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Bioengineering

के लिए यंत्रवत् जाने योग्य पॉलिमर Nanocomposites के पर्यावरण की दृष्टि से नियंत्रित Microtensile परीक्षण 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

एक विधि पर चर्चा की है जिसके द्वारा

Protocol

1. नमूना तैयार

  1. एक समाधान कास्टिंग और संपीड़न तकनीक 10-12 का उपयोग कर 25-100 माइक्रोन की रेंज में मोटाई के PVAc नेकां फिल्म तैयार.
  2. फिल्म और वेफर के बीच घनिष्ठ संपर्क को बढ़ावा देने के लिए 70 डिग्री सेल्सियस (कांच संक्रमण तापमान ऊपर) पर दो मिनट के लिए एक गर्म थाली पर हीटिंग द्वारा एक सिलिकॉन वेफर को फिल्म पालन करें. इस कदम से तैयार फिल्म तलीय micromachining प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक है जो सी वेफर, फ्लैट और तय रहता है कि यह सुनिश्चित करता है.
  3. लेजर micromachining (वीएलएस 3.50, VersaLASER) द्वारा परीक्षण के नमूने geometries में पैटर्न फिल्म. 1.0% बिजली (0.5 डब्ल्यू), 4.0% की गति (56 मिमी / एस), और इंच 13,16 प्रति 1,000 दालों के लिए सीओ 2 प्रत्यक्ष लिखना लेजर micromachining मानकों सेट.
  4. पार्श्व पैड आयाम 1.5 x 1.5 मिमी, 2, और मंद पार्श्व किरण के साथ dogbone के आकार का संरचनाओं में पर्यावरण की स्थिति ("सेटअप नमूने") स्थापित करने के लिए उपयोग किया जाएगा जो पैटर्न नमूनेएक मोटाई मिलान के साथ ensions 300 x 3000 माइक्रोन 2, भर में फिल्म (चित्रा 2) की है.
  5. एक मोटाई कि फिल्म के मिलान के साथ पैटर्न पूर्व vivo प्रयोगों के लिए नमूने ("प्रत्यारोपण नमूना") कड़ियां में 300 माइक्रोन x 6 मिमी,.
  6. ध्यान से एक रेजर ब्लेड और चिमटी का उपयोग कर वेफर से नमूने जारी.
  7. नमूना से निपटने के लिए, microtensile परीक्षक में पकड़ प्रणाली के भाग के रूप में काम करने के लिए डिजाइन कस्टम machined ऐक्रेलिक धारकों के लिए तैयार. लेजर etched निशान धारक के centerline और अंत से 1.5 मिमी दिखा. ऐक्रेलिक धारक के centerline पर cyanoacrylate जेल आधारित चिपकने वाला की एक छोटी राशि प्लेस और ध्यान से धारक को प्रत्यारोपण के नमूने के एक 1.5 मिमी लंबाई पालन और चिह्नित centerline (चित्रा 3) ओवरलैप. प्रत्येक प्रत्यारोपण नमूना एक ऐक्रेलिक धारक की आवश्यकता है. चिपकने वाला जेल ही acr का पालन किया जा रहा है PVAc नेकां के 1.5 मिमी लंबाई के साथ रहता है यह सुनिश्चित करने के लिए सावधान रहेंylic धारक. अन्यथा, चिपकने वाला जेल नमूना के यांत्रिक व्यवहार के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं.
  8. कम से कम 24 घंटे के लिए एक desiccator में उन्हें रखने के द्वारा सभी नमूनों से नमी निकालें.
  9. लंबाई, चौड़ाई, और एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग नमूनों की मोटाई आयाम उपाय.

2. पर्यावरण की स्थिति की स्थापना

  1. पहले तय की पकड़ के बीच है, तो मोबाइल पकड़ के बीच clamping, microtensile परीक्षक (चित्रा 4 देखें) में एक सूखी सेटअप नमूना लोड.
  2. Microtensile नमूना ओर निर्देशित नोक के साथ, एक निश्चित स्थिति में एक पानी से भरे जलाशय के साथ एक एयर ब्रश माउंट. प्लास्टिक टयूबिंग के माध्यम से एक हवा कंप्रेसर के लिए एयर ब्रश से कनेक्ट करें. एयर ब्रश नोक पूरी तरह से बंद कर दिया साथ, हवा कंप्रेसर पर बारी.
  3. तन्यता तनाव सकारात्मक (तनाव) और टी के लिए लागू दबाने तनाव (नकारात्मक तनाव) के बीच बारी, चक्रीय microtensile परीक्षण प्रक्रिया शुरू होवह नमूना, तनाव तनाव साजिश के रैखिक लोचदार क्षेत्र के भीतर शेष. PVAc नेकां के लिए, लागू तनाव कम से कम 2% तक सीमित है. कि तनाव को प्राप्त करने के लिए आवश्यक बल मापा गया था जबकि इन प्रयोगों में इस्तेमाल कस्टम microtensile परीक्षक में, तनाव दर नियंत्रित किया गया था. वैकल्पिक रूप से, एक अलग सेटअप परिणामी तनाव को मापने जबकि लागू बल को नियंत्रित शामिल कर सकता है.
  4. धीरे - धीरे हवा ब्रश नोक से प्रवाह में वृद्धि, और हवा ब्रश से प्रवाह की मात्रा के एक समारोह के रूप में तनाव तनाव साजिश की ढलान पर नजर. 60 सेकंड की अवधि में यंग मापांक में एक महत्वपूर्ण (> 10%) में कमी का कारण नहीं है कि अधिकतम प्रवाह पूर्व vivo प्रयोगों के लिए उपयोग किया जाएगा जो स्तर है. इस बिंदु पर, नमी की स्थिति (और इस प्रकार यंग मापांक में कमी करने के लिए योगदान) एक सूखी नमूना गीला नहीं होगा, और भी vivo में जैविक तरल पदार्थ के संपर्क में रहने के बाद सुखाने नमूना एस्टा किया गया है कम कर देंगे किblished.
  5. नमूना पास तापमान उपाय. एक आदर्श सेटअप डिजिटल readout के साथ एक thermocouple शामिल होगा, और airbrush काम कर रहा है, जबकि प्रदर्शन किया. नमूना तापमान 37 डिग्री सेल्सियस, शारीरिक स्थितियों से मिलान करने के लिए आयोजित किया जाता है कि इस तरह के उज्ज्वल गर्मी स्रोत की तीव्रता और दूरी सेट करें.

3. पर्यावरण नियंत्रण गैर पर्यावरण नियंत्रण करने के लिए तुलना

  1. फॉस्फेट में कम से कम 30 मिनट के लिए विसर्जित सेटअप नमूने खारा buffered. समय की इस राशि के बाद, नमूना पूरी तरह से संतृप्त है और एक निश्चित तापमान पर इसकी न्यूनतम यंग मापांक तक कम हो गया है.
  2. जल्दी microtensile परीक्षक में एक नमूना लोड और चक्रीय microtensile परीक्षण शुरू, बंद हवा ब्रश के साथ, नमूना सूख जाता है. इस गैर नियंत्रित परिस्थितियों में कैसे जल्दी से नमूना सूख जाता है का निर्धारण करेगा.
  3. Microtensile परीक्षक में एक दूसरे पीबीएस संतृप्त सेटअप नमूना लोड, और चक्रीय microtensile परीक्षण शुरूपर हवा ब्रश के साथ. यह नियंत्रित पर्यावरणीय परिस्थितियों में कैसे जल्दी से नमूना सूख जाता है का निर्धारण करेगा.

4. जांच आरोपण और explantation

  1. एक micromanipulator दबाना और cortical ऊतक के orthogonal स्थिति को समाविष्ट नमूना देते हैं.
  2. प्रविष्टि के लिए पहले, ऊतक यांत्रिकी की एकरूपता सुनिश्चित करने के लिए नमक के साथ ऊतक पर्याप्त नम रखने के लिए.
  3. Micromanipulator के हाथ नियंत्रण का उपयोग कर प्रांतस्था में बहुलक नमूना लोअर. आम तौर पर 1 और 30 मिनट के बीच, लक्ष्य प्रत्यारोपण समय तक cortical ऊतक में नमूना छोड़ दें. हल्के से 5 मिनट, थपका से अधिक समय अंक के सूखने से ऊतक को रोकने के लिए ऊतक एक खारा से लथपथ कपास झाड़ू का उपयोग कर हर 5 मिनट.
  4. जांच प्रांतस्था में प्रत्यारोपित किया जाता है, वहीं स्थिर नमूना क्लैंप से 3.0 मिमी का शून्य विस्थापन की स्थिति के लिए ड्राइव छड़ी की स्थापना द्वारा वर्तमान में प्रत्यारोपित नमूना लोड करने के लिए microtensile परीक्षक तैयार करते हैं. इसके अलावा, एयर ब्रश नोक सेटप्रवाह स्थापित करने और उचित तीव्रता 2.4 चरण में निर्धारित करने के लिए उज्ज्वल गर्मी स्रोत के लिए.
  5. निर्दिष्ट प्रत्यारोपण समय के अंत में, micromanipulator के हाथ नियंत्रण का उपयोग कर प्रांतस्था की जांच बाहर बढ़ा. इसके तत्काल बाद, और ध्यान से, micromanipulator क्लैंप से नमूना हटाने और के रूप में कदम 5.2 में और अधिक विस्तार में वर्णित microtensile परीक्षक, में लोड.

5. प्रत्यारोपण नमूने की Microtensile परीक्षण

  1. Explantation के बाद समय की बचत करने के लिए, microtensile परीक्षक के रूप में कदम 4.4 में वर्णित, दाखिल करने से पहले प्रत्यारोपण नमूना स्वीकार करने के लिए पूरी तरह से तैयार है यह सुनिश्चित.
  2. तुरंत explantation के बाद, microtensile परीक्षक clamps के दो सेट के बीच नमूना लोड. नमूना एक क्लैंप के शीर्ष आधे के रूप में सेवा करने के लिए डिज़ाइन किया गया है एक ऐक्रेलिक धारक के लिए मुहिम शुरू की है के बाद से, नीचे मोबाइल पकड़, नमूना तरफ प्रत्यारोपण नमूना विधानसभा जगह है. यह नमूना मुहिम शुरू की है कि यह सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है कि इस तरह के तनाव appl हैकेवल परीक्षण के दौरान नमूने लिए टोक़ लागू करने से बचने के लिए जांच की लंबाई के साथ आइईडी. जैसे, नमूना प्रत्येक क्लैंप के केंद्र के लिए मुहिम शुरू की जानी चाहिए, और clamps एक दूसरे के लिए सम्मान के साथ स्तर होना चाहिए.
  3. Clamps के बीच की दूरी 3.0 मिमी, और जांच निश्चित दबाना में रखा गया है के अंत है कि ऐसे नमूने स्थिति को समायोजित करें. Clamps के बीच यह 3.0 मिमी लंबाई नमूना के लिए गेज लंबाई है, और नमूना पर तनाव का निर्धारण करने के बाद की गणना में इस्तेमाल किया जाएगा.
  4. इसके तत्काल बाद दोनों clamps के बीच नमूना हासिल करने के बाद एक साथ मापने और रिकॉर्डिंग करते हुए, और तंत्रिका ऊतक से explantation के 2 मिनट के भीतर, एक स्थिर दर (यहां इस्तेमाल 10 माइक्रोन / सेक) में नमूना बढ़ाना तन्यता दिशा में मोटर को सक्रिय नमूना के बढ़ाव और नमूना तनाव के लिए आवश्यक संबद्ध बल (एक लोड सेल, ट्रांन्सड्यूसर तकनीक एमडीबी-2.5 का उपयोग करके) (एक विस्थापन सूचक, Mitutoyu 543-561 का उपयोग करके).
  5. प्रत्येक नमूना और / या शर्तों (यानी प्रविष्टि के समय) के प्रत्येक सेट के लिए microtensile परीक्षण दोहराएँ.

6. डेटा विश्लेषण

  1. Ε, टी समय लागू तनाव है, जहां के रूप में समीकरण 1 में वर्णित प्रारंभिक गेज लंबाई, से बढ़ाव की दूरी विभाजित करके प्रत्यारोपण नमूना करने के लिए आवेदन इंजीनियरिंग के तनाव को कच्चे बढ़ाव डेटा कन्वर्ट, घ माइक्रोमीटर से मापा विस्थापन है सूचक, और एल 0 नमूना की प्रारंभिक गेज लंबाई है:
    1 समीकरण (1)
  2. टीआरए से, बल (न्यूटन में) विभाजित करके नमूना पर इंजीनियरिंग तनाव को कच्चे बल डेटा कन्वर्टके रूप में 2 समीकरण में वर्णित nsverse पार के अनुभागीय क्षेत्र,:
    2 समीकरण (2)
    नमूना पर तनाव है σ, जहां एफ लोड सेल (न्यूटन में) द्वारा मापा बल है, डब्ल्यू 0 नमूना की प्रारंभिक चौड़ाई है, और टी 0 नमूना की प्रारंभिक मोटाई है.
  3. तनाव साजिश ([टी] σ) बनाम तनाव (ε [टी]) Microsoft एक्सेल जैसे एक कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग करते हुए प्रत्येक नमूने के लिए वक्र.
  4. साजिश के रैखिक लोचदार हिस्से को अलग करने और इस हिस्से के लिए सबसे अच्छा फिट रेखा को खोजने के लिए सॉफ्टवेयर आधारित वक्र ढाले उपकरण का उपयोग करें. सबसे अच्छा फिट लाइन की ढलान नमूना की यंग मापांक से मेल खाती है. साजिश के अलग हिस्से में कम से कम 10 तनाव तनाव बिंदुओं को शामिल करना चाहिए, और ढलान सबसे बड़ी है जहां साजिश के हिस्से से लिया जाना चाहिए.
  5. चक्रीय परीक्षण के लिए, यंग मापांक प्रत्येक चक्र के लिए निर्धारित करने की आवश्यकता होगी. यह स्वचालित या मैन्युअल रूप से प्रदर्शन किया जा सकता है.
  6. समय की तुलना में प्रत्येक चक्र की चक्रीय परीक्षण के लिए, साजिश की यंग मापांक. यह एक सेटअप नमूना गीला या सूख रहा है कि कैसे जल्दी का संकेत है, जो समय के साथ कैसे मापा मापांक परिवर्तन, इंगित करता है.
  7. प्रत्यारोपण के नमूने लिए, प्रत्यारोपण के प्रत्येक नमूने और समय चक्रीय परीक्षण का एक चक्र से मेल खाती है. प्रत्येक प्रत्यारोपण नमूना के लिए ऊपर वर्णित प्रक्रिया का उपयोग कर के यंग मापांक उपाय.
  8. यंग मापांक बनाम प्रत्यारोपण समय प्लॉट. इस बिंदु पर, तुलना benchtop जांच, आदि के लिए किया जा सकता है

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Representative Results

हमारे PVAc नेकां सहित लगभग सभी polymeric सामग्री, यांत्रिक गुणों के पर्यावरण की स्थिति के लिए जोखिम पर निर्भर हैं. सबसे विशेष रूप से, इन गर्मी और नमी के संपर्क में शामिल. एक सामग्री की वजह से नमी के तेज को plasticized, या एक थर्मल संक्रमण की प्रक्रिया होती है, यह यंग मापांक में कमी को प्रदर्शित करता है. नमी और पूर्व vivo नमूना यांत्रिक लक्षण वर्णन के लिए तापमान नियंत्रित वातावरण तैयार करने में, यह यांत्रिक परीक्षण के दौरान microtensile परीक्षक, साथ ही में नमूना लोड करने के दौरान नमूने की नमी की मात्रा में मामूली बदलाव है कि वहाँ सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है. यह नमूना हवा ब्रश से उत्पन्न नमी से प्रभावित नहीं है, और न ही इसे जल्दी से बाहरी वातावरण में सूखी है यह सुनिश्चित करने के लिए नियंत्रण सेटअप नमूना प्रयोगों का उपयोग कर मूल्यांकन किया जाता है. चित्रा 5 एक सूखी सेटअप के यांत्रिक व्यवहार का प्रदर्शन एक उदाहरण साजिश से पता चलता है cycl दौरान नमूनाएक उचित हवा ब्रश नमी की स्थापना के लिए राजनैतिक तनन परीक्षण. एयर ब्रश पर दिया जाता है, जबकि यंग मापांक में कोई परिवर्तन कम है. बाहरी वातावरण कठोरता में कमी या वृद्धि में योगदान नहीं होना चाहिए, क्योंकि यह महत्वपूर्ण है. एयर ब्रश से प्रवाह भी उच्च सेट किया जाता है, नमूना के यंग मापांक काफी लगभग 60 सेकंड के भीतर कम होगा.

यांत्रिक परीक्षण वातावरण पर नियंत्रण भी सामग्री समय से पहले बाहर सूखी नहीं है यह सुनिश्चित कर सकते हैं. उदाहरण के लिए, हमारे नमी नियंत्रित वातावरण का उपयोग अपनी पूर्व आरोपण यांत्रिक गुणों और सूखे से उबरने के लिए एक explanted नमूना के लिए आवश्यक समय बढ़ जाती है. चित्रा 6 फिर तहत चक्रीय तनन परीक्षण के अधीन संतृप्ति को भिगो दो नियंत्रण सेटअप नमूने के सूखने व्यवहार को दर्शाता है नियंत्रित और गैर नियंत्रित दोनों पर्यावरण की स्थिति. एक गैर नियंत्रित वातावरण के अंतर्गत, नमूने के एक यंग मापांक की वसूलीनमूना microtensile परीक्षक में लोड किया गया था जिसके दौरान 150 सेकंड में 400 एमपीए से अधिक. एक संतृप्त नमूना की कि 20-40 बार की इस यंग मापांक वृद्धि नमूना 13 के तेजी से सूखने से हुई. पर्यावरण नियंत्रण के तहत, यंग मापांक में एक सराहनीय वृद्धि विसर्जन स्नान से हटाने के बाद 240 सेकंड तक मापा नहीं है. समय की इस अवधि लोड नमूना दोनों के लिए पर्याप्त है और यंग मापांक की निकासी सक्षम करने के लिए पर्याप्त यांत्रिक परीक्षण का प्रदर्शन करते हैं.

पूर्व vivo परीक्षण (चित्रा 3) के लिए प्रत्यारोपण के नमूने के लिए डिजाइन के लिए कई कारकों का विचार भी शामिल है. सबसे पहले, नमूने इस जांच में सेरेब्रल कॉर्टेक्स है जो ब्याज के ऊतकों में प्रत्यारोपित करने की आवश्यकता है. नतीजतन, नमूना संकीर्ण PVAc नेकां बीम का प्रतिनिधित्व करती है जो एक सुई से प्रेरित ज्यामिति, होना चाहिए. इसके अलावा, नमूना पी करने के लिए आवश्यक बल के संबंध में तैयार किया जाना चाहिएbuckling बिना ब्याज के ऊतकों enetrate. यूलर buckling सूत्र खाते में युवा की सामग्री की मापांक, साथ ही लंबाई, चौड़ाई, और एक बीम प्रकार जांच 17 बकसुआ की उम्मीद है, जिस पर एक महत्वपूर्ण बल प्रदान करने के लिए बीम की मोटाई लेता है. इस अध्ययन में, किरण आयाम जांच buckling के जोखिम के बिना तंत्रिका ऊतक के माध्यम से प्रवेश होता है कि इस तरह चुने गए हैं. एक प्रविष्टि बल कम से कम 15 करोड़, एक 3 मिमी परीक्षण बीम और मनोरंजक के लिए एक 1.5 मिमी लंबाई अनुमति देने के लिए 4.5 एमएम का एक चुना जांच लंबाई, और 75 माइक्रोन से अधिक के एक प्रसिद्ध फिल्म मोटाई दिखा पिछले अध्ययनों को देखते हुए, हम गणना कर सकता है कि जांच चौड़ाई 107 माइक्रोन से अधिक होना चाहिए. लेजर micromachining उपकरण के साथ अधिकतम repeatability सुनिश्चित करने के लिए, 300 मीटर की चौड़ाई के नमूने के लिए चुना गया था. चिंता का एक अन्य बिंदु ऊतक से ऊतक और हटाने में सम्मिलन के दौरान microprobe नमूना की संभाल रही है. एक साधारण बीम से निपटने के दौरान क्षतिग्रस्त हो सकते हैं, BEA के संलग्नएक और अधिक ठोस संरचना करने के लिए मीटर (ऐक्रेलिक धारक अर्थात्) दाखिल करने और यांत्रिक परीक्षण के लिए सुरक्षित हस्तांतरण में सक्षम बनाता है. अंत में, इस विधानसभा तन्यता परीक्षक में लोड के रूप में जल्दी संभव के लिए अनुमति देने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए.

30 मिनट के लिए चूहा प्रांतस्था में प्रत्यारोपित किया गया था कि एक सूखी नमूना और एक गीला नमूना के लिए तनाव तनाव घटता दिखा एक प्रतिनिधि साजिश 7 चित्र में दिखाया गया है. रैखिक लोचदार क्षेत्र में तनाव तनाव साजिश की ढलान से मेल खाती है जो यंग मापांक, स्पष्ट रूप से प्रत्यारोपित नमूने के लिए की तुलना में सूखा नमूना के लिए बहुत अधिक है. दोनों नमूनों को तोड़ने के लिए तनावपूर्ण थे. हालांकि, यंग मापांक के रूप में 8 चित्रा में दिखाया गया है, प्लास्टिक विरूपण और नमूना विफलता प्रवेश करने से पहले, जल्दी तन्यता परीक्षण में एकत्र किया जाता है कि साजिश के रैखिक लोचदार हिस्से से ली गई है. 9 चित्रा आरोपण के लगभग 5 मिनट के बाद यह दर्शाता है कि, नमूना जिलेनमूना समय की इस अवधि के भीतर संतृप्ति और न्यूनतम कठोरता पहुंचता है, सुझाव है कि यंग मापांक में थोड़ा परिवर्तन निभाता है.

चित्रा 1
चित्रा 1. प्रयोगात्मक विधि के योजनाबद्ध सिंहावलोकन एक उत्तेजनाओं उत्तरदायी, यंत्रवत् जाने योग्य बहुलक nanocomposite microprobe के vivo यांत्रिक व्यवहार में चिह्नित करने के लिए. (ए) पहले, नमूना एक किरण में patterning के द्वारा PVAc नेकां फिल्म तैयार है और एक ऐक्रेलिक पर बढ़ती जा रही है धारक. (बी) जांच तो समय की एक निर्दिष्ट अवधि के लिए मस्तिष्क प्रांतस्था में प्रत्यारोपित किया जाता है. (सी) अंत में, नमूना explanted और एक कस्टम निर्मित microtensile परीक्षक का उपयोग कर microtensile परीक्षण के अधीन है.

चित्रा 2
चित्रा 2. Explantation बाद PVAc नेकां प्रत्यारोपण नमूने के vivo यांत्रिक व्यवहार में बनाए रखने के लिए आवश्यक पर्यावरणीय परिस्थितियों की स्थापना के लिए लेजर micromachined PVAc नेकां सेटअप नमूना.

चित्रा 3
चित्रा 3. एक लेजर नमूनों PVAc नेकां किरण से मिलकर प्रत्यारोपण नमूना की तस्वीरें, एक ऐक्रेलिक धारक के लिए मुहिम शुरू की.

चित्रा 4
4 चित्रा. Microtensile परीक्षक के चित्र ब्लॉक. नमूना एक निश्चित दबाना और रैखिक piezomotor की ड्राइव रॉड से जुड़ा हुआ है कि एक मोबाइल क्लैंप के बीच clamped है. रेखीय piezomotor के तनाव की दर नियंत्रण में है और तनाव विस्थापन सूचक का उपयोग कर मापा जाता है. नमूना तनाव के लिए आवश्यक लोड मुझे हैएक लोड सेल द्वारा asured. नमूना के आसपास के क्षेत्र में पर्यावरण की स्थिति एक एयर ब्रश और एक गर्मी दीपक द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं.

चित्रा 5
चित्रा 5. के रूप में परीक्षण वातावरण में नमी को नियंत्रित करने के लिए सही हवा ब्रश सेटिंग्स निर्धारित करने के लिए चक्रीय तन्यता परीक्षण के दौरान मापा समय के एक समारोह के रूप में यंग मापांक (ई),. छायांकित क्षेत्र हवा ब्रश पर दिया गया था, जिसके दौरान समय है. उपयोग हवा ब्रश सेटिंग्स में, यंग मापांक हवा ब्रश से सेटअप नमूना द्वारा अवशोषित पानी की मात्रा कठोरता में कमी करने के लिए योगदान करने के लिए पर्याप्त नहीं है, सुझाव है कि समय के साथ काफी बदल नहीं है.

चित्रा 6
6 चित्रा. यंग मापांक (ई) बनाम पानी saturat के लिए समयदोनों नमी नियंत्रित और गैर नियंत्रित तनन परीक्षण वातावरण में एड नमूनों. प्रारंभिक यंग मापांक की वसूली नियंत्रित वातावरण में बहुत धीमी है.

7 चित्रा
चित्रा 7. शुष्क (प्रत्यारोपित कभी नहीं) और (vivo में 30 मिनट के बाद ऊतक से explanted पूर्व vivo,) गीले थे कि PVAc नेकां के नमूने के लिए तनाव तनाव भूखंडों का उदाहरण है.

8 चित्रा
चित्रा 8. साजिश के रैखिक लोचदार भाग समग्र तनाव तनाव साजिश (बाएं) से अलग, और निकाले और एक लाइन (सही) के लिए फिट है कि प्रदर्शित करने के लिए तनाव तनाव भूखंडों का अतिरिक्त सेट. इस विशेष माप, युवा के लिएमापांक 16.8 एमपीए है. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए यहां क्लिक करें .

9 चित्रा
9 चित्रा. प्रांतस्था में प्रत्यारोपित PVAc नेकां के नमूने लिए यंग मापांक, ई, बनाम प्रत्यारोपण समय. त्रुटि सलाखों एन = 2 के साथ, 5 मिनट प्रत्यारोपण के अपवाद के साथ, एन = 4 के साथ मानक त्रुटि का प्रतिनिधित्व करते हैं.

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Discussion

जैविक प्रणालियों के साथ बातचीत के लिए प्रत्यारोपण जैव चिकित्सा microelectromechanical सिस्टम (BioMEMS) की उन्नति अत्यधिक सिलवाया गुणों के साथ नई सामग्री के विकास को प्रेरित किया जाता है. इन सामग्रियों के कुछ मनोवैज्ञानिक वातावरण में पाए जाने वाले एक प्रोत्साहन के जवाब में सामग्री गुणों में परिवर्तन करने के लिए प्रदर्शन किया गया है. सामग्री में से एक हाल ही में विकसित वर्ग हाइड्रोजन बांड के गठन तरल पदार्थ (जैसे पानी) और परिमाण 10,11,18 के तीन आदेशों द्वारा की यंग मापांक, सामग्री कठोरता का एक उपाय है, को कम करने के लिए ऊंचा तापमान की उपस्थिति का जवाब. इन बहुलक nanocomposite सामग्री nanofiller चरण के रूप में सेल्यूलोज nanofibers साथ एक नरम बहुलक मैट्रिक्स (यानी पाली (vinyl एसीटेट)) है. जब गीला सेल्यूलोज nanofibers बीच सहभागिता जब सूखी और बदल गया "बंद" "पर" एक पूरे के रूप में सामग्री के यांत्रिक गुणों हुक्म चलाना, और बदल रहे हैं. इसके अलावा, पानी बहुलक ना plasticizesnocomposite, जिससे यंग मापांक में कम करने के लिए एक और आगे है, जिसके परिणामस्वरूप (37 डिग्री सेल्सियस) शरीर के तापमान को नीचे करने के लिए ग्लास संक्रमण के तापमान को कम करने. सामग्री के इस वर्ग के लिए आवेदन व्यक्तिगत न्यूरॉन्स के साथ 13,17 interfacing के लिए intracortical जांच के लिए एक जैव अनुकूली सब्सट्रेट के रूप में सेवा करने के लिए है. हालांकि, एक यंत्रवत् जाने योग्य सामग्री का लाभ तंत्रिका तंत्र के साथ interfacing तक सीमित नहीं हैं.

यहाँ प्रस्तुत PVAc नेकां आधारित microprobes के यांत्रिक व्यवहार समय का एक निर्धारित राशि के लिए तंत्रिका ऊतक में आरोपण के बाद मूल्यांकन किया जा सकता है जिसके द्वारा एक विधि है. इस विधि का प्रयोग, पूर्व vivo यांत्रिक डेटा benchtop अध्ययनों की तुलना के लिए एकत्र किया जा सकता है. इसके अलावा, यांत्रिक गुणों में परिवर्तन के timescale का आकलन किया जा सकता है. उच्च tunable हवा ब्रश और उज्ज्वल गर्मी सेटिंग्स से सक्षम पर्यावरण नियंत्रण प्रत्यारोपित नमूने मिनी के साथ पूर्व vivo परीक्षण किया जा सकता है जिसके द्वारा एक तंत्र प्रदान करता हैमल पर्यावरण में बदलाव से उत्पन्न यांत्रिक गुणों में बदल जाते हैं. जैसे, सामग्री के vivo व्यवहार में पूरी तरह से कृत्रिम मस्तिष्कमेरु द्रव (ACSF) में डूबे नमूनों के साथ benchtop प्रयोगों की तुलना में बेहतर जानकारी उपलब्ध कराने, अनुमान लगाया जा सकता है. जटिल मनोवैज्ञानिक वातावरण इस तरह के तरीकों की उपलब्धता की मांग है, लेकिन इस आकलन के लिए प्रयोगात्मक विधियों सीमित हैं.

प्रत्यारोपित, यंत्रवत् जाने योग्य बहुलक nanocomposite नमूने के यांत्रिक लक्षण वर्णन के लिए हमारे विधि करने के कई फायदे हैं. कस्टम microtensile परीक्षक एक ठेठ तंत्रिका जांच (1.5-8 मिमी लंबी, 50-500 माइक्रोन चौड़ा, 15-100 माइक्रोन मोटी 3,19-21) के लिए तुलनीय आयामों के साथ नमूने के परीक्षण के लिए उपयुक्त है. अन्य यांत्रिक तरीकों लक्षण वर्णन बड़ा, थोक नमूने या nanoscale नमूने तो लिए उपयुक्त हैं. उपयुक्त पैमाने की एक यांत्रिक परीक्षण उपकरण का उपयोग संपत्ति scalability के अज्ञात निकालता है. इसके अलावा, microtensile परीक्षक नमी और परीक्षण वातावरण का तापमान नियंत्रण को सक्षम, परीक्षण के अंतर्गत नमूना के लिए खुला पहुँच गया है. इसके अलावा, यहां तक कि पर्यावरण नियंत्रण के साथ, यह पूर्व vivo नमूना सुखाने. तंत्रिका ऊतक से नमूना निकालने के बाद जल्दी से तनन परीक्षण शुरू करने के लिए आवश्यक है, और इस प्रकार stiffening, तेजी से (आम तौर पर भीतर की सुविधा है कि परीक्षण के नमूने और microtensile परीक्षक डिजाइन का उपयोग कर यहाँ कम से कम किया गया है 120 सेकंड) लोड हो रहा है और यांत्रिक परीक्षण के प्रारंभ. अंत में, इस microtensile परीक्षक जैविक मूल्यांकन के लिए के रूप में समान रूप से पशुओं में प्रत्यारोपित किया जा सकता है कि यांत्रिक परीक्षण के लिए जांच की तरह नमूने के उपयोग की सुविधा, दोनों सिरों पर पैड की जरूरत नहीं है कि नमूने accommodates.

सामग्री की उत्तेजनाओं उत्तरदायी व्यवहार एक प्रतिवर्ती है क्योंकि तंत्रिका ऊतक से नमूने के परीक्षण हटाने explantation के बाद यांत्रिक व्यवहार में परिवर्तन हो सकता है जो एक नए माहौल में, प्रस्तुतएन डी संभावित तेजी से अभिनय. समय की एक निश्चित अवधि के लिए मस्तिष्क में नमूना आरोपण के बाद यांत्रिक व्यवहार में परिवर्तन का आकलन करने के लिए यह पर्यावरण की दृष्टि से नियंत्रित तनन परीक्षण विधि का उपयोग करते हैं, vivo में है कि वास्तविक यंग मापांक के संबंध में संभावित विसंगतियों पर विचार किया जाना चाहिए. सबसे पहले, नमूने पूर्व vivo परीक्षण के द्वारा, वे मनोवैज्ञानिक वातावरण से हटा दिया है और एक वैकल्पिक पर्यावरण के अधीन, परिभाषा से, कर रहे हैं. पर्यावरण की स्थिति पर निर्भर यांत्रिक गुणों के साथ एक नमूना के लिए, पर्यावरण से एक नमूना हटाने के अपने यांत्रिक गुणों में परिवर्तन होगा. इस परिवर्तन होता है जिसके साथ timescale सामग्री गुण, साथ ही जो बाहरी वातावरण नियंत्रित किया जाता है के लिए डिग्री के लिए पर निर्भर करता है.

लक्षण वर्णन और उत्तेजनाओं उत्तरदायी यांत्रिक व्यवहार की मात्रा का ठहराव के लिए यह दृष्टिकोण सबसे अच्छा बहुत बड़ी लंबाई के साथ, सुई की तरह geometries के साथ नमूने के लिए अनुकूल हैडिवाइस की चौड़ाई या मोटाई से आर. डिवाइस आयामों का चयन करते समय इसके अतिरिक्त, सामग्री और विशिष्ट मोटर और इसकी अधिकतम बल का कठोरता से विचार किया जाना चाहिए. नमूना आयाम का एक सेट को देखते हुए एक और अधिक कठोर सामग्री का एक बड़ा पुल बल के एक छोटे यंग मापांक के साथ एक सामग्री के रूप में तनाव का एक ही राशि लागू करने की आवश्यकता होगी. चौड़ाई और / या मोटाई कम करने, या नमूना लंबाई बढ़ाने, नमूना एक निश्चित राशि बढ़ाना करने के लिए आवश्यक बल की राशि कम हो जाएगा. कस्टम तनन परीक्षण सेटअप के लिए रेखीय piezomotor अधिकतम पुल तक पहुँचने के बिना 5% तनावपूर्ण होने के लिए एक 24,000 माइक्रोन 2 से ऊपर 5 GPa और पार के अनुभागीय क्षेत्र की यंग मापांक के साथ नमूने के लिए अनुमति देता है जो 6 एन, की अधिकतम पुल बल दिया है मोटर के बल. microtensile परीक्षक में बल को मापने के लिए इस्तेमाल किया लोड सेल, कम से कम 1 करोड़ का एक संकल्प है ताकि हमारे अध्ययन में इस्तेमाल के नमूनों में मापा जा सकता है कि छोटी से छोटी यंग मापांक (चौड़ाई 300माइक्रोन, मोटाई 100 माइक्रोन) लगभग 1 एमपीए. इस सीमा से कम आगे तथापि, बड़ा पार के अनुभागीय क्षेत्र के साथ नमूने के उपयोग के साथ कम किया जा सकता है. विस्थापन सूचक के लिए लोचदार क्षेत्र से एक आदेश के परिमाण छोटा होता है जो 0.2% तनाव के लिए सीमित लोचदार व्यवहार (3 मिमी की एक प्रारंभिक लंबाई में), के साथ सामग्री के लिए पर्याप्त है जो 0.5 माइक्रोन, के एक संकल्प किया PVAc- शुष्क राज्य में भी नेकां.

पूर्व vivo लक्षण वर्णन की इस पद्धति के लिए एक सीमा है कि यह बहुत कठोर या भंगुर सामग्री के लिए प्रभावी नहीं हो सकता है. नमूना जल्दी microtensile परीक्षक में मुहिम शुरू की जानी चाहिए के रूप में व्यावहारिक रूप से बोल रहा हूँ, एक भंगुर सामग्री बढ़ते प्रक्रिया के दौरान तोड़ने का खतरा होता है. इसके अतिरिक्त, एक छोर से किरण की तरह नमूने (हमारे प्रयोगों के उन मिलान आयामों के साथ) ऐक्रेलिक धारक का पालन किया और बल रणनीति की आवश्यकता के रूप में मुफ्त अन्य अंत लगभग 2.5 GPa से अधिक सामग्री के लिए इस्तेमाल नहीं किया जा सकतानमूने में clamps और गलत परिणाम के माध्यम से नमूना की फिसलन, जिसके परिणामस्वरूप जगह में नमूना पकड़े clamps के बल से अधिक है. यह समस्या हर छोर पर पैड के साथ dogbone के आकार के नमूने के उपयोग के साथ पार किया गया था. Microprobes के vivo यांत्रिक व्यवहार में माप और विश्लेषण के लिए इस विधि का यह प्रयोग सामग्री की PVAc नेकां वर्ग तक सीमित नहीं है. अतिरिक्त संभावित अनुप्रयोगों biodegradable सामग्री 22 की गिरावट दर निगरानी और यांत्रिक जैविक ऊतकों 23,24 के व्यवहार, साथ ही गैर जैविक अनुप्रयोगों के लिए microscale संरचनाओं के लक्षण वर्णन निस्र्पक शामिल हैं. इसके अलावा, अतिरिक्त पर्यावरण नियंत्रण विभिन्न उत्तेजनाओं 25,26 के लिए उत्तरदायी हैं कि सामग्री के लिए (जैसे पीएच, परिवेश प्रकाश, विद्युत क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र की तरंग दैर्ध्य) जोड़ा जा सकता है. इस पद्धति का मुख्य लाभ में से एक कई अलग अलग मटेरिया को अपनी बहुमुखी प्रतिभा और प्रयोज्यता हैलोकसभा और अनुप्रयोगों.

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Disclosures

हम खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

इस काम में दोनों प्रयोगशाला शुरू हुआ धन (जे Capadona), और Medtronic ग्रेजुएट फेलोशिप (लालकृष्ण पॉटर) के माध्यम से केस वेस्टर्न रिजर्व विश्वविद्यालय में बायोमेडिकल इंजीनियरिंग विभाग द्वारा समर्थित किया गया था. इस शोध पर अतिरिक्त धन के हिस्से में समर्थन किया था NSF अनुदान ईसीएस-0621984 (सी. Zorman), प्रकरण छात्र संघ (सी. Zorman), एक मेरिट समीक्षा पुरस्कार (B7122R) के माध्यम से दिग्गजों मामलों के विभाग, साथ ही उन्नत प्लेटफार्म प्रौद्योगिकी केंद्र (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

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References

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के लिए यंत्रवत् जाने योग्य पॉलिमर Nanocomposites के पर्यावरण की दृष्टि से नियंत्रित Microtensile परीक्षण<em&gt; पूर्व vivo</em&gt; विशेषता
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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).

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