Summary
Bir yöntem tartışılmaktadır hangi
Abstract
Implante Mikrocihazlarda çeşitli biyomedikal uygulamalarda 1-4 açısından önemli dikkat çekiyor. Bu tür cihazlar, malzemeler, kendine özgü avantajları ve eksiklikleri 5,6 sunan her bir dizi yapılmıştır. En belirgin, mikro cihaz boyutları nedeniyle, bir yüksek modüllü canlı dokuya implantasyonu kolaylaştırmak için gereklidir. Bunun aksine, aygıtın sertliği bağlı yerel gerilme 7-9 en aza indirmek için çevredeki doku ile eşleşmelidir. Bu nedenle, son zamanlarda mekanik özellikleri 10-14 bir değişiklik ile çevresel uyaranlara yanıt vererek bu gereksinimleri karşılamak için biyo-ilham malzemelerin yeni bir sınıf geliştirdi. Su ve yüksek sıcaklıklarda (örneğin, vücut sıcaklığı) maruz kaldığında Özellikle, poli (vinil asetat) bazlı nano-(PVAc, North Carolina) sertliğinde bir azalma gösterir. Ne yazık ki, birkaç yöntem in vivo 15 malzemelerin sertlik ve mekanik ölçmek için varfizyolojik ortamı dışında anical test genellikle implantasyon için büyük örnekleri uygunsuz gerektirir. Ayrıca, uyaranlara duyarlı malzemeleri hızlı bir şekilde açıklama yapıldı onların ilk sertlik geri alabilirsiniz. Bu nedenle, implante microsamples mekanik özellikleri ex vivo olarak ölçülebilir hangi bir yöntem geliştirdik, simüle fizyolojik koşullar ile, nem ve ısı kontrolü 13,16,17 kullanılarak korunur.
Bu amaçla, özel bir Mikrogerilim test Young modülü (10 MPa ile 5 GPa aralığı) yaygın olarak değişen mikro örnekleri 13,17 karşılamak için tasarlanmıştır. Ilgi eden, biyolojik olarak adapte sinir prob substratı, mikro numuneler arasında mekanik karakterizasyon gerekli yeteneğine sahip bir araç olarak PVAc-NC uygulama bulunmaktadır. Gibi Bu araç, kurutma ve 17 soğutma örnek minimize nem ve ısı kontrolü sağlamak üzere adapte edilmiştir. Sonuç olarak, mekanikEksplante örnek al özellikleri yakından eksplantasyonu hemen önce örnek bu yansıtmaktadır.
Bu yöntem, genel amacı, kantitatif uyaranlara yanıt veren, mekanik-adaptif polimer esaslı malzemelerin in vivo mekanik özellikler, özel olarak, Young modülü bölgesi değerlendirmektir. Bu, ilk olarak implantasyon sonucu husule gelen bağımsız sertliğinde bir azalmaya katkıda bulunmadan önce açıklama sonra örnek mekanik özelliklerinde bir değişiklik en aza indirmek için çevresel koşulların yerleştirilmesiyle gerçekleştirilir. Örnekler daha sonra implantasyon, taşıma, ve test (Şekil 1A) için hazırlanmıştır. Her numune belirli bir süre için bir Eksplante sıçan beyin, (Şekil 1B) olarak burada temsil edilir sıçan, en serebral korteks içine yerleştirilir. Bu noktada bir örnek (Şekil eksplante ve hemen yüklenen Mikrogerilim test cihazı içine girer ve daha sonra çekme testine tabi tutulur1C). Sonraki veri analizi serebral korteksin ortamda bu yenilikçi malzemelerin mekanik davranış içine fikir verir.
Protocol
1. Numune Hazırlama
- Bir çözelti döküm ve sıkıştırma tekniği kullanılarak 10-12 25-100 mikron aralığında kalınlığı PVAc-NC, film tabaka hazırlanabilir.
- Film ve yonga arasındaki yakın temas teşvik etmek için 70 ° C (cam geçiş sıcaklığının üzerinde), iki dakika boyunca bir sıcak plaka üzerinde ısıtma ile bir silikon filmi için uyun. Bu adım, hazırlanan film, düzlemsel mikro işlemler için gerekli olan silisyum, düz ve sabit kalmasını sağlar.
- Lazer mikro (VLS 3.50, VersaLASER) tarafından test örneği geometri içine Desen filmi. % 1.0 gücü (0.5 W),% 4.0 hızı (56 mm / s) ve inç 13,16 1.000 darbe için CO 2 doğrudan-yazma lazer mikro parametrelerini ayarlayın.
- Yan pad boyutları 1.5 x 1.5 mm 2, ve loş yan ışını ile dogbone şeklinde yapılarına çevre koşulları ("kurulum örnekleri") kurmak için kullanılacak desen örneklerikalınlığı ile eşleşen ensions 300 x 3.000 mikron 2, boyunca filmin (Şekil 2) bu.
- Kalınlığı bu filmin eşleşen Desen ex vivo deneyler için numune ("implant örnek") kirişler içine 300 mikron x 6 mm,.
- Dikkatli bir jilet ve cımbız kullanarak gofret gelen örnekleri bırakın.
- Numune alma için, Mikrogerilim test içinde kavrama sisteminin bir parçası olarak hizmet etmek için tasarlanmış özel işlenmiş akrilik sahipleri hazırlamak. Lazer kazınmış işaretler sahibinin merkez ve sonunda 1,5 mm göstermektedir. Akrilik tutucunun merkez üzerinde siyanoakrilat jel bazlı bir yapışkan küçük bir miktar ve dikkatli bir şekilde tutucu implant örneği bir 1.5 mm uzunluğunda uygun ve işaretli merkez çizgisine (Şekil 3) üst üste. Her implant örnek bir akrilik tutucu gerektirir. Yapışkan jel sadece ACR uygulanmaması PVAc-NC 1.5 mm uzunluğu boyunca kalmasını sağlamak için dikkatli olunAKRİLİK tutucu. Aksi takdirde, yapışkan bir jel numunenin mekanik davranışı engelleyebilir.
- En az 24 saat boyunca bir desikatör içinde yerleştirerek, tüm numunelerden çıkarıldı nemi çıkarmak.
- Uzunluk, genişlik ve optik bir mikroskop kullanılarak örneklerin kalınlıkları ölçün.
2. Çevresel koşullar oluşturulması
- İlk sabit kulpları arasında daha sonra, mobil kulpları arasındaki sıkma, Mikrogerilim test (bkz. Şekil 4) içine kuru bir kurulum örneği yükleyin.
- Mikrogerilim Örnek doğru yönlendirilmiş olan meme, sabit bir pozisyonda, bir su dolu bir hazne ile bir hava fırçası monte edin. Plastik boru ile bir hava kompresörü için hava fırça bağlayın. Hava fırça memesi tamamen kapalı, hava kompresörü açın.
- Çekme suşu (pozitif yük) ve t uygulanan basınç gerginlik (negatif yük) arasında değişen, döngüsel Mikrogerilim test prosedürü başlayıno örnek, gerilme-şekil değiştirme arsa doğrusal elastik bölge içinde kalan. PVAc-NC için, uygulanan gerilme% 2'den daha az ile sınırlıdır. Bu gerilim elde etmek için gerekli olan kuvvet ölçüldü ise, bu deneylerde kullanılan özel Mikrogerilim test olarak, gerilme oranı kontrol edildi. Alternatif olarak, farklı bir kurulum çıkan gerginlik ölçerken uygulanan kuvvet kontrol kapsayabilir.
- Yavaş yavaş hava fırça memeden akışını arttırmak ve hava fırça akış miktarının bir fonksiyonu olarak, gerilme-uzama eğrisinin eğimi izler. 60 saniye arasında bir süre içinde Young modulus bir belirgin (>% 10) azalmaya neden olmayan en yüksek akış ex-vivo deneylerde kullanılacak seviyesidir. Bu noktada, nem koşulları (ve dolayısıyla Young modülünde bir azalma katkıda), kuru numune ıslak olmaz ve aynı zamanda in vivo olarak biyolojik sıvılara maruz bırakıldıktan sonra kurutma örnek esta olmuştur minimize edecekblished.
- Örnek yakın sıcaklık ölçün. İdeal bir kurulum dijital okuma ile bir termokupl içerir ve airbrush çalışırken gerçekleştirilebilir. Örnek sıcaklığı 37 ° C, fizyolojik koşullarına göre için düzenlenen bu tür ısı kaynağının yoğunluğu ve uzaklığını ayarlayın.
3. Çevre Kontrol Dışı Çevre Kontrol karşılaştırın
- Fosfat, en az 30 dakika süreyle batırmak kurulum örnekleri tamponlu tuzlu su. Bu kadar süre sonra, örnek, tamamen doymuş olan ve belirli bir sıcaklıkta minimum Young modulus düşürülmüştür.
- Hızla Mikrogerilim test bir örnek yüklemek ve döngüsel Mikrogerilim test başlar, kapalı hava fırça ile, örnek kuruması için bir süre. Bu olmayan kontrollü şartlar altında ne kadar hızlı örnek kurur belirleyecektir.
- Mikrogerilim test içine ikinci bir PBS-doymuş kurulum örnek yükleyin ve döngüsel Mikrogerilim test başlarüzerindeki hava fırça ile. Bu kontrollü çevresel koşullar altında ne kadar hızlı kurur örnek belirleyecektir.
4. Probe İmplantasyon ve eksplantasyonu
- Bir micromanipulator kelepçe ve kortikal doku dik konuma implant örnek takın.
- Ekleme önce, doku mekaniği homojenliği sağlamak için serum fizyolojik ile doku yeterince nemli tutmak.
- Mikromanipülatör el kontrolleri kullanarak korteks içine polimer örnek indirin. Genel olarak 1 ile 30 dakika arasında, hedef implantın zamanına kadar kortikal dokusu örneği bırakın. Hafifçe 5 dakika, dab zaman içinde puan için kurumasını doku önlemek için doku bir tuzlu bulanmış pamuklu çubuk kullanarak her 5 dk.
- Prob kortekse olsa da, sabit bir numune kıskaçtan 3.0 mm sıfır değiştirme konumuna tahrik çubuğu ayarlayarak anda implante numune yükleme Mikrogerilim test hazırlar. Ayrıca, hava fırça memesi ayarlayınakış ayarı ve uygun yoğunluğu Adım 2.4 'te belirlemek için ısı kaynağına.
- Belirtilen implant zaman sonunda, mikromanipülatör el kumandalarını kullanarak korteksin prob dışarı kaldırın. Derhal ve dikkatli bir şekilde, mikromanipülatör kelepçe örneği kaldırmak ve benzeri gibi Adım 5.2 'de daha detaylı olarak tarif Mikrogerilim test cihazı içine yükleyin.
5. İmplant Numune Mikrogerilim Test
- Açıklama yapıldı Zaman kazanmak için, Mikrogerilim test olarak Adım 4.4 'de açıklandığı gibi, implantasyon öncesinde implant örnek kabul etmeye tamamen hazır olduğundan emin olun.
- Hemen önce açıklama yapıldı, Mikrogerilim test kelepçeler iki takım arasında örnek yükleyin. Örnek bir tespit üst yarısında olarak kullanılmak üzere tasarlanmış olan bir akrilik tutucuya monte edilmiş olduğu için, aşağı mobil kavrama, örnek tarafında implant örneği montaj yerleştirin. Bu, örnek monte edilmiş olduğundan emin olmak için önemli olduğu şekilde gerginlik İçi olduğusadece denetleme sırasında örnek tork uygulayarak önlemek için prob uzunluğu boyunca ied. Bu nedenle, örnek, her kelepçe ortasına monte edilmelidir, ve kelepçeler, birbirine göre aynı seviyede olmalıdır.
- Kıskaçları arasındaki mesafe 3.0 mm, ve sonda sabit kıskaç içine yerleştirilir sonu olduğu gibi, örnek konumunu ayarlayın. Bu kelepçe arasındaki uzunluğu 3,0 mm numune için ölçü uzunluğudur, ve numune üzerindeki etkiyi belirlemek için daha sonra hesaplamalarda kullanılacaktır.
- Hemen her iki kelepçe arasındaki örnek güvence sonra eş zamanlı olarak ölçmek ve kayıt sırasında ve nöral doku eksplantasyonunun 2 dakika içinde, sabit bir oranda (burada kullanılan 10 mm / saniye) 'de örnek olarak uzatmak için çekme yönünde motoru harekete numunenin uzaması ve örnek zorlanma için gerekli ilgili kuvveti (bir yük hücresi, Dönüştürücü Teknikleri MDB-2.5 kullanarak) (bir yer değiştirme göstergesi, Mitutoyu 543-561 kullanılarak).
- Her bir örnek ve / veya koşullar (yani ekleme zamanı) her set için Mikrogerilim test tekrarlayın.
6. Veri Analizi
- Ε, t zaman, uygulanan suşu gibi Denklem 1 'de tarif edilen ilk gösterge uzunluğu, uzama arasındaki mesafe bölünmesi ile implant örneği uygulanan gerilme mühendislik için işlenmemiş bir uzama dönüştürme, d mikrometre ile ölçülen deplasman Gösterge ve L, 0 numune, başlangıçtaki şablon boyuna gibidir:
(1) - Tra tarafından, kuvvet (Newton cinsinden) bölerek örnek üzerinde mühendislik strese ham gücü verileri dönüştürmekgibi Denklem 2 'de tarif nsverse kesit alanı,:
(2)
Örnek üzerinde stres σ burada, K yük hücresi (Newton cinsinden) ile ölçülen kuvvettir, w, 0, numunenin başlangıç genişliği, ve t, 0, numunenin başlangıç kalınlığıdır. - Stres arsa ([t] σ) vs suşu (ε [t]) Microsoft Excel gibi bir bilgisayar programı kullanarak her bir örnek için eğri.
- Arsa doğrusal elastik kısmı izole etmek ve bu bölümü için en uygun hat bulmak için yazılım tabanlı eğri uydurma araçlarını kullanın. En uygun çizginin eğimi numunenin Young modülü karşılık gelir. Arsa gibi izole edilmiş bir kısmının, en az 10 gerilme-uzama noktaları içermelidir ve eğim en yüksek olduğu arsa kısmı alınmalıdır.
- Döngüsel testler için, Young modülü her bir döngüsü için tespit edilmesi gerekir. Bu otomatik veya manuel olarak yapılabilir.
- Zamana karşı her döngüsünün döngüsel testler için, arsa en Young modülü. Bu bir kurulum örnek ıslatma veya kurutma ne kadar hızlı bir göstergesidir zamanla ne kadar ölçülen modülü değişiklikler, gösterir.
- İmplant örnekleri için, implant ve her bir örnek zaman siklik testler, tek bir döngü karşılık gelir. Her bir implant örneği için yukarıda tarif edilen prosedür kullanılarak, Young modülü ölçün.
- Young modülü karşı implant zaman çizilir. Bu noktada, karşılaştırma masa üstü araştırmalar, vb yapılabilir
(1) 
(2) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bizim PVAc-NC da dahil olmak üzere hemen hemen tüm polimer malzemeleri, mekanik özellikleri, çevre koşullarına maruz kalması üzerine bağlıdır. En önemlisi, bu ısı ve neme maruz kalma içerir. Bir malzeme nedeniyle nem alımı plastikle, ya da bir termal geçiş uğrar, bu Young modülünde bir azalma gösterir. Nem ve ex vivo örnek mekanik özellikleri için sıcaklık kontrollü bir ortama hazırlanmasında, test sırasında mekanik Mikrogerilim cihazı, hem de içine örnek yüklenirken numunenin nem içeriği çok az değişiklik olmasını sağlamak için önemlidir. Bu örnek, hava fırça tarafından üretilen nem etkisinde değildir, ne de hızla dış ortamda kuru emin olmak için kontrol kurulum örnek deneyleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Şekil 5 kuru bir kurulum mekanik davranışını gösteren bir örnek şemasını göstermektedir cycl sırasında örnekuygun bir hava fırça nem ayarı için ical çekme testi. Hava fırça açıkken Young modülü herhangi bir değişiklik az. Dış ortamda sertlik bir azalma veya artmasına katkıda değil gerektiği gibi bu önemlidir. Hava fırça gelen akış çok yüksek ayarlandığında, numunenin Young modülü önemli ölçüde yaklaşık 60 saniye içinde azalacaktır.
Mekanik test ortamı üzerinde kontrol ayrıca malzeme erken kurumasına yok emin olabilirsiniz. Örneğin, nem kontrollü çevrenin kullanımı, pre-implantasyon mekanik özellikleri kuru ve kurtarmak için bir eksplante örnek için gereken süreyi artırır. Şekil 6 sonra altında döngüsel çekme testlerine tabi doygunluk batırılmış iki kontrol kurulum numunelerinin kurutma davranışı gösterir Kontrollü ve kontrollü-olmayan hem de çevresel koşullar. Olmayan bir kontrollü ortamında, örnekleri en bir Young modülü kurtarmakÖrnek Mikrogerilim test yüklenmiş olan sırasında 150 sn 400 MPa aşan. Doymuş bir Numuneninkinden 20-40 kez bu Young modulus artış Örnek 13 hızlı kurutma kaynaklanmıştır. Çevre kontrolü altında, Young modülü içinde kayda değer bir artış daldırma banyosundan çıkarıldıktan sonra 240 sn kadar ölçülmez. Bu süre, yük örneği her iki için yeterli ve Young modülü, çekme etkinleştirmek için yeterli mekanik bir test gerçekleştirir.
Ex vivo olarak test (Şekil 3) için implant örnekleri için tasarım bir dizi faktör dikkate içerir. İlk olarak, örnekler bu soruşturmada serebral korteks ilgi doku içine implante gerekir. Sonuç olarak, örnek dar PVAc,-NC, kiriş tarafından temsil edilen bir iğne ilham geometriye sahip olmalıdır. Buna ek olarak, örnek p için gereken kuvvet ile ilgili olarak tasarlanmış olmalıdırburkulma olmadan ilgi doku enetrate. Euler burkulma formül dikkate Young'ın malzeme modülünün yanı sıra, uzunluk, genişlik ve bir ışın tipi prob 17 toka beklenen de kritik bir kuvvet sağlamak için kirişin kalınlığı almaktadır. Bu çalışmada, kiriş boyutları prob burkulma riski olmadan sinir dokusu yoluyla nüfuz olacağı gibi seçilmiştir. Bir giriş kuvveti az 15 mN, 3 mm test ışın ve sürükleyici bir 1.5 mm uzunluğunda sağlamak için 4,5 mm seçilmiş bir prob uzunluğu ve 75 mikron aşan bilinen bir film kalınlığı gösteren önceki çalışmaları göz önüne alındığında, biz hesaplamak olabilir prob genişliği 107 mikron aşmalıdır. Lazer mikro aracı ile maksimum tekrarlanabilirlik temin etmek için, 300 mm genişliğinde bir numune için seçildi. Bir diğer konu alanına dokudan doku ve kaldırma içine yerleştirilmesi sırasında mikroprob örnek taşınması. Basit kiriş taşıma sırasında hasar gibi, bea bağlamaBir daha önemli yapıya m (akrilik sahibi yani) implantasyonu ve mekanik test daha güvenli transferi sağlar. Son olarak, bu montaj çekme test içine yükleme kısa sürede sağlamak için optimize edilmelidir.
30 dakika boyunca fare korteksi implante edilmiş kuru bir numunesi ve bir ıslak numune için gerilme-uzama eğrilerini gösteren temsili bir grafiği Şekil 7'de gösterilmektedir. Doğrusal elastik bölgenin gerilme-uzama eğrisinin eğimi karşılık Young modülü, açık bir şekilde implante edilen numune için daha kuru numune için çok daha büyüktür. Her iki örnekleri kırmak için gergin edildi. Bununla birlikte, Young modülü, Şekil 8'de gösterildiği gibi, plastik deformasyon ve örnek yetmezliği girmeden önce, erken çekme testi toplanan arsa doğrusal elastik kısım elde edilir. Şekil 9, implantasyon, yaklaşık 5 dakika sonra göstermektedir, Örnek disÖrnek Bu süre içinde doygunluk ve minimum sertlik ulaşır düşündüren, Young modülü çok az değişiklik oynar.
Şekil 1. Deneysel yöntem şematik bakış bir uyarı duyarlı, mekanik-adaptif polimer nanokompozit mikroprob in vivo mekanik davranış karakterize etmek. (A) İlk olarak, örnek bir ışınına modelleme ile PVAc-NC filmi hazırlanmış ve bir akrilik üzerine montaj olduğunu tutucu. (B) prob sonra zaman belirli bir süre için serebral korteks içine yerleştirilir. (C) Son olarak, örnek eksplante ve özel bir dahili Mikrogerilim test cihazı ile Mikrogerilim test tabi tutulur.
Şekil 2. Açıklama yapıldı PVAc-NC implant örneklerinin in vivo mekanik davranış korumak için gerekli çevre koşulları oluşturulması için lazer Mikroişlenmiş PVAc-NC kurulum örnek.
Şekil 3,. Bir lazer desenli PVAc-NC ışın oluşan implant örnek fotoğraf, akrilik sahibine monte.
Şekil 4. Mikrogerilim test blok diyagramı. Örnek, bir sabit kıskaç ve doğrusal piezomotor bir tahrik çubuğu eklenmiş bir mobil kelepçe arasında kenetlenir. Doğrusal piezomotor bir gerginlik oranı kontrol edilir ve gerginlik değiştirme göstergesi kullanılarak ölçülür. Örnek zorlanma için gerekli yük benimbir yük hücresi tarafından ölçüldü. Örnek çevresinde çevre koşulları, bir havalı fırça ve bir ısı lambası tarafından kontrol edilir.
Şekil 5,. Gibi deney ortamında nemin kontrol edilmesi için doğru hava fırçası ayarlarını belirlemek için çevrimsel gerilme testleri sırasında ölçülen zamanın bir fonksiyonu olarak, Young modülü (E). Gölgeli bölge hava fırça açıldığında sırasında zamandır. Kullanılan hava fırça ayarlarda, Young modülü hava fırça kurulum numune tarafından emilen su miktarı sertliğinde bir azalmaya katkıda bulunmak için yeterli olmadığını öne, zaman içinde önemli ölçüde değişmez.
6 Şekil. Young modülü (E) karşı su-saturat için zamanhem nem kontrollü ve olmayan kontrollü çekme testi ortamlarda ed örnekleri. ilk Young modülü kurtarma kontrollü bir ortamda çok daha yavaştır.
Şekil 7. Kuru (implante asla) ve (in vivo 30 dakika sonra dokusundan Eksplante ex vivo,) ıslak PVAc-NC örnekleri için gerilme-şekil değiştirme araziler örneği.
Şekil 8. Arsa doğrusal elastik kısmı genel gerilme-şekil değiştirme arsa (sol) izole ve ayıklanır ve bir çizgi (sağ) için uygun olduğunu göstermek için gerilme-şekil değiştirme araziler ek set. Bu özel ölçüm, Young içinmodülü 16.8 MPa olduğunu. büyük rakam görmek için buraya tıklayın .
9 Şekil. Kortekse PVAc,-NC, numuneler için Young modülü E, karşı implantasyon zamanında. Hata çubukları, n = 2, 5 dakika implant hariç olmak üzere, n = 4 olan standart hata temsil eder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Biyolojik sistemleri ile etkileşim için implante biyomedikal mikroelektromekanik sistemleri (bioMEMS) ilerlemesi son derece özel özelliklere sahip yeni malzemelerin geliştirilmesi motive edicidir. Bu malzemelerin bazıları fizyolojik bir ortamda bulunan bir uyarıcıya tepki olarak malzeme özelliklerinde bir değişiklik sergileyen için tasarlanmıştır. Malzemelerden biri son zamanlarda gelişmiş sınıfı hidrojen bağı oluşturan sıvı (örneğin su) ve büyüklüğü 10,11,18 üç siparişleri, Young modülü, malzeme sıkılığının bir ölçüsü, azaltmak için yüksek sıcaklıklarda varlığına yanıt verir. Bu polimer nanokompozit nano-dolgu faz olarak selüloz nanoelyaflar yumuşak bir polimer bir matris (örneğin, poli (vinil asetat)) vardır. Islak selüloz nanolifler arasındaki etkileşimlerin zaman kuru ve döndü "kapalı" "" Bir bütün olarak malzemenin mekanik özellikleri dikte ve açıktır. Buna ek olarak, su, polimer na plasticizesnocomposite, böylece Young modülü, indirgenmiş bir başka sonucu, (37 ° C) vücut sıcaklığı için, cam geçiş sıcaklığı azaltmak. Malzeme bu sınıf için bir uygulama bireysel nöronlar ile 13,17 arabirim için intrakortikal problar için bir biyo-uyumlu substrat olarak hizmet etmektir. Bununla birlikte, mekanik-adaptif malzeme yararları sinir sistemi ara yüz ile sınırlı değildir.
Burada sunulan PVAc-NC-tabanlı mikropiliye mekanik davranışı belli bir miktarda nöral dokuda implantasyon sonra değerlendirilebilir hangi bir yöntemdir. Bu yöntemi kullanarak, ex vivo mekanik veri masa üstü çalışmalara karşılaştırma için toplanabilir. Ayrıca, mekanik özelliklerinde değişiklikler ölçeği değerlendirilebilir. Son derece ayarlanabilir hava fırça ve ısı ayarları ile etkin çevre kontrolü implante örnekleri mini ex vivo test edilebilir bir mekanizma sağlarNormal ortamı değişiminden kaynaklanan mekanik özellikleri değişir. Bu nedenle, malzemenin in vivo davranış, yapay beyin omurilik sıvısı (ACSF) batırılır örnekleri ile masa üstü deneylere göre daha üstün bilgi sağlayan çıkarılabilir. Karmaşık fizyolojik ortamı, yöntemlerin durumu talepleri, ama bu değerlendirme için deneysel yöntemler sınırlıdır.
Implante, mekanik-adaptif polimer nanokompozit örneklerin mekanik karakterizasyonu için yöntem için çeşitli avantajları vardır. Özel Mikrogerilim test tipik bir sinir prob (1,5-8 mm uzun, 50-500 mikron çapında, 15-100 mikron kalınlığında 3,19-21) karşılaştırılabilir boyutlarda numuneler test için uygundur. Diğer mekanik karakterizasyon yöntemleri daha büyük, dökme numune veya nano ölçekli numuneler için uygundur. Uygun ölçek mekanik bir test aracı kullanan mülkiyet ölçeklenebilirlik bilinmeyen kaldırır. Buna ek olarak, test Mikrogerilim nem ve test ortamının sıcaklık kontrolü sağlayan, test altındaki numune açık erişimi vardır. Ayrıca, hatta çevre kontrolü ile, bu ex vivo örnek kurutma. Sinir dokusundan örnek çıkardıktan sonra hızla çekme test başlamak için gerekli olan ve bu nedenle sertleşme, hızlı (genellikle içinde kolaylaştırmak test örneği ve Mikrogerilim test tasarımları ile burada minimize edilmiştir 120 sn) yükleme ve mekanik test başlangıcı. Son olarak, bu test Mikrogerilim biyolojik değerlendirmesi için olduğu gibi aynı şekilde, hayvanlara implante edilebilir mekanik testler için prob gibi numune kullanımının kolaylaştırılması, her iki ucunda da pedler yok örnekleri barındırmaktadır.
Malzemenin uyaranlara tepki davranışının tersine çevrilebilir olduğu için nöral doku test numunesinin kaldırılmasını açıklama yapıldı mekanik davranış değişikliklere yol açabilir, yeni bir ortam sunarnd potansiyel hızlı hareket. Belirli bir zaman süresi için, beyin içine örnek implantasyon sonrası mekanik davranış değişikliği değerlendirmek üzere bu çevreye kontrollü gerilme test yöntemi kullanıldığında, in vivo olarak bu gerçek Young modülü ile ilgili potansiyel farklılıkları dikkate alınmalıdır. İlk olarak, numuneler, ex vivo olarak test ederek, bu fizyolojik bir ortam çıkarıldı ve alternatif bir ortama maruz, tanımı gereği vardır. Çevre koşullarına bağlı olarak mekanik özellikleri olan bir örnek için, çevre örnek bir kaldırma mekanik özelliklerini değiştirecektir. Bu değişikliğin cereyan ettiği zaman ölçeği malzeme özellikleri, hem de dış çevreye sahip olduğu derecesine bağlıdır.
Karakterizasyonu ve uyaranlara duyarlı mekanik davranış ölçümü Bu yaklaşım iyi çok büyük bir uzunluğu, iğne gibi geometrileri ile örnekler için uygundurCihazın genişliği veya kalınlığından daha R. Cihaz boyutları seçerken Ayrıca, malzeme ve spesifik motor ve maksimum kuvvet sertliği göz önüne alınmalıdır. Numune boyutları, bir dizi göz önüne alındığında, daha sert malzemeden daha büyük bir çekme kuvveti kıyasla daha küçük bir Young modülü ile bir malzeme olarak suşu aynı miktarda uygulamak gerekir. Genişliğini ve / veya kalınlığını azaltmak, ya da örnek uzunluğu arttıkça, örnek, belirli bir miktar uzunlamasına için gereken kuvvet miktarını azaltır. Özel çekme testi kurulum için, doğrusal piezomotor en büyük çekme ulaşmadan 5% gergin gereken bir 24.000 mikron 2 kadar 5 GPa ve kesit alanı Young modülü ile örnekleri sağlar 6 N, en fazla çekme gücü vardır Motorun zorlar. Mikrogerilim test cihazı olan gücü ölçmek için kullanılan yük hücresi, en az 1 mN bir çözünürlüğe sahip olacak şekilde Çalışmada kullanılan örneklerde ölçülebilen en küçük Young modülü (genişliği 300mikron, kalınlığı 100 mikron) yaklaşık olarak 1 MPa. Bu alt sınır, daha fazla, ancak daha büyük bir enine kesit alanına sahip örneklerin kullanımı ile azaltılabilir. Yer değiştirme göstergesi için elastik bölgede daha bir emir-of-büyüklük küçük% 0.2 gerilme ile sınırlı elastik davranış (3 mm bir başlangıç uzunluğunda), ile malzemeler için yeterli 0.5 mikron, bir çözünürlüğe sahip PVAc- kuru halde bile NC.
Ex vivo olarak karakterizasyonu Bu yöntemin bir sınırlama çok sert ve kırılgan malzemeler için etkili olmayabilir olmasıdır. Örnek hızla Mikrogerilim test içine monte edilmelidir gibi pratik, konuşma, bir kırılgan malzeme, montaj işlem sırasında kırılma riski altındadır. Buna ek olarak, bir ucu ile kiriş benzeri örnekler (deneyler ile eşleşecek boyutlar ile) akrilik tutucu yapıştırılır ve kuvvet Samandan için gereken serbest diğer ucu yaklaşık 2.5 GPa olarak aşan maddeler için kullanılamazörnek kelepçeler ve tutarsız sonuçlar ile örnek kaymasını sonuçlanan yerinde örnek tutan kelepçeler kuvveti aşar. Bu sorun, her iki ucunda yastıkları ile dogbone şeklinde örneklerin kullanımı ile aşılmıştır. Mikropiliye in vivo mekanik davranış ölçümü ve analizi için bu yöntemin kullanımını Bu malzemelerin PVAc,-NC grubu ile sınırlı değildir. Diğer potansiyel uygulamalar biyolojik malzemelerin 22 degradasyon oranının izlenmesi ve mekanik-biyolojik dokuların 23,24 davranışı, hem de biyolojik olmayan uygulamalar için mikro yapıların karakterizasyonu karakterize içerir. Ayrıca, ek çevresel kontrol farklı uyarıcılara 25,26 duyarlı malzemeler için (örneğin, pH, ortam ışığı, elektrik alanı, manyetik alanın dalga boyu) ilave edilebilir. Bu yöntemin en önemli avantajlarından biri çok farklı malzemeler için çok yönlü ve uygulanabilirliği olanls ve uygulamaları.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Biz ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu çalışma hem laboratuvar start-up fonları (J. Capadona) ve Medtronic Yüksek Lisans Bursu (K. Potter) ile Case Western Reserve Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü tarafından desteklenmiştir. Bu araştırma ek finansman tarafından kısmen desteklenmiştir NSF hibe ECS-0621984 (C. Zorman), Kasa Mezunlar Derneği (C. Zorman), Bir Başarı Değerlendirme Ödülü (B7122R) ile Gazi İşleri Bakanlığı, hem de Gelişmiş Platform Teknoloji Merkezi (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 |
References
- 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).
- 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).
- Bai, Q. Single-unit neural recording with active microelectrode arrays. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 911 (2001).
- 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).
- Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. Polymers for neural implants. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49, 18-33 (2011).
- 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).
- 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).
- Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. Subbaroyan, J., Kipke, D. EMBS'06. 28th Annual International Conference of the IEEE, , IEEE. 3588-3591 (2006).
- 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).
- 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).
- Shanmuganathan, K., Capadona, J. R., Rowan, S. J., Weder, C. Stimuli-Responsive Mechanically Adaptive Polymer Nanocomposites. ACS Applied Materials & Interfaces. 2, 165-174 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shanmuganathan, K. Bio-inspired Stimuli-responsive Mechanically Dynamic Nanocomposites. , Case Western Reserve University. (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
- Stuart, M. A. C., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
