Summary
Werkwijze besproken waarbij de
Abstract
Implanteerbare microdevices worden steeds aanzienlijke aandacht voor verschillende biomedische toepassingen 1-4. Dergelijke apparaten zijn gemaakt van een waaier van materialen, elk met zijn eigen voordelen en tekortkomingen 5,6. Meest opvallend vanwege de afmetingen microschaal inrichting wordt een hoge modulus vereist implantatie in levend weefsel te vergemakkelijken. Omgekeerd moet de stijfheid van de inrichting aan de omringende weefsel geïnduceerde straindistributie 7-9 minimaliseren. Daarom hebben we onlangs een nieuwe klasse van bio-geïnspireerd materialen voldoen aan deze eisen door te reageren op prikkels uit de omgeving met een verandering in mechanische eigenschappen 10-14 ontwikkeld. Specifiek onze poly (vinylacetaat)-based nanocomposiet (PVAc-NC) toont een verlaging van de stijfheid bij blootstelling aan water en bij verhoogde temperatuur (bijvoorbeeld lichaamstemperatuur). Helaas, weinig methoden bestaan om de stijfheid van de materialen in vivo 15, en mech kwantificerennische testen buiten de fysiologische omgeving vereist vaak grote monsters ongeschikt voor implantatie. Verder kan stimuli-responsieve materialen snel terugkeren naar hun oorspronkelijke stijfheid na explantatie. Daarom hebben we een methode waarbij de mechanische eigenschappen van geïmplanteerde microsamples meetbaar ex vivo ontwikkeld met gesimuleerde fysiologische omstandigheden gehandhaafd met vocht en temperatuur 13,16,17.
Hiertoe werd een aangepaste microtensile tester ontworpen om microschaal monsters tegemoet 13,17 met sterk uiteenlopende elasticiteitsmoduli (bereik van 10 MPa tot 5 GPa). Als onze belangen zijn bij de toepassing van PVAc-NC als een biologisch-aanpasbaar neurale sonde substraat, een instrument waarmee de mechanische karakterisatie van monsters bij de microschaal noodzakelijk was. Deze tool is aangepast aan vochtigheid en temperatuur, welk monster geminimaliseerd drogen en koelen 17 verschaffen. Dientengevolge, de monteural kenmerken van de geëxplanteerde steekproef nauw overeen met die van het monster vlak voor explantatie.
Het algemene doel van deze methode is om kwantitatief vast in vivo mechanische eigenschappen, in het bijzonder de Young's modulus, van stimuli-responsieve, mechanisch-adaptieve polymeer gebaseerde materialen. Dit wordt bereikt door eerst de omgevingsomstandigheden die een wijziging in voorbeeld mechanische eigenschappen na explantatie minimaliseert zonder bij te dragen aan een vermindering van stijfheid onafhankelijk van die welke uit de implantatie. Monsters worden vervolgens bereid voor implantatie, behandeling, en testen (Figuur 1A). Elk monster wordt geïmplanteerd in de cerebrale cortex van ratten, die hier wordt voorgesteld als een geëxplanteerd hersenen van de rat, en voor een bepaalde duur (Figuur 1B). Op dit punt wordt het monster geëxplanteerd en onmiddellijk geladen in de microtensile tester, en daarna onderworpen aan trekproeven (figuur1C). Latere data-analyse geeft inzicht in het gedrag van die innovatieve materialen in de omgeving van de cerebrale cortex.
Protocol
1. Monstervoorbereiding
- Bereid PVAc-NC film dikte in het traject van 25-100 urn met een oplossing casting en compressietechniek 10-12.
- Zich film een silicium wafer door verhitting op een hete plaat gedurende twee minuten bij 70 ° C (boven de glasovergangstemperatuur) om grondig contact tussen de film en de wafer promoten. Deze stap zorgt ervoor dat de bereide film blijft vlak en vast aan de Si wafer, die noodzakelijk zijn voor vlakke micromachining processen is.
- Patroon van de film in het proefmonster geometrieën met behulp van laser-micromachining (VLS 3.50, VersaLASER). Stel de CO 2 direct-write laser micromachining parameters tot 1,0% vermogen (0,5 W), 4,0% snelheid (56 mm / s), en 1000 pulsen per inch 13,16.
- Patroon monsters die zullen worden gebruikt om de milieu-omstandigheden ("setup samples") vast te stellen in dogbone-vormige structuren met laterale pad afmetingen 1.5 x 1.5 mm 2, en laterale bundel dimensions 300 x 3000 pm 2, met een dikte die overeenstemt met die van de gehele film (figuur 2).
- Patroon de monsters voor ex vivo experimenten ("implant sample") in bundels 300 urn x 6 mm, met een dikte die overeenstemt met die van de film.
- Laat de monsters voorzichtig uit de wafer met een scheermesje en pincet.
- Voor de omgang met monsters, voorbereiden op maat gefreesd acryl houders ontworpen om te dienen als onderdeel van de grip systeem in de microtensile tester. Lasergeëtste markeringen tonen de middellijn van de houder en 1,5 mm van het einde. Plaats een kleine hoeveelheid gel cyanoacrylaat gebaseerde lijm op de hartlijn van de acryl houder en precies houdt een mm lengte van het implantaat 1,5 monster aan de houder en overlappen de gemarkeerde middellijn (figuur 3). Elk implantaat monster vereist een acryl houder. Wees voorzichtig om ervoor te zorgen dat de lijm gel blijft alleen langs de mm lengte van PVAc-NC 1.5 wordt vastgehouden aan de ACRylic houder. Anders kan de lijm gel interfereren met de mechanische eigenschappen van het monster.
- Verwijder vocht uit alle monsters door ze in een exsiccator gedurende tenminste 24 uur.
- Meet de lengte, breedte en dikte afmetingen van de monsters met behulp van een optische microscoop.
2. Vast te stellen aan de omgeving
- Laad een droge setup monster in de microtensile tester (zie figuur 4), eerste klemmen tussen de mobiele grepen, dan tussen de vaste grepen.
- Monteer een air brush met water gevulde reservoir in een vaste positie met het mondstuk gericht naar de microtensile monster. Sluit de lucht borstel om een luchtcompressor via plastic buizen. Met de air brush nozzle volledig gesloten, zet de luchtcompressor.
- Begin cyclische microtensile testprocedure, afwisselend rek (positieve stam) en stuik (negatieve spanning) toegepast op de tHij monster, steeds binnen de lineaire elastische gebied van het spannings-rek plot. Voor PVAc-NC, wordt de aangebrachte spanning beperkt tot minder dan 2%. In de aangepaste microtensile tester gebruikt in deze experimenten werd de reksnelheid geregeld terwijl de vereiste kracht om die stam te bereiken gemeten. Als alternatief zou een andere opzet omvatten het regelen van de uitgeoefende kracht tijdens het meten van de gevormde stam.
- Geleidelijk verhogen van de doorstroming van de lucht borstel mondstuk, en toezicht houden op de helling van de spanning-rek plot als functie van de hoeveelheid stroom uit de air brush. De maximale stroom die niet leidt tot een significante (> 10%) verlaging van Young's modulus gedurende 60 seconden is het niveau dat zal worden gebruikt voor de ex vivo experimenten. Op dit punt, de vochtigheid die niet nat droge monster (en zo bijdragen tot een vermindering van Young's modulus) en zal ook het minimaliseren monster drogen na blootstelling aan biologische vloeistoffen in vivo zijn esta geweestdumping is vastgesteld.
- Meet de temperatuur in de buurt van het monster. Een ideale setup zou omvatten een thermokoppel met digitale uitlezing, en worden uitgevoerd terwijl de airbrush werkt. Stel de intensiteit en afstand van de stralende warmtebron zodanig dat de monstertemperatuur wordt gehouden tot 37 ° C, om fysiologische omstandigheden passen.
3. Vergelijk Environmental Control aan Non-Environmental Control
- Dompel opstart monsters gedurende ten minste 30 minuten in met fosfaat gebufferde zoutoplossing. Na deze tijd wordt het monster volledig verzadigd en is gereduceerd tot zijn minimum Young's modulus bij een gegeven temperatuur.
- Snel een monster laden in de microtensile tester en beginnen cyclische microtensile testen, met de air brush uit, terwijl het monster droogt. Dit zal bepalen hoe snel het monster droogt onder niet-gecontroleerde omstandigheden.
- Laad een tweede PBS-verzadigde setup monster in de microtensile tester, en beginnen cyclische microtensile testenmet de air brush op. Deze bepaalt hoe snel het monster droogt onder gecontroleerde omgevingsomstandigheden.
4. Probe Implantatie en Explantatie
- Hechten implantaat monster op een micromanipulator klem en positie loodrecht op de corticale weefsel.
- Voorafgaand aan het inbrengen, houden weefsel voldoende vochtig met een zoutoplossing om de homogeniteit van weefselmechanica garanderen.
- Verlaag het polymeer monster in de cortex met behulp van de micromanipulator handbediening. Vertrekken monster in corticale weefsel totdat het doel implantaat tijd, in het algemeen tussen 1 en 30 minuten. Om weefsel uitdroogt voor tijdstippen dan 5 min, lichtjes deppen het weefsel om de 5 min met behulp van een zoutoplossing gedrenkte wattenstaafje.
- Terwijl de sonde wordt geïmplanteerd in de cortex, de voorbereiding van de microtensile tester voor het laden van de momenteel geïmplanteerd monster door het instellen van de aandrijfstang naar de nul-verplaatsingspositie van 3,0 mm van de stationaire monster klem. Stel bovendien de air brush nozzleom de stroom instelling en de stralende warmtebron om de juiste intensiteit te bepalen in stap 2.4.
- Aan het einde van de gespecificeerde implantaat tijd, verhogen van de sonde uit de cortex met behulp van de micromanipulator handbediening. Onmiddellijk en voorzichtig testitem van de micromanipulator klem laden in de microtensile tester, zoals in meer detail beschreven in stap 5.2.
5. Microtensile Testen van Implant Monsters
- Om na explantatie opslaat, moet de tester microtensile volledig klaar om het implantaat monster vóór implantatie accepteren, zoals beschreven in stap 4.4.
- Onmiddellijk na explantatie, laadt het monster tussen de twee sets microtensile tester klemmen. Omdat de steekproef is gemonteerd op een acryl houder ontworpen om te dienen als de bovenste helft van een klem, plaatst het implantaat monster montage op de mobiele grip, monster naar beneden. Het is belangrijk dat het monster wordt aangebracht dat stam applied alleen langs de lengte van de probe te voorkomen dat er torsie op het monster tijdens de test. Als zodanig moet het monster worden aangebracht op het midden van elke klem, en de klemmen moet vlak liggen ten opzichte van elkaar.
- Stel het monster zodanig dat de afstand tussen de klemmen is 3,0 mm, en het uiteinde van de sonde wordt in de vaste klem. Deze lengte 3,0 mm tussen klemmen is de lengte tussen het monster en worden gebruikt in latere berekeningen om de druk op het monster.
- Onmiddellijk na het beveiligen van het monster tussen twee klemmen en binnen 2 min explantatie van neuraal weefsel, activeert de motor in de trekrichting van de langwerpige monster met een constante snelheid (10 um / sec hier gebruikt), terwijl gelijktijdig meten en registreren van de rek van het monster (met een verplaatsing indicator, Mitutoyu 543-561) en bijbehorende kracht (met een load cell, Transducer Techniques MDB-2.5) nodig om het monster stam.
- Herhaal microtensile testen voor elk monster en / of elke reeks zijn uitgevoerd (inbrengtijd).
6. Data Analysis
- De ruwe data rek de ingenieursnotatie stam door het afstand rek van de oorspronkelijke meetlengte, zoals beschreven in Vergelijking 1, waarbij ε wordt de aangebrachte spanning, t de tijd toegepast op het implantaat monster, d de verplaatsing gemeten door de micrometer indicator en L 0 is de aanvankelijke lengte van het monster:
(1) - De ruwe kracht gegevens aan de techniek spanning op het monster om te zetten door het verdelen van de kracht (in Newton), door de transverse doorsnede, zoals in Vergelijking 2:
(2)
waarin σ de spanning op het monster, F de kracht gemeten door de load cell (in Newton), w 0 is de oorspronkelijke dikte van het monster, en t 0 is de initiële dikte van het monster. - Zet de spanning (σ [t]) tegen stam (ε [t]) curve voor elk monster met een computerprogramma, zoals Microsoft Excel.
- Isoleer de lineaire elastische gedeelte van het perceel en het gebruik van software-gebaseerde curve fitting gereedschap om de beste pasvorm lijn om dit gedeelte te vinden. De helling van de best passende lijn komt overeen met de Young's modulus van het monster. Het geïsoleerde gedeelte van de curve moet ten minste 10 spannings-/rekdiagrammen punten, en moet worden genomen van het deel van het perceel waarin de helling het grootst.
- Voor cyclische testen wordt de Young's modulus moeten worden voor elke cyclus. Dit kan worden geautomatiseerd of handmatig uitgevoerd.
- Voor de cyclische test, plot van de Young's modulus van elke cyclus versus tijd. Dit geeft aan hoe de gemeten modulus tijd verandert, wat wijst op hoe snel een setup monster nat of droog.
- Voor monsters implantaat elk monster en de tijd van het implantaat komt overeen met een cyclus van het cyclisch testen. Meet de Young's modulus volgens de hierboven beschreven voor elk monster implantatie procedure.
- Plot de Young's modulus versus implantaat tijd. Op dit punt kunnen vergelijkingen worden gemaakt benchtop onderzoeken, enz.
(1) 
(2) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De mechanische eigenschappen van bijna alle polymere materialen, waaronder onze PVAc-NC, afhankelijk bij blootstelling aan omgevingsomstandigheden. Het meest opvallend is, deze omvatten de blootstelling aan hitte en vocht. Wanneer een materiaal wordt weekgemaakt door vochtopname of ondergaat een thermische overgang, wordt een vermindering van Young's modulus. Bij het bereiden van de vocht-en temperatuur-gecontroleerde omgeving voor ex vivo monster mechanische karakterisatie, is het belangrijk dat er minimale veranderingen van het vochtgehalte van het monster tijdens het laden van het monster in de microtensile tester, alsmede bij mechanische testen. Dit wordt geëvalueerd met de knop opstart monster experimenten zodat het monster niet wordt beïnvloed door het vocht dat door de air brush, noch snel drogen in de externe omgeving. Figuur 5 toont een voorbeeld plot tonen het mechanische gedrag van een droge setup monster tijdens cyclical trekproeven voor een passende luchtvochtigheid instelling borstel. Wijzigingen in Young's modulus terwijl de airbrush wordt ingeschakeld minimaal. Dit is belangrijk omdat de externe omgeving niet moeten bijdragen aan een verlaging of verhoging van de stijfheid. Wanneer de stroming van de lucht borstel te hoog is ingesteld, zal de Young's modulus van de steekproef significante daling binnen ca. 60 sec.
Controle over de mechanische testomgeving kan er ook voor zorgen dat de materialen niet voortijdig uitdrogen. Bijvoorbeeld, het gebruik van onze vochtigheid gecontroleerde omgeving, duurt het langer voor geëxplanteerde monster te drogen en herstellen de pre-implantatie mechanische eigenschappen. Figuur 6 toont het drooggedrag van twee-opstelling monsters doorweekt verzadiging daarna onderworpen aan cyclische treksterkte testen onder zowel gecontroleerde als niet-gecontroleerde omgevingsomstandigheden. Onder een niet-gecontroleerde omgeving, de monsters te herstellen van een Young's modulusmeer dan 400 MPa in de 150 seconden waarbij het monster in de microtensile tester werd geladen. Modulus stijging van 20-40 maal die van een verzadigde monster Dit Young's gevolg van de snelle droging van het monster 13. Onder milieu-controle, wordt een aanzienlijke toename van de Young's modulus niet gemeten tot 240 seconden na verwijdering van het dompelbad. Deze periode is voldoende om de beide aan het monster en het uitvoeren van de voldoende mechanische testen extractie van de Young's modulus mogelijk.
Het ontwerp van het implantaat monsters voor ex vivo tests (figuur 3) omvat de behandeling van een aantal factoren. Ten eerste, de monsters moeten worden geïmplanteerd in het weefsel van belang, die de cerebrale cortex in dit onderzoek. Als gevolg hiervan, moet de steekproef hebben een naald-geïnspireerde geometrie, die wordt vertegenwoordigd door de smalle PVAc-NC beam. Bovendien moet het monster ontworpen met betrekking tot de vereiste kracht penetrate het weefsel van belang zonder knikken. Euler knik formule houdt rekening met de Young's modulus van het materiaal, en de lengte, breedte en dikte van de bundel een kritische kracht waarmee een balkvormige probe wordt verwacht knikken 17 verschaffen. In deze studie werden de grootste breedte zodanig gekozen dat de sonde door het neurale weefsel zou doordringen zonder gevaar voor knikken. Gezien eerdere studies die een insertie kracht van minder dan 15 mN, een gekozen probe lengte van 4,5 mm tot 3 mm beproevingsbalk en een mm lengte 1.5 voor het grijpen toelaten, en een bekende film dikte van meer dan 75 micrometer, kunnen we berekenen dat de sonde breedte moet 107 urn overschrijdt. Om maximale herhaalbaarheid de laser micromachining gereedschap waarborgen, had een breedte van 300 urn gekozen voor de monsters. Een extra punt van zorg is de behandeling van de microprobe monster tijdens het inbrengen in het weefsel en verwijdering uit het weefsel. Als een eenvoudige balk tijdens behandeling kan worden beschadigd, het bevestigen van de beam tot een meer substantiële structuur (dwz de acryl houder) maakt veiliger transfer naar implantatie en mechanische testen. Tenslotte moet deze samenstel worden geoptimaliseerd om zo snel mogelijk vullen van de trekbank.
Een representatieve grafiek die de spanning-rek kromme van een monster droge en een natte sample die geïmplanteerd waren in de rat cortex gedurende 30 minuten wordt in figuur 7. De elasticiteitsmodulus, die overeenkomt met de helling van de spanning-rek grafiek in het lineaire elastische gebied, is duidelijk veel groter voor de droge monster dan het geïmplanteerde monster. Beide monsters werden gespannen te breken. Echter, de Young's modulus afgeleid van het lineaire elastische deel van het perceel dat begin de trekproef wordt verzameld, voordat plastische vervorming en falend monster, zoals getoond in figuur 8. Figuur 9 toont dat na ongeveer 5 min van implantatie, de monster disspeelt weinig verandering in de Young's modulus, wat suggereert dat het monster bereikt verzadiging en minimale stijfheid binnen deze periode.
Figuur 1. Schematisch overzicht van de experimentele methode voor het karakteriseren vivo mechanisch gedrag van stimuli-responsieve, mechanisch adaptieve polymeer nanocomposiet microprobe. (A) Ten eerste wordt het monster bereid door het patroon PVAc-NC film in een bundel en montage op een acryl houder. (B) De sonde wordt vervolgens geïmplanteerd in de hersenschors voor een bepaalde periode van tijd. (C) Ten slotte wordt het monster geëxplanteerd en onderworpen aan microtensile testen met behulp van een custom-built microtensile tester.
Figuur 2. Laser-micromachined PVAc-NC setup steekproef voor het vaststellen van noodzakelijke omgevingsomstandigheden voor het behoud van de in vivo mechanisch gedrag van de PVAc-NC implantaat monsters na explantatie.
Figuur 3. Foto implantaat monster, bestaande uit een laser-patroon PVAc-NC balk gemonteerd op een acryl houder.
Figuur 4. Blokschema van de microtensile tester. Het monster wordt tussen een vaste klem en een mobiele klem die is bevestigd aan de aandrijfstang van de lineaire piezomotor. De reksnelheid van de lineaire piezomotor wordt gecontroleerd en de spanning wordt gemeten met de verplaatsing indicator. De belasting die nodig is om het monster stam is mijasured door een meetcel. De milieuomstandigheden in de nabijheid van het monster gecontroleerd door een air brush en een warmtelamp.
Figuur 5. Young's modulus (E) als functie van de tijd, zoals gemeten tijdens cyclische trekproeven op de juiste lucht penseelinstellingen voor het regelen van het vocht in de testomgeving bepalen. Het gearceerde gebied is de tijd gedurende welke de verfspuit was ingeschakeld. Aan de lucht penseelinstellingen, controleert de elasticiteitsmodulus niet significant de tijd veranderen, wat suggereert dat de hoeveelheid water geabsorbeerd door het monster van de setup airbrush niet voldoende bijdragen tot een vermindering van de stijfheid.
Figuur 6. Young's modulus (E) versus tijd voor water-saturated monsters in zowel vocht gecontroleerde en niet-gecontroleerde trekproeven omgevingen. Het herstel van de oorspronkelijke Young's modulus is veel trager in de gecontroleerde omgeving.
Figuur 7. Voorbeeld van stress-strain percelen voor PVAc-NC monsters die droog (nooit geïmplanteerd) en natte (ex vivo, explanted van weefsel na 30 min in vivo) waren.
Figuur 8. Extra set van stress-strain percelen aan te tonen dat de lineaire elastische gedeelte van het perceel is geïsoleerd van de totale spanning-rek perceel (links), en geëxtraheerd en geschikt om een lijn (rechts). Voor deze specifieke meting, van de Young'smodulus is 16,8 MPa. Klik hier om een grotere afbeelding te bekijken .
Figuur 9. Young's modulus, E, implantaat versus tijd voor PVAc-NC monsters geïmplanteerd in cortex. De foutbalken standaardfout met n = 4, met uitzondering van de 5 min implantaat, met n = 2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De vooruitgang van de biomedische implanteerbare micro-elektromechanische systemen (bioMEMS) voor interactie met biologische systemen is het motiveren van de ontwikkeling van nieuwe materialen met hoog-op maat gemaakte eigenschappen. Sommige van deze materialen zijn ontworpen om een verandering in materiaaleigenschappen vertonen in reactie op een stimulus in de fysiologische omgeving. Een recent ontwikkelde klasse van materialen aan de aanwezigheid van waterstofbruggen vormende vloeistoffen (bijv. water) en verhoogde temperaturen de Young's modulus, een maat voor de stijfheid materiaal, verminderen drie ordes van grootte 10,11,18. Deze polymeer nanocomposietmaterialen hebben een zachte polymeer matrix (dwz poly (vinylacetaat)) met cellulose nanovezels als de nanovullerdeeltjes fase. Interacties tussen de cellulose nanovezels bepalen de mechanische eigenschappen van het materiaal als geheel, en zijn ingeschakeld "aan" als het droog en draaide "off" als het nat is. Bovendien, water plasticizes het polymeer nanocomposite, waardoor de glasovergangstemperatuur verminderen tot beneden lichaamstemperatuur (37 ° C), waardoor een verdere vermindering in de elasticiteitsmodulus. Een toepassing voor deze klasse van materialen om te dienen als een bio-adaptieve substraat voor intracortical probes interfacing met individuele neuronen 13,17. Echter, de voordelen van een mechanisch adaptieve materiaal niet beperkt tot koppeling met het zenuwstelsel.
Hier voorgesteld is een methode waarbij het mechanisch gedrag van PVAc-NC-based microsondes kunnen worden beoordeeld na implantatie in neuraal weefsel voor een bepaalde tijd. Met deze methode kan ex vivo mechanische gegevens worden verzameld voor vergelijking benchtop studies. Verder kan de tijdschaal van veranderingen in mechanische eigenschappen worden beoordeeld. De milieu-controle mogelijk gemaakt door de zeer afstembare air brush en stralingswarmte instellingen voorziet in een mechanisme waarmee de geïmplanteerde monsters kunnen worden getest ex vivo met minimal verandering in de mechanische eigenschappen als gevolg van de verandering in de omgeving. Als zodanig kan het in vivo gedrag van het materiaal worden afgeleid, superieure informatie vergeleken stationaire experimenten met monsters volledig ondergedompeld in kunstmatige cerebrospinale vloeistof (ACSF). De complexe fysiologische omgeving vraagt de beschikbaarheid van dergelijke methoden, maar experimentele methoden voor deze beoordeling zijn beperkt.
Er zijn verschillende voordelen aan onze methode voor mechanische karakterisering van geïmplanteerde, mechanisch-adaptieve polymeer nanocomposiet monsters. De aangepaste microtensile tester is geschikt voor het testen van monsters met afmetingen vergelijkbaar met een typische neurale sonde (1,5-8 mm lang, 50-500 micrometer-brede, 15-100 urn dikke 3,19-21). Andere mechanische karakterisatie methoden zijn geschikt voor zowel grotere, bulksteekproeven of nanoschaal monsters. Met behulp van een mechanische testen instrument van de juiste schaal verwijdert de onbekende van het pand schaalbaarheid. Bovendien, de microtensile tester open toegang tot het te onderzoeken monster, waardoor vocht en temperatuur van de testomgeving. Verder, zelfs milieubeheer, is het noodzakelijk om treksterktebeproeving begint snel na het verwijderen van het monster van het neurale weefsel. Ex vivo monster drogen, en dus stijf is hier geminimaliseerd via proefmonster microtensile tester ontwerpen die snel mogelijk (meestal binnen 120 sec) laden en aanvang van mechanische testen. Ten slotte is dit microtensile tester ontvangt monsters die geen pads hebben aan beide einden, vergemakkelijkt het gebruik van probe-achtige monsters voor mechanische testen die in dieren op identieke wijze kan worden geïmplanteerd voor biologische evaluatie.
Verwijdering van het testmonster van het neurale weefsel presenteert een nieuwe omgeving, wat kan leiden tot veranderingen in mechanische eigenschappen na uitname omdat de stimuli-responsieve gedrag van het materiaal is een omkeerbaarnd potentieel snelwerkende. Bij gebruik van deze milieuvriendelijke gecontroleerde treksterkte testmethode om de verandering in mechanische eigenschappen na implantatie monster beoordelen in de hersenen gedurende een bepaalde tijdsperiode, dient de mogelijke afwijkingen ten opzichte van die werkelijke Young modulus in vivo beschouwd. Eerste, door het testen van de monsters ex vivo, zijn ze per definitie uit het fysiologische omgeving en aan een andere omgeving. Voor een monster met mechanische eigenschappen afhankelijk van de omstandigheden, zal het verwijderen van een monster uit de omgeving veranderen de mechanische eigenschappen. De tijdschaal waarmee deze verandering optreedt hangt af van de materiaaleigenschappen, alsook de mate waarin de externe omgeving wordt gecontroleerd.
Deze benadering van karakterisering en kwantificering van stimuli-responsieve mechanisch gedrag is het meest geschikt voor monsters met naaldachtige geometrieën met een lengte veel groter is dan de breedte of dikte van de inrichting. Daarnaast moet de stijfheid van het materiaal en de specifieke motor en de maximale kracht worden overwogen bij het kiezen apparaatafmetingen. Gegeven een stel monsterafmetingen zal een stijver materiaal vereisen een grotere trek-kracht dezelfde hoeveelheid spanning als materiaal toegepast met een modulus van Young kleiner. Vermindering van de breedte en / of dikte of het vergroten van de sample lengte wordt de hoeveelheid kracht vereist om het monster een bepaalde hoeveelheid langwerpige verminderen. Voor de aangepaste treksterkte meetopstelling, de lineaire piezomotor een maximale trekkracht van 6 N, waardoor voor monsters van Young's modulus van 5 GPa en doorsnede tot 24.000 um 2 5% worden gespannen maar beneden de maximale trekkracht kracht van de motor. De meetcel wordt gebruikt om de kracht in de microtensile tester meet heeft een resolutie van minder dan 1 mN, zodat de kleinste elasticiteitsmodulus die kunnen worden gemeten in de monsters die in deze studie (breedte 300um, dikte 100 micrometer) ongeveer 1 MPa. Deze ondergrens kan verder worden gereduceerd met gebruik van monsters met grotere doorsnede, echter. De verplaatsing indicator een resolutie van 0,5 urn, die voldoende is voor het met elastische gedrag beperkt tot 0,2% rek (bij een initiële lengte van 3 mm), dat een orde van grootte kleiner dan de elastische regio PVAc- NC zelfs in droge toestand.
Een beperking van deze werkwijze ex vivo karakterisering is dat het niet effectief is voor zeer stijve of brosse materialen kunnen. Praktisch gesproken, zoals het monster snel moet worden gemonteerd in de microtensile tester, een bros materiaal is het risico van het breken bij de montage. Bovendien, het balkvormige monsters (met afmetingen die overeenstemmen van onze experimenten) met een einde gehecht aan de acryl houder en het andere uiteinde vrij kan niet worden gebruikt voor materialen dan ongeveer 2,5 GPa en de vereiste kracht strain het monster meer dan de kracht van de klemmen die de monster plaats, waardoor slippen van het monster door de klemmen en onnauwkeurige resultaten. Dit probleem werd overwonnen door het gebruik van dogbone-vormige monsters met elektroden aan elk uiteinde. Dit gebruik van deze methode voor het meten en analyseren van het in vivo gedrag van mechanische microprobes is niet beperkt tot de PVAc-NC klasse materialen. Bijkomende mogelijke toepassingen omvatten controle op de afbraaksnelheid van biologisch afbreekbare materialen 22 en karakteriseren van het mechanisch gedrag van biologisch weefsel 23.24, alsmede karakterisatie van microscopische structuren voor niet-biologische toepassingen. Verder kan extra milieucontroles worden toegevoegd (bv. pH, golflengte van het omgevingslicht, elektrisch veld, magnetisch veld) voor materialen die reageren op verschillende stimuli 25,26. Een van de belangrijkste voordelen van deze methode is de veelzijdigheid en toepasbaarheid op verschillende materials en toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Wij hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de faculteit Biomedische Technologie aan de Case Western Reserve University via zowel lab start-up middelen (J. Capadona), en de Medtronic Graduate Fellowship (K. Potter). Aanvullende financiering op dit onderzoek werd mede ondersteund door NSF subsidie ECS-0621984 (C. Zorman), de zaak Association Alumni (C. Zorman), het Department of Veterans Affairs via een Merit Award Beoordeling (B7122R), alsmede de geavanceerde Platform Technology Center (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).
