Summary
Se discute un método por el cual la
Abstract
Micro dispositivos implantables están ganando mucha atención por varias aplicaciones biomédicas 1-4. Estos dispositivos se han realizado a partir de una variedad de materiales, cada uno con sus propias ventajas y desventajas 5,6. Lo más prominente, debido a las dimensiones del dispositivo a microescala, se requiere un alto módulo para facilitar la implantación en tejido vivo. Por el contrario, la rigidez del dispositivo debe coincidir con el tejido circundante para minimizar la tensión local, inducida por 7-9. Por lo tanto, hemos desarrollado recientemente una nueva clase de materiales bio-inspirados para cumplir con estos requisitos, respondiendo a los estímulos ambientales con un cambio en las propiedades mecánicas 10-14. Específicamente, nuestra nanocompuesto de poli (acetato de vinilo) basado en (PVAc-NC) muestra una reducción en la rigidez cuando se expone al agua y temperaturas elevadas (por ejemplo, la temperatura corporal). Desafortunadamente, existen pocos métodos para cuantificar la rigidez de los materiales in vivo 15, y mechpruebas mecánicos fuera del entorno fisiológico a menudo requiere grandes muestras no apropiado para la implantación. Además, los materiales que responden a estímulos pueden recuperar rápidamente su rigidez inicial después de la explantación. Por lo tanto, hemos desarrollado un método por el cual las propiedades mecánicas de micromuestras implantados se pueden medir ex vivo, con las condiciones fisiológicas simuladas mantienen utilizando la humedad y el control de la temperatura 13,16,17.
Para este fin, un comprobador de microtensión costumbre fue diseñado para dar cabida a muestras microescala con 13,17 ampliamente variables en módulos de Young (rango de 10 MPa a 5 GPa). Como nuestros intereses son en la aplicación de PVAc-NC como una sonda de sustrato neuronal biológicamente-adaptable, una herramienta capaz de caracterización mecánica de las muestras en la microescala era necesario. Esta herramienta se adapta para proporcionar control de humedad y temperatura, que reduce al mínimo de la muestra de secado y enfriamiento 17. Como resultado, el mecánicoal características de la muestra explantado reflejan estrechamente las de la muestra justo antes de la explantación.
El objetivo general de este método es evaluar cuantitativamente las propiedades mecánicas in vivo, en concreto el módulo de Young, de materia estímulos-respuesta, mecánica adaptable a base de polímeros en. Esto se logra mediante el establecimiento de primero las condiciones ambientales que reduzcan al mínimo un cambio en las propiedades mecánicas de muestras después de la explantación sin contribuir a una reducción en la rigidez independiente de la que resulta de la implantación. Las muestras se prepararon a continuación para la implantación, la manipulación, y las pruebas (Figura 1A). Cada muestra se implanta en la corteza cerebral de ratas, que está representado aquí como un cerebro de rata explantado, durante un tiempo especificado (Figura 1B). En este punto, la muestra se explantados y se carga inmediatamente en el probador microtracción, y después se sometió a ensayos de tracción (figura1C). El análisis posterior de los datos nos permite conocer el comportamiento mecánico de estos materiales innovadores en el ámbito de la corteza cerebral.
Protocol
1. Preparación de la muestra
- Preparar película PVAc-NC de espesor en el intervalo de 25-100 micras utilizando una solución de colada y de la técnica de compresión 10-12.
- Se adhieren a la película de una oblea de silicio por calentamiento en una placa caliente durante dos minutos a 70 ° C (por encima de la temperatura de transición vítrea) para promover el contacto íntimo entre la película y la oblea. Este paso asegura que la película preparada permanece plana y fija a la oblea de Si, que es necesaria para los procesos de micromecanizado planas.
- Modelo de la película en la muestra de ensayo geometrías por láser micromecanizado (VLS 3.50, VersaLASER). Ajuste los 2 parámetros de micromecanizado láser escritura directa de CO a 1,0% de potencia (0,5 W), velocidad de 4,0% (56 mm / s), y 1.000 pulsos por pulgada 13,16.
- Muestras patrón que se utilizarán para establecer las condiciones ambientales ("muestras de configuración") en estructuras en forma de hueso de perro con las dimensiones almohadilla lateral 1.5 x 1.5 mm 2, y la viga lateral tenueensiones 300 x 3,000 m 2, que se combina con un espesor que el de la película a lo largo de (Figura 2).
- Modelo de las muestras para los experimentos ex vivo ("muestra de implante") en vigas de 300 micras x 6 mm, con un espesor equivalente a la de la película.
- Liberar cuidadosamente las muestras de la oblea usando una cuchilla de afeitar y pinzas.
- Para la manipulación de la muestra, preparar a los propietarios de acrílico de encargo-mecanizadas diseñados para servir como parte del sistema de agarre en el probador de microtensión. Marcas grabadas con láser muestran la central del soporte y 1,5 mm desde el extremo. Colocar una pequeña cantidad de adhesivo de cianoacrilato a base de gel en la línea central del soporte de acrílico y adherirse cuidadosamente una longitud de 1,5 mm de la muestra de implante para el soporte y la superposición de la línea central marcada (Figura 3). Cada muestra de implante requiere de un soporte de acrílico. Tenga cuidado para asegurar que el gel adhesivo permanece sólo a lo largo de la longitud de 1,5 mm de PVAc-NC está adherido a la acrtitular ylic. De lo contrario, el gel adhesivo puede interferir con el comportamiento mecánico de la muestra.
- Retire la humedad de todas las muestras mediante la colocación de ellos en un desecador durante al menos 24 horas.
- Medir la longitud, anchura, espesor y dimensiones de las muestras usando un microscopio óptico.
2. Establecer las condiciones ambientales
- Cargar una muestra seca de configuración en el probador microtracción (véase la Figura 4), primero de sujeción entre las mordazas móviles, a continuación, entre las mordazas fijas.
- Montar un cepillo de aire con un depósito lleno de agua en una posición fija, con la boquilla dirigida hacia la muestra microtensión. Conectar el cepillo de aire de un compresor de aire a través de tubos de plástico. Con la boquilla de cepillo de aire completamente cerrada, encienda el compresor de aire.
- Comience procedimiento de prueba microtensión cíclico, alternando entre el esfuerzo de tracción (tensión positiva) y la tensión a la compresión (presión negativa) aplicada a tque muestra, permaneciendo dentro de la región elástica lineal de la trama de tensión-deformación. Para PVAc-NC, la deformación aplicada está limitada a menos de 2%. En el probador microtensión personalizado utilizado en estos experimentos, la velocidad de deformación se controla mientras se midió la fuerza requerida para lograr que la cepa. Alternativamente, una configuración diferente podría implicar el control de la fuerza aplicada mientras que la medición de la tensión resultante.
- Poco a poco aumentar el flujo de la boquilla de cepillo de aire, y vigilar la pendiente de la gráfica de tensión-deformación como una función de la cantidad de flujo desde el cepillo de aire. El caudal máximo que no causa una reducción significativa (> 10%) en el módulo de Young en un período de 60 segundos es el nivel que se utilizará para los experimentos ex vivo. En este punto, las condiciones de humedad que no mojar una muestra seca (y por lo tanto contribuir a una reducción en el módulo de Young), y también minimizar el secado de la muestra después de ser expuesto a los fluidos biológicos in vivo han sido thisblecido.
- Medir la temperatura cerca de la muestra. Un ajuste ideal sería incluir un termopar con lectura digital, y se realiza mientras el aerógrafo está funcionando. Ajuste de la intensidad y la distancia de la fuente de calor radiante de modo que la temperatura de la muestra se mantiene a 37 ° C, para que coincida con las condiciones fisiológicas.
3. Comparación de Control Ambiental para el Control No ambiental
- Muestras por instalación inmersión durante al menos 30 min en tampón fosfato salino. Después de este período de tiempo, la muestra está completamente saturada y se ha reducido al mínimo su módulo de Young a una temperatura dada.
- Cargar rápidamente una muestra en el probador microtensión e iniciar las pruebas microtensión cíclica, con el pincel de aire, mientras se seca la muestra. Esto determinará la rapidez con que se seque la muestra en condiciones no controladas.
- Cargue una segunda muestra de configuración PBS-saturada en el probador microtensión, e iniciar las pruebas microtensión cíclicacon el pincel de aire en. Esto determinará la rapidez con que se seque la muestra en condiciones ambientales controladas.
4. La implantación de sondas y explantación
- Adjuntar muestra de implante a una abrazadera micromanipulador y la posición ortogonal con respecto al tejido cortical.
- Antes de la inserción, mantener el tejido suficientemente húmeda con solución salina para asegurar la homogeneidad de la mecánica del tejido.
- Baje la muestra de polímero en la corteza utilizando los controles manuales micromanipulador. Agregar muestra en tejido cortical hasta que el tiempo de implante objetivo, generalmente entre 1 y 30 min. Para evitar que el tejido se seque por momentos durante 5 minutos, pase suavemente el tejido cada 5 minutos con un algodón embebido en solución salina.
- Mientras que la sonda se implanta en la corteza, preparar el probador de microtracción para la carga de la muestra actualmente implantado mediante el establecimiento de la varilla de accionamiento a la posición de desplazamiento cero de 3,0 mm a partir de la abrazadera de la muestra estacionaria. Además, ponga la boquilla de cepillo de airepara el ajuste del caudal y la fuente de calor radiante a la intensidad adecuada determinar en el paso 2.4.
- Al final del tiempo de implante especificado, elevar la sonda de la corteza utilizando los controles manuales micromanipulador. Inmediatamente, y con cuidado, retire la muestra de la abrazadera micromanipulador y cargar en el probador de microtracción, como se describe en más detalle en el Paso 5.2.
5. Pruebas Microtracción de muestras de implantes
- Para ahorrar tiempo después de la explantación, asegúrese de que el probador de microtensión está completamente listo para aceptar la muestra de implante antes de la implantación, tal como se describe en el paso 4.4.
- Inmediatamente después de la explantación, cargar la muestra entre los dos conjuntos de abrazaderas probador microtracción. Dado que la muestra se monta en un soporte de acrílico diseñado para servir como la mitad superior de una de las pinzas, colocar el conjunto de muestra de implante en la empuñadura, lado de la muestra móvil hacia abajo. Es importante asegurarse de que está montada la muestra de tal manera que la cepa es aplied sólo a lo largo de la longitud de la sonda para evitar la aplicación de par de torsión a la muestra durante la prueba. Como tal, la muestra debe ser montado en el centro de cada abrazadera, y las abrazaderas debe estar a nivel con respecto a la otra.
- Ajustar la posición de la muestra de tal manera que la distancia entre las abrazaderas es 3,0 mm, y el extremo de la sonda se coloca en la mordaza fija. Esta longitud de 3,0 mm entre las abrazaderas es la longitud de referencia para la muestra, y se utiliza en los cálculos posteriores para determinar la tensión en la muestra.
- Inmediatamente después de obtener la muestra entre las dos pinzas, y dentro de 2 minutos de la explantación del tejido neural, activar el motor en la dirección de tracción para alargar la muestra a una velocidad constante (10 m / seg utilizados aquí), mientras que simultáneamente medir y registrar la elongación de la muestra (usando un indicador de desplazamiento, Mitutoyu 543-561) y la fuerza asociada (usando una célula de carga, Técnicas Transductor MDB-2.5) requerido para tensar la muestra.
- Repita la prueba de microtensión para cada muestra y / o cada conjunto de condiciones (es decir, tiempo de inserción).
6. Análisis de Datos
- Convertir los datos de elongación primas a deformación de ingeniería aplicada a la muestra implante dividiendo la distancia de la elongación por la longitud de referencia inicial, como se describe en la Ecuación 1, donde ε es la deformación aplicada, t es el tiempo, d es el desplazamiento medido por el micrómetro indicador y L0 es la longitud de referencia inicial de la muestra:
(1) - Convertir los datos de la fuerza primas a la tensión de ingeniería en la muestra dividiendo la fuerza (en Newtons), por la TRAárea de sección transversal nsverse, tal como se describe en la Ecuación 2:
(2)
donde σ es la tensión en la muestra, F es la fuerza medida por la célula de carga (en Newtons), w 0 es la anchura inicial de la muestra, y t 0 es el espesor inicial de la muestra. - Trazar la tensión (σ [t]) vs deformación (ε [t]) curva para cada muestra usando un programa de computadora, tales como Microsoft Excel.
- Aislar la parte elástica lineal de la trama y el uso de herramientas de ajuste de curvas basadas en software para encontrar la mejor línea de ajuste de esta parte. La pendiente de la línea de mejor ajuste corresponde al módulo de la muestra de Young. La porción aislada de la trama debe incluir por lo menos 10 puntos de tensión-deformación, y debe ser tomada de la parte de la parcela donde la pendiente es mayor.
- Para los ensayos cíclicos, tendrá que ser determinado para cada ciclo el módulo de Young. Esto puede ser automatizado o lleva a cabo manualmente.
- Para los ensayos cíclicos, parcela el módulo de Young de cada ciclo en función del tiempo. Esto indica cómo cambia el módulo medido con el tiempo, lo cual es indicativo de la rapidez con una muestra de configuración está mojando o secado.
- Para las muestras de implantes, cada muestra y el tiempo de implante corresponde a un único ciclo de los ensayos cíclicos. Mida el módulo de Young utilizando el procedimiento descrito anteriormente para cada muestra de implante.
- Trazar el módulo de Young en función del tiempo de implante. En este punto, se pueden hacer comparaciones para las investigaciones de sobremesa, etc
(1) 
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Representative Results
Las propiedades mecánicas de casi todos los materiales poliméricos, incluyendo nuestra PVAc-NC, dependen de la exposición a las condiciones ambientales. Más notablemente, estos incluyen la exposición al calor y la humedad. Cuando un material se plastifica debido a la absorción de humedad, o se somete a una transición térmica, que muestra una reducción en el módulo de Young. En la preparación de la humedad y el medio ambiente de temperatura controlada para la muestra ex vivo caracterización mecánica, es importante asegurarse de que existe un cambio mínimo en el contenido de humedad de la muestra durante la carga de la muestra en el comprobador de microtracción, así como durante la prueba mecánica. Esto se evalúa mediante los experimentos de ejemplo de configuración de control para garantizar que la muestra no está influenciada por la humedad generada por el cepillo de aire, ni tampoco que se seque rápidamente en el medio ambiente externo. Figura 5 muestra un ejemplo de diagrama que demuestra el comportamiento mecánico de una configuración seco muestra durante cyclensayo de tracción ical para un entorno de humedad cepillo de aire adecuada. Cualquier cambio en el módulo de Young, mientras que el cepillo de aire se enciende es mínimo. Esto es importante ya que el entorno externo no debe contribuir a una reducción o aumento de la rigidez. Cuando el flujo de la brocha de aire es demasiado alto, el módulo de la muestra de Young disminuirán significativamente en aproximadamente 60 segundos.
El control sobre el entorno de prueba mecánica también puede asegurarse de que los materiales no se secan prematuramente. Por ejemplo, el uso de nuestro medio ambiente controlado de humedad aumenta el tiempo necesario para una muestra de explantado para secar y recuperar sus propiedades mecánicas antes de la implantación. Figura 6 muestra el comportamiento de secado de dos muestras por instalación de control empapados a la saturación después se sometió a ensayo de tracción cíclico bajo condiciones ambientales controladas y no controladas. En un entorno no controlado, las muestras se recuperan un módulo de Younginferior o igual a 400 MPa en la 150 segundos durante el cual la muestra se cargó en el probador de microtensión. Aumento de este módulo de Young de 20-40 veces mayor que la de una muestra saturada resultado de la rápida desecación de la muestra 13. Bajo el control del medio ambiente, un aumento apreciable en el módulo de Young no se mide hasta 240 segundos después de la eliminación del baño de inmersión. Este período de tiempo es suficiente tanto para carga la muestra y realizar suficiente de la prueba mecánica para permitir la extracción del módulo de Young.
El diseño de las muestras para las pruebas de implante ex vivo (Figura 3) incluye la consideración de un número de factores. En primer lugar, las muestras tienen que ser implantado en el tejido de interés, que es la corteza cerebral en esta investigación. Como resultado, la muestra debe tener una geometría de inspiración aguja, que está representado por el haz estrecho de PVAc-NC. Además, la muestra debe ser diseñado con respecto a la fuerza requerida para penetrate el tejido de interés sin deformarse. Fórmula de pandeo de Euler tiene en cuenta el módulo de Young del material, así como la longitud, anchura, y grosor de la viga para proporcionar una fuerza crítica en la que se espera una sonda de tipo viga para la hebilla 17. En este estudio, las dimensiones de la viga se eligen de manera que la sonda podría penetrar a través del tejido neural y sin riesgo de pandeo. Teniendo en cuenta los estudios previos que muestran una fuerza de inserción de menos de 15 mN, una longitud elegida sonda de 4,5 mm para permitir que un haz de prueba de 3 mm y una longitud de 1,5 mm para el agarre, y un espesor de la película conocida o igual a 75 micras, se podría calcular que el ancho de la sonda debe exceder de 107 micras. Para asegurar la máxima repetibilidad con la herramienta de micromecanizado con láser, se eligió una anchura de 300 micras para las muestras. Un punto de preocupación adicional es el manejo de la muestra microsonda durante la inserción en el tejido y la eliminación de los tejidos. Como una viga simple puede ser dañado durante la manipulación, fijación del beam a una estructura más sustancial (es decir, el soporte de acrílico) permite una transferencia más segura de la implantación y para las pruebas mecánicas. Por último, este conjunto debe ser optimizado para permitir la carga en el ensayo de tracción lo más rápidamente posible.
Un gráfico representativo que muestra las curvas de esfuerzo-deformación para una muestra seca y una muestra húmeda que había sido implantado en la corteza de rata durante 30 minutos se muestra en la Figura 7. El módulo de Young, que corresponde a la pendiente de la gráfica de tensión-deformación en la región elástica lineal, es claramente mucho mayor para la muestra seca que para la muestra implantada. Ambas muestras fueron tensas de romper. Sin embargo, el módulo de Young se deriva de la parte elástica lineal de la trama que se recoge temprano en el ensayo de tracción, antes de entrar en la deformación plástica y el fracaso de la muestra, como se muestra en la Figura 8. Figura 9 demuestra que después de aproximadamente 5 min de la implantación, el muestra disjuega poco cambio en el módulo de Young, lo que sugiere que la muestra alcanza la saturación y la rigidez mínima dentro de este período de tiempo.
Figura 1. Descripción esquemática del método experimental para caracterizar el comportamiento mecánico en vivo de un estímulo-respuesta, mecánicamente-adaptativa polímero nanocompuesto microsonda. (A) En primer lugar, la muestra se prepara mediante patrones de la película de PVAc-NC en un haz y de montaje en un acrílico titular. (B) La sonda se implanta en la corteza cerebral durante un período especificado de tiempo. (C) Por último, la muestra se explantados y se somete a pruebas de microtensión utilizando un probador de microtensión hecha a la medida.
Figura 2. Configuración ejemplo con láser micromachined PVAc-NC para el establecimiento de las condiciones ambientales necesarias para el mantenimiento del comportamiento mecánico en vivo de las muestras de implantes PVAc-NC después de la explantación.
Figura 3. Las fotografías de la muestra del implante, que consta de un haz láser PVAc-NC-dibujos montados en un soporte de acrílico.
La Figura 4. Diagrama de bloques del probador de microtensión. La muestra se sujeta entre una mordaza fija y una mordaza móvil que está conectado a la varilla de accionamiento de la piezomotor lineal. La velocidad de deformación de la piezomotor lineal es controlado y la cepa se midió utilizando el indicador de desplazamiento. La carga requerida para forzar la muestra de míasured por una célula de carga. Las condiciones ambientales en las proximidades de la muestra son controlados por un pincel de aire y una lámpara de calor.
Figura 5. El módulo de Young (E) como una función del tiempo, tal como se mide durante las pruebas de resistencia a la tracción cíclicas para determinar la configuración correcta del cepillo de aire para controlar la humedad en el entorno de prueba. La región sombreada es el tiempo durante el cual el cepillo de aire se enciende. En la configuración de cepillo de aire usados, el módulo de Young no cambia significativamente con el tiempo, lo que sugiere que la cantidad de agua absorbida por la muestra de configuración desde el cepillo de aire no es suficiente para contribuir a una reducción en la rigidez.
La Figura 6. El módulo de Young (E) en función del tiempo para el agua-saturacmuestras de la disfunción eréctil en los entornos de ensayo de tracción controladas y no controladas de humedad. La recuperación del primer módulo de Young es mucho más lento en el ambiente controlado.
Figura 7. Ejemplo de parcelas de tensión-deformación para las muestras de PVAc-NC que estaban secas (no implantada) y húmeda (ex vivo, a partir de tejido explantado después de 30 min in vivo).
Figura 8. Conjunto adicional de parcelas de tensión-deformación para demostrar que la parte elástica lineal de la trama está aislada de la trama general de tensión-deformación (a la izquierda), y extrae y se ajusta a una línea (a la derecha). Para esta medición en particular, los jóvenes demódulo es 16,8 MPa. Haz clic aquí para ver más grande la figura .
La Figura 9. Módulo de Young, E, frente implante tiempo para las muestras de PVAc-NC implantados en la corteza. Las barras de error representan el error estándar con n = 4, con la excepción de que el implante 5 min, con n = 2.
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Discussion
El avance de los sistemas microelectromecánicos biomédicos implantables (bioMEMS) para interactuar con los sistemas biológicos está motivando el desarrollo de nuevos materiales con propiedades altamente personalizable. Algunos de estos materiales están diseñados para mostrar un cambio en las propiedades del material en respuesta a un estímulo que se encuentra en el entorno fisiológico. Una clase recientemente desarrollada de materiales responde a la presencia de hidrógeno líquidos de formación de enlace (por ejemplo, agua) y temperaturas elevadas para reducir el módulo de Young, una medida de la rigidez del material, por tres órdenes de magnitud 10,11,18. Estos materiales nanocompuestos de polímero tienen una matriz de polímero blando (es decir, poli (acetato de vinilo)) con nanofibras de celulosa como la fase nanorelleno. Las interacciones entre las nanofibras de celulosa dictan las propiedades mecánicas del material como un todo, y se convierten en "on" cuando se seca y "apagado" cuando está mojado. Además, el agua plastifica el polímero nanocomposite, reduciendo de ese modo la temperatura de transición vítrea por debajo de la temperatura corporal (37 ° C), lo que resulta en una mayor reducción en el módulo de Young. Una aplicación de esta clase de materiales es la de servir como un sustrato bio-adaptativo para sondas intracortical a la interfaz con las neuronas individuales 13,17. Sin embargo, los beneficios de un material mecánicamente-adaptativa no se limitan a la interfaz con el sistema nervioso.
Se presenta aquí es un método por el cual el comportamiento mecánico de microsondas PVAc-NC-basados se puede evaluar después de la implantación en el tejido neural para una cantidad especificada de tiempo. El uso de este método, los datos ex mecánicas in vivo pueden ser recogidos para la comparación de los estudios de sobremesa. Además, la escala de tiempo de los cambios en las propiedades mecánicas puede ser evaluada. El control del medio ambiente habilitado por el cepillo de aire altamente ajustable y ajustes de calor radiante proporciona un mecanismo por el cual las muestras implantadas pueden ser probados ex vivo con el minimal cambio en las propiedades mecánicas resultantes del cambio en el entorno. Como tal, el comportamiento in vivo del material se puede inferir, el suministro de información superior en comparación con experimentos de sobremesa con muestras completamente sumergidas en el líquido cefalorraquídeo artificial (ACSF). El entorno fisiológico complejo exige la disponibilidad de dichos métodos, pero los métodos experimentales para esta evaluación son limitados.
Hay varias ventajas de nuestro método para la caracterización mecánica de implantados, mecánicamente-adaptativos muestras de nanocompuestos de polímero. El probador microtensión personalizado es adecuado para el análisis de muestras de dimensiones comparables a una sonda neuronal típica (1,5-8 mm de largo, 50 a 500 micras de ancho, 15 a 100 micras de espesor 3,19-21). Otros métodos de caracterización mecánica son adecuados tanto para muestras a granel, grandes o muestras a nanoescala. Utilizando una herramienta de prueba mecánica de la escala adecuada elimina el desconocido de escalabilidad propiedad. Además, el probador de microtensión tiene acceso abierto a la muestra bajo prueba, lo que permite la humedad y el control de la temperatura del entorno de prueba. Además, incluso con el control del medio ambiente, es necesario comenzar las pruebas de resistencia a la tracción rápidamente después de retirar la muestra del tejido neural. Ex secado de muestras in vivo, y por lo tanto de refuerzo, se ha minimizado aquí usando muestra de ensayo y diseños probador microtracción que facilitan la rápida (generalmente dentro de 120 seg) carga y el inicio de las pruebas mecánicas. Por último, este probador microtensión acomoda muestras que no tienen almohadillas en ambos extremos, lo que facilita el uso de muestras de la sonda-como para la prueba mecánica que se puede implantar en animales en la forma idéntica como para la evaluación biológica.
La eliminación de la muestra de prueba desde el tejido neural presenta un nuevo entorno, que puede conducir a cambios en el comportamiento mecánico después de la explantación debido a que el comportamiento de estímulos-respuesta del material es reversible unand actuar potencialmente rápido. Cuando se utiliza este método de ensayo de tracción con el medio ambiente controlado para evaluar el cambio en el comportamiento mecánico de la muestra después de la implantación en el cerebro durante un período de tiempo dado, se deben considerar las posibles discrepancias con respecto a que el módulo de Young real in vivo. En primer lugar, por análisis de las muestras ex vivo, que son, por definición, elimina del entorno fisiológico y se somete a un ambiente alternativo. Para una muestra con propiedades mecánicas dependientes de las condiciones ambientales, la eliminación de una muestra del ambiente va a alterar sus propiedades mecánicas. La escala de tiempo con la que se produce este cambio depende de las propiedades del material, así como el grado en que se controla el ambiente externo.
Esta aproximación a la caracterización y cuantificación del comportamiento mecánico de los estímulos-respuesta es el más adecuado para las muestras con geometrías en forma de aguja, con una longitud más grander que la anchura o grosor del dispositivo. Además, la rigidez del material y el motor específico y su fuerza máxima se debe considerar al elegir las dimensiones del dispositivo. Dado un conjunto de dimensiones de la muestra, un material más rígido requerirá una mayor fuerza de tracción para aplicar la misma cantidad de cepa como un material con un módulo de Young más pequeño. La reducción de la anchura y / o espesor, o el aumento de la longitud de la muestra, se reducirá la cantidad de fuerza requerida para alargar la muestra una cantidad dada. Para la configuración de ensayo de tracción de encargo, el piezomotor lineal tiene una fuerza de tracción máxima de 6 N, que permite para las muestras con el módulo de Young de 5 GPa y área de sección transversal hasta un 24.000 m 2 a desgarres 5% sin llegar a la tracción máxima la fuerza del motor. La celda de carga utilizada para medir la fuerza en el probador de microtensión tiene una resolución de menos de 1 mN, de modo que el más pequeño módulo de Young que puede ser medido en las muestras utilizadas en nuestro estudio (anchura 300m, de espesor 100 micras) aproximadamente 1 MPa. Este límite inferior puede reducirse aún más con el uso de muestras con área de sección transversal más grande, sin embargo. El indicador de desplazamiento tiene una resolución de 0,5 micras, que es adecuada para los materiales con comportamiento elástico limitado a 0,2% de deformación (en una longitud inicial de 3 mm), que es un orden de magnitud menor que la región elástica para PVAc- Carolina del Norte, incluso en estado seco.
Una limitación de este método de caracterización ex vivo es que puede no ser eficaz para materiales muy rígidos o quebradizo. En términos prácticos, como la muestra debe montarse rápidamente en el probador de microtracción, un material frágil está en riesgo de rotura durante el procedimiento de montaje. Además, las muestras en forma de viga (con las dimensiones correspondientes a las de nuestros experimentos) con un extremo adhirieron al titular de acrílico y el otro extremo libre no se pueden utilizar para los materiales superiores a aproximadamente 2,5 GPa como la fuerza requerida para estraen la muestra supera la fuerza de las mordazas que sujetan la muestra en su lugar, lo que resulta en el deslizamiento de la muestra a través de las abrazaderas y los resultados inexactos. Este problema se resolvió con el uso de muestras de hueso de perro en forma de con almohadillas en cada extremo. Este uso de este método para la medición y el análisis del comportamiento mecánico en in vivo de microsondas no se limita a la clase de PVAc-NC de materiales. Aplicaciones potenciales adicionales incluyen el control de la tasa de degradación de los materiales biodegradables 22 y caracterizar el comportamiento mecánico de los tejidos biológicos 23,24, así como la caracterización de las estructuras de microescala para aplicaciones no biológicas. Además, se pueden agregar controles ambientales adicionales (por ejemplo, el pH, la longitud de onda de la luz ambiente, campo eléctrico, campo magnético) para los materiales que responden a diferentes estímulos 25,26. Una de las principales ventajas de este método es su versatilidad y aplicabilidad a muchos materia diferentels y aplicaciones.
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Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Case Western Reserve tanto a través de los fondos de puesta en marcha (J. Capadona) laboratorio, y el Graduate Fellowship Medtronic (K. Potter). Financiación adicional sobre esta investigación fue financiada en parte por subvención NSF ECS-0621984 (C. Zorman), la Asociación de Antiguos Alumnos del caso (C. Zorman), el Departamento de Asuntos de Veteranos a través de una revisión Merit Award (B7122R), así como la avanzada Centro de Tecnología de Plataforma (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
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