרים פולימריים אלה nanocomposite פולימר מטריקס רך (כלומר פולי (ויניל אצטט)) עם nanofibers תאית כשלב nanofiller. אינטראקציות בין nanofibers התאית מכתיבות את התכונות מכאניות של החומר בכללותו, והם הפכו את "על" כאשר יבשים והפכו את "כבויים" כאשר הוא רטוב. בנוסף, מים plasticizes נה הפולימרnocomposite, ובכך להפחית את טמפרטורת מעבר הזכוכית אל מתחת לטמפרטורת גוף (37 מעלות צלזיוס), וכתוצאה מכך צמצום נוסף במודולוס של יאנג. יישום אחד לסוג כזה של חומרים הוא לשמש כמצע ביולוגי מסתגל לבדיקות intracortical להתממשקות עם נוירונים בודדים 13,17. עם זאת, היתרונות של חומר מכאני-אדפטיבית אינם מוגבלים לממשק עם מערכת העצבים.

מוצג כאן היא שיטה שבאמצעותה ההתנהגות מכאנית של microprobes מבוסס PVAc-NC ניתן להעריך לאחר השתלה ברקמה עצבית עבור סכום מסוים של זמן. באמצעות שיטה זו, ניתן לאסוף נתונים מכאניים לשעבר vivo להשוואה למחקרים המעבדתיים. יתר על כן, ניתן להעריך את לוח הזמנים של שינויים בתכונות מכאניות. הבקרה הסביבתית מופעלת על ידי מברשת האוויר מתכונן מאוד והגדרות חום קורן מספקת מנגנון שבאמצעותו ניתן לבדוק את הדגימות המושתלות vivo לשעבר עם מיניmal השינוי בתכונות מכאניות הנובעות מהשינוי בסביבה. ככזה, בהתנהגות vivo של החומר ניתן להסיק, מתן מידע טוב יותר בהשוואה לניסויים המעבדתיים עם דגימות שקועות לחלוטין בנוזל השדרתי מלאכותי (ACSF). הסביבה הפיזיולוגית המורכבת דורשת זמינות של שיטות כאלה, אבל שיטות ניסיוניות להערכה זו הן מוגבלות.

ישנם מספר יתרונות לשיטה שלנו לאפיון מכאני של מושתל, דגימות nanocomposite פולימר מכאנית-הסתגלות. בוחן microtensile המותאם אישית מתאים לבדיקת דגימות עם ממדים דומים לבדיקה עצבית טיפוסית (1.5-8, 50-500, 15-100 3,19-21 מיקרומטר עבה מיקרומטר רחב ארוכי מ"מ). שיטות אפיון מכאניות אחרות מתאימות גם עבור דגימות בתפזורת, גדולות יותר או דוגמאות בקנה מידה ננומטרי. ניצול כלי בדיקות מכאני של קנה המידה המתאימה מסיר ידוע של מדרגיות הרכוש. בנוסף, בוחן microtensile גישה פתוחה למדגם הנבדק, ומאפשר לחות ובקרת טמפרטורה של סביבת הבדיקה. יתר על כן, אפילו עם בקרה סביבתית, יש צורך להתחיל בבדיקות מתיחה במהירות לאחר הסרת הדגימה מהרקמה העצבית. ייבוש מדגם vivo לשעבר, ובכך מתקשח, מוזער כאן באמצעות מדגם בדיקה ועיצובים בודקים microtensile שיקלו (בדרך כלל מהיר בתוך 120 שניות) טוען ותחילתו של בדיקות מכאנית. לבסוף, בוחן microtensile זה להכיל דגימות שאין להם רפידות בשני הקצוות, ומקל על שימוש בדגימות כמו בדיקה לבדיקה מכאנית שיכול להיות מושתלים לבעלי החיים באופן זהה להערכה ביולוגית.

ההסרה של מדגם הבדיקה מהרקמה העצבית מציגה סביבה חדשה, אשר יכול להוביל לשינויים בהתנהגות מכאנית לאחר explantation בגלל התנהגות גירויים מגיבים של החומר היא הפיכהND פוטנציאל מהיר למשחק. בעת שימוש בשיטת בדיקת מתיחה לסביבה מבוקרת זה כדי להעריך את השינוי בהתנהגות מכאנית לאחר השתלת מדגם לתוך המוח במשך תקופה מסוימת של זמן, את הפערים הפוטנציאליים בגין שמודולוס של יאנג בפועל in vivo צריכים להיחשב. ראשית, על ידי בדיקת הדגימות vivo לשעבר, שהם, בהגדרה, הוסרו מהסביבה הפיזיולוגית ונתונים לסביבה חלופית. לדוגמה עם תכונות מכאניות תלויות בתנאים הסביבתיים, הסרת דגימה מהסביבה תהיה לשנות התכונות מכאניות שלה. לוח הזמנים שבו השינוי הזה מתרחש תלוי לתכונות החומר, כמו גם את המידה שבה הסביבה החיצונית נמצאת בשליטה.

גישה זו לאפיון וכימות של התנהגות מכאנית גירויים מגיבים היא מתאימה ביותר עבור דגימות בגיאומטריות דמויות מחט, באורך הרבה יותר גדולR יותר מהרוחב או העובי של המכשיר. בנוסף, קשיחותו של החומר ואת המנוע הספציפי והכח המרבי שלו יש לשקול בעת בחירת מידות מכשיר. בהינתן קבוצה של מדגם ממדים, חומר קשיח יותר ידרוש כוח משיכה גדול יותר כדי להחיל את אותה כמות של מתח כחומר עם מודולוס של יאנג הקטן יותר. צמצום רוחב ו / או עובי, או להגדיל את אורך הדגימה, יפחית את כמות כוח דרושה כדי להאריך את מדגם כמות נתונה. להגדרת בדיקות המתיחה המותאמת אישית, יש piezomotor יניארי כוח משיכה מקסימלי של 6 N, שמאפשר לדגימות עם מודולוס של יאנג של 5 GPA ושטח חתך של עד 24,000 מיקרומטר 2 להיות מתוח 5% מבלי להגיע למשיכה המקסימלי כוחו של המנוע. יש תא המטען המשמש למדידת כוח בבוחן microtensile רזולוציה של Mn פחות מ 1, כך שמודול הקטן ביותר של יאנג, שניתן למדוד בדגימות המשמשות במחקר שלנו (רוחב 300מיקרומטר, עובי מיקרומטר) 100 כ 1 MPA. גבול תחתון זה יכול להיות מופחת עוד יותר עם השימוש בדגימות עם שטח חתך גדול יותר, עם זאת. יש מחוון עקירת רזולוציה של 0.5 מיקרומטר, וזה מספיק לחומרים עם התנהגות אלסטית מוגבלת ל 0.2% זן (באורך ראשוני של 3 מ"מ), שהוא סדר של-גודל קטן יותר באזור אלסטי לPVAc- NC גם במצב היבש.

מגבלה אחת לשיטה זו של אפיון vivo לשעבר היא שזה לא יכול להיות יעיל לחומרים מאוד נוקשים או שבירים. מבחינה מעשית, כמדגם חייב להיות מותקן במהירות לבוחן microtensile, חומר שביר הוא בסיכון של שבירה במהלך הליך ההרכבה. בנוסף, הדגימות דמויות קרן (עם ממדים התואמים אלו של הניסויים שלנו) עם קצה אחד דבקו בעל אקריליק ואת הקצה השני החופשי אינו יכול לשמש לחומרים העולים על כ 2.5 GPA ככוח דרוש כדי Straבמדגם עולה על כוחם של מלחציים המחזיקים את המדגם במקום, וכתוצאה מכך הגלישה של המדגם באמצעות מהדק ותוצאות לא מדויקות. להתגבר על בעיה זו עם השימוש בדגימות בצורת dogbone עם כריות בכל צד. שימוש זה בשיטה זו למדידה וניתוח של התנהגות מכאנית בvivo של microprobes אינו מוגבלת לכיתת PVAc-NC של חומרים. יישומים אפשריים נוספים כוללים ניטור קצב הפירוק של חומרים מתכלים 22 ואפיון ההתנהגות מכאנית של רקמות ביולוגיות 23,24, כמו גם אפיון של מבני microscale ליישומים שאינם ביולוגיים. יתר על כן, ניתן להוסיף פקדים סביבתיים נוספים (pH למשל, אורך גל של אור הסביבה, שדה חשמלי, שדה מגנטי) לחומרים שהם מגיבים לגירויים שונים 25,26. אחד היתרונות העיקריים של שיטה זו היא הרבגוניות שלו ותחולה לרבים מאטריה שונהLS ויישומים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש לנו מה למסור.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה להנדסה ביו רפואית באוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב בשניהם המעבדה סטארט הכספים (ג'Capadona), ומדטרוניק בוגרת המלגה (ק פוטר). מימון נוסף על מחקר זה נתמך בחלקו על ידי NSF מענק ECS-0621984 (ג זורמן), קייס ארגון הבוגרים (ג זורמן), מחלקה לענייני יוצאי צבא בפרס הצטיינות סקירה (B7122R), כמו גם מתקדם מרכז טכנולוגי פלטפורמה (C3819C).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon wafer University Wafer Mechanical grade
Extruded acrylic sheet Professional Plastics SACR 062EF Thickness 0.062"
Razor blade McMaster-Carr 3962A3
Tweezers McMaster-Carr 8384A47 #5 tip
Super Glue Gel Loctite 130380
Air Brush Snap-on Industrial BF175TA
Air Compressor Paasche B002YKN8YO D500
Thermocouple Omega HH12A
Hot plate Cimarec SP131325Q
CO2 direct-write laser VersaLaser 3.5
Dessicator Fisher Scientific 08-595
Lamp custom-built
Microtensile tester custom-built

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chen, P. J., Saati, S., Varma, R., Humayun, M. S., Tai, Y. C. Wireless intraocular pressure sensing using microfabricated minimally invasive flexible-coiled LC sensor implant. Journal of Microelectromechanical Systems. 19, 721-734 (2010).
  2. Ren, X., Zheng, N., Gao, Y., Chen, T., Lu, W. Biodegradable three-dimension micro-device delivering 5-fluorouracil in tumor bearing mice. Drug Delivery. 19, 36-44 (2012).
  3. Bai, Q. Single-unit neural recording with active microelectrode arrays. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 911 (2001).
  4. Rousche, P. J., Pellinen, D. S., Pivin, D. P., Williams, J. C., Vetter, R. J., kirke, D. R. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 361-371 (2001).
  5. Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. Polymers for neural implants. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49, 18-33 (2011).
  6. Mercanzini, A., Colin, P., Bensadoun, J. C., Bertsch, A., Renaud, P. In Vivo Electrical Impedance Spectroscopy of Tissue Reaction to Microelectrode Arrays. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56, 1909-1918 (2009).
  7. Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148, 1-18 (2005).
  8. Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. Subbaroyan, J., Kipke, D. EMBS'06. 28th Annual International Conference of the IEEE, , IEEE. 3588-3591 (2006).
  9. Harris, J., Capadona, J., Miller, R., Healy, B., Shanmuganathan, K., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D. Mechanically adaptive intracortical implants improve the proximity of neuronal cell bodies. Journal of Neural Engineering. 8, 066011 (2011).
  10. Capadona, J. R., Shanmuganathan, K., Tyler, D. J., Rowan, S. J., Weder, C. Stimuli-Responsive Polymer Nanocomposites Inspired by the Sea Cucumber Dermis. Science. 319, 1370-1374 (2008).
  11. Shanmuganathan, K., Capadona, J. R., Rowan, S. J., Weder, C. Stimuli-Responsive Mechanically Adaptive Polymer Nanocomposites. ACS Applied Materials & Interfaces. 2, 165-174 (2009).
  12. Shanmuganathan, K., Capadona, J. R., Rowan, S. J., Weder, C. Bio-inspired mechanically-adaptive nanocomposites derived from cotton cellulose whiskers. Journal of Materials Chemistry. 20, 180 (2010).
  13. Hess, A., Capadona, J., Shanmuganathan, K., Hsu, L., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D., Zorman, C. Development of a stimuli-responsive polymer nanocomposite toward biologically optimized, MEMS-based neural probes. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21, 054009 (2011).
  14. Capadona, J. R., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Rowan, S. J., Weder, C. Mechanically adaptive nanocomposites for neural interfacing. Materials Research Society Bulletin. 37, 581-589 (2012).
  15. Ophir, J., Cespedes, I., Garra, B., Ponnekanti, H., Huang, Y. Elastography: ultrasonic imaging of tissue strain and elastic modulus in vivo. European journal of ultrasound. 3, 49-70 (1996).
  16. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Hess, A., Shanmuganathan, K., Capadona, J., Hsu, L., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D., Zorman, C. IEEE 24th International Conference on, , IEEE. 453-456 (2011).
  17. Harris, J. P., Hess, A. E., Rowan, S. J., Weder, C., Zorman, C. A., Tyler, D. J., Capadona, J. R. In vivo deployment of mechanically adaptive nanocomposites for intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 8, 046010 (2011).
  18. Shanmuganathan, K. Bio-inspired Stimuli-responsive Mechanically Dynamic Nanocomposites. , Case Western Reserve University. (2010).
  19. Rousche, P. J., Pellinen, D. S., Pivin, D. P., Williams, J. C., Vetter, R. J., Kipke, D. R. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 361-371 (2001).
  20. Norlin, P., Kindlundh, M., Mouroux, A., Yoshida, K., Hofmann, U. G. A 32-site neural recording probe fabricated by DRIE of SOI substrates. Journal of Micromechanics and Microengineering. 12, 414 (2002).
  21. Ward, M. P., Rajdev, P., Ellison, C., Irazoqui, P. P. Toward a comparison of microelectrodes for acute and chronic recordings. Brain Research. 1282, 183-200 (2009).
  22. Lin, J. M., Chang, P. K. A Novel Remote Health Monitor with Replaceable Non-Fragile Bio-Probes on RFID Tag. Applied Mechanics and Materials. 145, 415-419 (2012).
  23. Kunzelman, K. S., Cochran, R. Stress/strain characteristics of porcine mitral valve tissue: parallel versus perpendicular collagen orientation. Journal of Cardiac Surgery. 7, 71-78 (1992).
  24. Snedeker, J., Niederer, P., Schmidlin, F., Farshad, M., Demetropoulos, C., Lee, J., Yang, K. Strain-rate dependent material properties of the porcine and human kidney capsule. Journal of Biomechanics. 38, 1011-1021 (2005).
  25. Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
  26. Stuart, M. A. C., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).

Tags

Bioengineering גיליון 78 ביופיזיקה הנדסה ביו רפואית ביולוגיה מולקולרית ביולוגיה תאית הנדסת חשמל מדעי חומרים ננוטכנולוגיה Nanocomposites אלקטרודות מושתל שתלים עצביים מערכות מיקרו חשמלי מכאניות שתלים מאפיינים ניסיוניים מכאניים (חומרים מרוכבים) חומרים דינמיים nanocomposite פולימר מודולוס של יאנג מודולוס האלסטיות microelectrode intracortical פולימרים חומרים ביולוגיים
בדיקת Microtensile לסביבה מבוקרת של nanocomposites הפולימר מכאני-מסתגל ל<em&gt; לשעבר vivo</em&gt; אפיון
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Hess, A. E., Potter, K. A., Tyler,… More

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. J. Vis. Exp. (78), e50078, doi:10.3791/50078 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter