Summary
Une méthode est décrite par lequel l'
Abstract
Microdevices implantables gagnent beaucoup d'attention pour plusieurs applications biomédicales 1-4. De tels dispositifs ont été réalisés à partir d'une gamme de matériaux, chacune offrant ses propres avantages et inconvénients 5,6. Le plus en évidence, en raison des dimensions de l'appareil microscopique, un module élevé est nécessaire pour faciliter l'implantation dans les tissus vivants. En revanche, la rigidité de l'appareil doit correspondre au tissu environnant pour minimiser souche locale induite par 7-9. Par conséquent, nous avons récemment développé une nouvelle classe de matériaux bio-inspirés pour répondre à ces exigences en répondant à des stimuli de l'environnement avec une modification des propriétés mécaniques 10-14. Plus précisément, notre nanocomposite (acétate de vinyle) à base de poly (acétate de polyvinyle-NC) affiche une diminution de la rigidité lorsqu'il est exposé à l'eau et aux températures élevées (par exemple la température du corps). Malheureusement, peu de méthodes existent pour quantifier la rigidité des matériaux in vivo 15 et mechtest anical dehors de l'environnement physiologique nécessite souvent de grands échantillons inapproprié pour l'implantation. En outre, les matériaux stimuli-sensibles peuvent récupérer rapidement leur rigidité initiale après explantation. Par conséquent, nous avons développé une méthode par laquelle les propriétés mécaniques des micro-échantillons implantés peuvent être mesurés ex vivo, avec des conditions physiologiques simulées maintenu en utilisant l'humidité et de la température 13,16,17.
À cette fin, un testeur de microtension personnalisé a été conçu pour accueillir des échantillons micrométriques avec 13,17 largement varier modules de Young (gamme de 10 MPa à 5 GPa). Comme nos intérêts dans l'application de PVAc-NC en tant que substrat de sonde neurale biologiquement adaptable, un outil capable de caractérisation mécanique des échantillons à l'échelle microscopique était nécessaire. Cet outil est adapté pour fournir l'humidité et de la température, ce qui réduit au minimum l'échantillon de séchage et de refroidissement 17. En conséquence, le mécanicienal caractéristiques de l'échantillon explanté reflètent étroitement celles de l'échantillon juste avant explantation.
L'objectif global de cette méthode est d'évaluer quantitativement l'en propriétés mécaniques in vivo, en particulier le module d'Young, de matériaux, mécanique adaptatif à base de polymères stimuli-réponse. Ceci est accompli en établissant d'abord les conditions environnementales qui permettront de réduire un changement dans l'échantillon propriétés mécaniques après explantation sans contribuer à une réduction de la rigidité indépendant de celui résultant de l'implantation. Les échantillons sont ensuite préparés pour l'implantation, la manipulation et l'essai (figure 1A). Chaque échantillon est implanté dans le cortex cérébral de rats, qui est représenté ici comme un cerveau de rat explanté, pour une durée déterminée (figure 1B). À ce stade, l'échantillon est explanté et immédiatement chargé dans le testeur microtension, puis soumis à des essais de traction (Figure1C). Analyse ultérieure des données permet de mieux comprendre le comportement mécanique de ces matériaux innovants dans l'environnement du cortex cérébral.
Protocol
1. Préparation des échantillons
- Préparer PVAc-NC film d'une épaisseur dans la plage de 25 à 100 um à l'aide d'une pièce coulée en solution et de technique de compression de 10 à 12.
- Coller le film à une tranche de silicium en chauffant sur une plaque chaude pendant deux minutes à 70 ° C (au-dessus de la température de transition vitreuse) à promouvoir le contact intime entre le film et la plaquette. Cette étape permet de s'assurer que la feuille préparée reste plat et fixe à la tranche de Si, ce qui est nécessaire pour le processus de micro-usinage planes.
- Motif du film dans l'échantillon tester des géométries par laser micro-usinage (VLS 3.50, VersaLASER). Régler les 2 paramètres de micro-usinage laser directe écriture CO à 1,0% de la puissance (0,5 W), la vitesse de 4,0% (56 mm / s), et 1.000 impulsions par pouce 13,16.
- échantillons de motifs qui seront utilisés pour établir les conditions environnementales («échantillons de configuration") dans les structures dogbone en forme avec des dimensions de la tablette latérale de 1,5 x 1,5 mm 2, et poutre latérale sombreensions 300 x 3000 um 2, avec une épaisseur correspondant à celle du film dans son ensemble (figure 2).
- Motif des échantillons pour les expériences ex vivo ("échantillon d'implant") dans les poutres 300 um x 6 mm, avec une épaisseur correspondant à celle du film.
- Relâchez doucement les échantillons de la plaquette à l'aide d'une lame de rasoir et pince à épiler.
- En cas de manipulation de l'échantillon, la préparation de supports acryliques mesure usinées destinées à servir dans le cadre du système de préhension dans le testeur microtraction. Marques gravées au laser indiquent la ligne médiane de la porte et de 1,5 mm de l'extrémité. Placer une petite quantité de colle cyanoacrylate en gel sur la ligne centrale du support et d'adhérer acrylique soigneusement une longueur de 1,5 mm de l'échantillon de l'implant à recouvrir le support et l'axe sensible (figure 3). Chaque échantillon d'implant nécessite un support acrylique. Soyez attentif à ce que le gel adhésif reste seulement le long de la longueur de 1,5 mm de PVAc-NC étant collé à la acrtitulaire ylic. Sinon, le gel adhésif peut interférer avec le comportement mécanique de l'échantillon.
- Enlever l'humidité de tous les échantillons en les plaçant dans un dessiccateur pendant au moins 24 heures.
- Mesurer la longueur, la largeur, et les dimensions d'épaisseur des échantillons à l'aide d'un microscope optique.
2. Établir les conditions environnementales
- Charger un échantillon de configuration sec dans le testeur microtension (voir Figure 4), première de serrage entre les mâchoires mobiles, puis entre les poignées fixes.
- Montage d'un pinceau à air avec un réservoir rempli d'eau, dans une position fixe, avec la buse dirigée vers l'échantillon microtraction. Raccorder le pinceau d'air pour un compresseur d'air par l'intermédiaire de tubes en plastique. Avec la buse de brosse d'air complètement fermé, activer le compresseur d'air.
- Début de la procédure de test de microtension cyclique, alternant entre l'effort de traction (contrainte positive) et contrainte de compression (souche négative) appliquée à til l'échantillon, en restant dans le domaine élastique linéaire de l'intrigue contrainte-déformation. Pour PVAc-NC, la déformation appliquée est limitée à moins de 2%. Dans le testeur de microtension personnalisé utilisé dans ces expériences, la vitesse de déformation est contrôlée lorsque la force requise pour atteindre cette souche a été mesurée. Alternativement, une configuration différente pourrait impliquer contrôler la force appliquée tout en mesurant la déformation qui en résulte.
- Augmenter progressivement le débit de la buse de brosse d'air, et à surveiller la pente de la courbe contrainte-déformation en fonction de la quantité d'écoulement d'air à partir de la brosse. Le débit maximal qui ne provoque pas une diminution importante (> 10%) dans le module de Young, sur une période de 60 secondes est au niveau qui sera utilisé pour les expériences ex vivo. À ce stade, les conditions d'humidité qui ne seront pas mouiller un échantillon sec (et contribuer ainsi à une réduction de module d'Young), et également de réduire l'assèchement après avoir été exposés à des liquides biologiques in vivo échantillon ont été established.
- Mesurer la température près de l'échantillon. Une configuration idéale comprendrait un thermocouple avec affichage numérique et être appliquée alors que l'aérographe fonctionne. Régler l'intensité et la distance de la source de chaleur rayonnante de telle sorte que la température de l'échantillon est maintenu à 37 ° C, en fonction des conditions physiologiques.
3. Comparer contrôle de l'environnement pour le contrôle non environnementales
- Échantillons de configuration Immerger pendant au moins 30 min dans un tampon phosphate salin. Après ce laps de temps, l'échantillon est totalement saturée et a été réduit à un module de son minimum jeune à une température donnée.
- Charger rapidement un échantillon dans le testeur microtension et commencer les essais en microtension cyclique, avec le pinceau de l'air au large, tandis que l'échantillon sèche. Cela permettra de déterminer la rapidité avec laquelle échantillon sèche dans des conditions non contrôlées.
- Charger un second échantillon de configuration PBS-saturée dans le testeur microtension, et commencer les essais en microtension cycliqueavec la lame d'air suite. Cela permettra de déterminer la rapidité avec laquelle échantillon sèche dans des conditions environnementales contrôlées.
4. Implantation de la sonde et explantation
- Attacher échantillon de l'implant à une pince de micromanipulateur et la position orthogonale au tissu cortical.
- Avant l'insertion, maintenir le tissu suffisamment humide avec une solution saline pour assurer l'homogénéité de la mécanique des tissus.
- Abaisser l'échantillon de polymère dans le cortex à l'aide des commandes manuelles micromanipulateur. Laisser échantillon dans le tissu cortical jusqu'à ce que le temps de l'implant cible, généralement comprise entre 1 et 30 min. Pour empêcher le tissu de séchage pour les points de temps de 5 minutes, légèrement tamponner le tissu toutes les 5 min à l'aide d'un coton-tige imbibé de sérum physiologique.
- Bien que la sonde est implantée dans le cortex, de préparer l'appareil de contrôle pour le chargement microtension l'échantillon a implanté en mettant la tige d'entraînement à la position zéro de déplacement de 3,0 mm à partir de la pince de l'échantillon fixe. Par ailleurs, réglez la buse d'air brushpour le réglage du débit et de la source de chaleur rayonnante pour déterminer une intensité correcte à l'étape 2.4.
- A la fin du temps de l'implant déterminée, soulever la sonde du cortex à l'aide des commandes manuelles micromanipulateur. Immédiatement et soigneusement, retirer l'échantillon de la pince de micromanipulateur et charger dans le testeur microtension, comme décrit plus en détail à l'étape 5.2.
5. Test microtension des échantillons d'implants
- Pour gagner du temps après explantation, assurez-vous que le testeur de microtension est complètement prêt à accepter l'échantillon de l'implant avant l'implantation, comme décrit dans l'étape 4.4.
- Immédiatement après explantation, charger l'échantillon entre les deux ensembles de colliers de testeur microtension. Comme l'échantillon est monté sur un support en acrylique conçu pour servir la moitié supérieure d'une pince, placer l'ensemble de l'échantillon de l'implant sur la poignée, côté porte-échantillon mobile vers le bas. Il est important de s'assurer que l'échantillon est monté de telle sorte que la souche est applIED seulement le long de la longueur de la sonde afin d'éviter d'appliquer un couple à l'échantillon pendant le test. A ce titre, l'échantillon doit être monté au centre de chaque bride, et les pinces doivent être de niveau par rapport à l'autre.
- Ajuster la position de l'échantillon de telle sorte que la distance entre les pinces est de 3,0 mm, et l'extrémité de la sonde est placée dans la pince fixe. Cette longueur de 3,0 mm entre les pinces est la longueur de la jauge de l'échantillon, et sera utilisé dans les calculs ultérieurs pour déterminer la pression exercée sur l'échantillon.
- Immédiatement après l'obtention de l'échantillon entre les deux colliers de serrage, et en 2 min d'explantation du tissu neural, activer le moteur dans le sens de la traction pour allonger l'échantillon à une vitesse constante (10 pm / sec utilisés ici), tout en mesurant et en enregistrant simultanément l' élongation de l'échantillon (à l'aide d'un indicateur de déplacement, Mitutoyu 543-561) et de la force associé (à l'aide d'une cellule de charge, les techniques de transducteurs MDB-2.5) requise pour la tension de l'échantillon.
- Répétez le test microtension pour chaque échantillon et / ou chaque ensemble de conditions (temps d'insertion).
6. Analyse des données
- Convertir les données d'allongement premières pour la souche d'ingénierie appliquée à l'échantillon de l'implant en divisant la distance de l'allongement de la longueur initiale, comme décrit dans l'équation 1, où ε est la déformation appliquée, t est le temps, D est le déplacement mesuré par le micromètre indicateur, et L 0 est la longueur initiale de l'échantillon:
(1) - Convertir les données sur la population premières au stress d'ingénierie sur l'échantillon en divisant la force (en newtons), par le traaire de section transversale nsverse, comme décrit dans l'équation 2:
(2)
où σ est la contrainte sur l'échantillon, F est la force mesurée par le capteur de force (en Newtons), w 0 est la largeur initiale de l'échantillon, et t 0 est l'épaisseur initiale de l'échantillon. - Tracer la contrainte (σ [t]) vs déformation (ε [t]) courbe pour chaque échantillon à l'aide d'un programme informatique, comme Microsoft Excel.
- Isoler la partie élastique linéaire de l'intrigue et utiliser des outils de montage basés sur les courbes logiciels pour trouver le meilleur ajustement à cette partie. La pente de la droite de meilleur ajustement correspond au module de l'échantillon de Young. La partie isolée de la parcelle doit comprendre au moins 10 points de contrainte-déformation, et doit être prise à partir de la portion de la parcelle de terrain où la pente est la plus forte.
- Pour les tests cycliques, le module d'Young devront être déterminées pour chaque cycle. Cela peut être automatisé ou effectuée manuellement.
- Pour les tests cycliques, l'intrigue module d'Young de chaque cycle en fonction du temps. Cela indique comment le module mesuré change avec le temps, ce qui témoigne de la rapidité avec laquelle un échantillon de configuration mouille ou le séchage.
- Pour les échantillons de l'implant, chaque échantillon et l'heure de l'implant correspond à un cycle unique de tests cycliques. Mesurer le module de Young à l'aide de la procédure décrite ci-dessus pour chaque échantillon de l'implant.
- Tracer le module de Young en fonction du temps de l'implant. À ce stade, les comparaisons peuvent être faites à des enquêtes paillasse, etc
(1) 
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Representative Results
Les propriétés mécaniques de presque tous les matériaux polymères, y compris notre PVAc-NC, dépendent de l'exposition à des conditions environnementales. Plus particulièrement, il s'agit notamment de l'exposition à la chaleur et à l'humidité. Lorsqu'un matériau est plastifié en raison de l'absorption de l'humidité, ou subit une transition thermique, il présente une diminution du module de Young. Dans la préparation de l'humidité et environnement à température contrôlée pour l'échantillon caractérisation ex vivo mécanique, il est important de veiller à ce qu'il y ait un changement minimal de la teneur en humidité de l'échantillon pendant le chargement de l'échantillon dans le testeur microtension, ainsi que pendant les essais mécaniques. Cela est évaluée en utilisant les expériences de l'échantillon de configuration de contrôle pour s'assurer que l'échantillon ne soit pas influencée par l'humidité générée par le pinceau de l'air, ni sécher rapidement dans l'environnement externe. Figure 5 montre un exemple parcelle démontrant le comportement mécanique d'une configuration à sec échantillon pendant cyclessai de traction ical pour un réglage de l'humidité de la lame d'air appropriée. Tout changement dans le module de Young tandis que la brosse air est allumé est minime. Ceci est important car l'environnement extérieur ne devrait pas contribuer à une réduction ou une augmentation de la rigidité. Lorsque l'écoulement de l'air brush est trop élevé, les module de l'échantillon de la jeunes vont diminuer de manière significative dans environ 60 sec.
Le contrôle de l'environnement de test mécanique peut également s'assurer que les matériaux ne se dessèchent prématurément. Par exemple, l'utilisation de notre environnement contrôlé d'humidité augmente le temps nécessaire pour un échantillon explanté à sécher et récupérer ses propriétés mécaniques pré-implantatoire. Figure 6 illustre le comportement de séchage de deux échantillons de configuration du contrôle trempés jusqu'à saturation puis soumis à des essais de traction cyclique sous conditions environnementales contrôlés et non contrôlés. Dans un environnement non contrôlé, les échantillons de récupérer un module de Youngsupérieure à 400 MPa en 150 secondes au cours de laquelle l'échantillon a été chargé dans le testeur microtension. Cette augmentation du module d'élasticité de la jeune 20-40 fois celle d'un échantillon saturé résultant de l'assèchement rapide de l'échantillon 13. Sous le contrôle de l'environnement, une augmentation sensible du module de Young n'est pas mesuré jusqu'à 240 secondes après le retrait du bain d'immersion. Cette période de temps est suffisant pour charges à la fois l'échantillon et d'effectuer suffisamment d'essais mécaniques pour permettre l'extraction des module de Young.
Le design pour les échantillons d'implants pour les tests ex vivo (figure 3) tient compte d'un certain nombre de facteurs. Tout d'abord, les échantillons doivent être implantés dans le tissu d'intérêt, ce qui est le cortex cérébral dans cette enquête. En conséquence, l'échantillon doit avoir une géométrie aiguille d'inspiration, qui est représenté par le faisceau étroit PVAc-NC. En outre, l'échantillon doit être conçu en ce qui concerne la force requise pour penetrate le tissu d'intérêt sans flambage. La formule de flambage d'Euler prenant en compte le module d'Young du matériau, ainsi que la longueur, la largeur et l'épaisseur de la poutre pour fournir une force critique à laquelle il est prévu une sonde de faisceau de type à boucle 17. Dans cette étude, les dimensions des faisceaux ont été choisis de telle sorte que la sonde pourrait pénétrer à travers le tissu neural sans risque de flambage. Compte tenu des études antérieures montrant une force d'insertion inférieure à 15 mN, une longueur choisie de sonde de 4,5 mm pour permettre à un faisceau de test de 3 mm et une longueur de 1,5 mm pour la préhension, et une épaisseur de film connue supérieure à 75 pm, on peut calculer que la largeur de la sonde devrait dépasser 107 um. Pour assurer un maximum de répétabilité avec l'outil de micro-usinage laser, une largeur de 300 um a été choisi pour les échantillons. Un autre sujet de préoccupation est la manipulation de l'échantillon par microsonde lors de l'insertion dans le tissu et le retrait du tissu. Comme une simple poutre peut être endommagé lors de la manipulation, la fixation du BEAm à une structure plus importante (c'est à dire le support acrylique) permet un transfert plus sûr de l'implantation et pour les essais mécaniques. Enfin, cette assemblée doit être optimisée pour permettre le chargement dans l'appareil de traction aussi rapidement que possible.
Un graphique représentatif montrant les courbes contrainte-déformation pour un échantillon sec et un échantillon humide qui a été implanté dans le cortex de rat pendant 30 min est illustré à la figure 7. Le module de Young, qui correspond à la pente de la courbe contrainte-déformation dans le domaine élastique linéaire, est nettement plus grande pour l'échantillon sec que pour l'échantillon implanté. Les deux échantillons ont été tendues à se rompre. Cependant, le module d'Young est dérivée de la partie élastique linéaire de la parcelle qui sont collectées au début de l'essai de traction, avant d'entrer dans la déformation plastique et la défaillance de l'échantillon, comme indiqué sur la figure 8. Figure 9 montre que, après environ 5 minutes de l'implantation, l' échantillon DISjoue peu de changements dans le module d'Young, ce qui suggère que l'échantillon atteint la saturation et la rigidité minimum dans ce laps de temps.
Figure 1. Vue d'ensemble schématique de la méthode expérimentale pour caractériser le comportement mécanique en vivo d'un stimulus-réponse, mécaniquement adaptative polymère nanocomposite microsonde. (A) D'abord, l'échantillon est préparé par un motif du film PVAc-NC en un faisceau et le montage sur un acrylique titulaire. (B) La sonde est ensuite implanté dans le cortex cérébral pendant une période de temps spécifiée. (C) Enfin, l'échantillon est explanté et soumis à des tests microtension l'aide d'un testeur de microtension sur mesure.
Figure 2. Laser-micro-usiné PVAc-NC échantillon de configuration pour établir les conditions environnementales nécessaires pour maintenir le comportement mécanique en vivo des échantillons d'implants PVAc-NC après explantation.
Figure 3. Photographies de l'échantillon de l'implant, composé d'un faisceau laser PVAc-NC-modelé montés sur un support acrylique.
Figure 4. Schéma de principe de l'appareil de contrôle microtraction. L'échantillon est serrée entre une bride fixe et une bride mobile qui est fixé à la tige d'entraînement du moteur piézoélectrique linéaire. La vitesse de déformation du moteur piézoélectrique linéaire est contrôlée et la déformation est mesurée au moyen de l'indicateur de déplacement. La charge nécessaire pour forcer l'échantillon est moiasured par une cellule de charge. Les conditions de l'environnement dans le voisinage de l'échantillon sont contrôlées par une brosse d'air et d'une lampe chauffante.
Figure 5. Module de Young (E) en fonction du temps, tel que mesuré au cours des essais de traction cycliques afin de déterminer les paramètres appropriés de pinceau d'air pour contrôler l'humidité dans l'environnement de test. La région ombrée est le temps pendant lequel la lame d'air a été mis sous tension. Avec les réglages d'air brush utilisés, le module d'Young n'a pas beaucoup changé au fil du temps, ce qui suggère que la quantité d'eau absorbée par l'échantillon d'installation de la brosse de l'air n'est pas suffisante pour contribuer à une réduction de la rigidité.
Figure 6. Module de Young (E) en fonction du temps pour l'eau saturated échantillons dans l'environnement de test de traction contrôlées et non contrôlées humidité. La reprise du premier module de Young est beaucoup plus lente dans l'environnement contrôlé.
Figure 7. Exemple de parcelles de contrainte-déformation pour les échantillons PVAc-NC qui étaient à sec (jamais implanté) et humide (ex vivo, explanté de tissus après 30 min in vivo).
Figure 8. Ensemble supplémentaire de parcelles de contrainte-déformation pour démontrer que la partie élastique linéaire de la parcelle est isolée de l'intrigue globale contrainte-déformation (à gauche), et extrait et adapté à une ligne (à droite). Par cette mesure particulière, le Youngmodule est de 16,8 MPa. Cliquez ici pour agrandir la figure .
Figure 9. Le module E, par rapport à l'implant de Young temps pour les échantillons PVAc-NC implantées dans le cortex. Les barres d'erreur représentent l'erreur standard avec n = 4, à l'exception de l'implant 5 min, avec n = 2.
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Discussion
La promotion de systèmes micro-électromécaniques biomédicaux implantables (bioMEMS) pour interagir avec les systèmes biologiques est motivant le développement de nouveaux matériaux aux propriétés hautement adaptées. Certains de ces matériaux sont conçus pour présenter un changement des propriétés des matériaux en réponse à un stimulus présent dans l'environnement physiologique. Une classe récemment mis au point des matériaux répondant à la présence d'hydrogène liquide formant une liaison (par exemple l'eau) et des températures élevées pour réduire le module de Young, une mesure de la rigidité du matériau, de trois ordres de grandeur 10,11,18. Ces matériaux nanocomposites polymère ont une matrice polymère souple (par exemple le poly (acétate de vinyle)) avec des nanofibres de cellulose comme la phase de nanocharge. Les interactions entre les nanofibres de cellulose dictent les propriétés mécaniques du matériau dans son ensemble, et sont tournées «on» lorsqu'il est sec et «éteints» lorsqu'il est mouillé. En outre, l'eau plastifie le polymère nanocomposite, ce qui réduit la température de transition vitreuse au-dessous de la température corporelle (37 ° C), ce qui entraîne une réduction supplémentaire dans le module de Young. Une application pour cette classe de matériaux est de servir de substrat bio-adaptative pour les sondes intracorticales à l'interfaçage avec les neurones individuels 13,17. Toutefois, les avantages d'un matériau mécaniquement adaptatif ne sont pas limités à l'interface avec le système nerveux.
Présenté ici est une méthode par laquelle le comportement mécanique des microsondes PVAc-NC-base peut être évaluée après l'implantation dans le tissu nerveux pour un laps de temps spécifié. En utilisant cette méthode, ex vivo données mécaniques peuvent être collectées pour comparaison avec des études de paillasse. En outre, l'échelle de temps de l'évolution des propriétés mécaniques peut être évaluée. Le contrôle de l'environnement activée par le pinceau de l'air très configurable et les paramètres de chaleur radiante fournit un mécanisme par lequel les échantillons implantés peuvent être testés ex vivo avec un minimal changement des propriétés mécaniques résultant de la modification de l'environnement. En tant que tel, le comportement in vivo de la matière peut être déduit, fournissant des informations de qualité supérieure par rapport aux expériences de paillasse avec des échantillons complètement immergées dans le liquide céphalo-rachidien artificiel (ACSF). L'environnement physiologique complexe exige la disponibilité de ces méthodes, mais les méthodes expérimentales pour cette évaluation sont limitées.
Il ya plusieurs avantages à notre méthode de caractérisation mécanique des implantés, mécaniquement adaptatifs échantillons de nanocomposites polymères. Le testeur de microtension personnalisé est adapté pour tester des échantillons avec des dimensions comparables à une sonde neurale typique (1,5-8 mm de long, 50-500 um échelle, 15-100 um d'épaisseur 3,19-21). D'autres méthodes de caractérisation mécaniques sont adaptés ni pour les échantillons en vrac, grands ou des échantillons nanométriques. L'utilisation d'un outil de test mécanique de l'échelle appropriée supprime l'inconnu de l'évolutivité de la propriété. En outre, le testeur de microtraction a libre accès à l'échantillon sous test, permettant à l'humidité et de la température de l'environnement de test. En outre, même avec un contrôle de l'environnement, il est nécessaire de commencer les essais de traction rapidement après le retrait de l'échantillon du tissu neural. Ex séchage des échantillons in vivo, et donc de raidissement, a été minimisé ici en utilisant échantillon d'essai et conceptions testeur de microtension qui facilitent rapide (généralement dans les 120 sec) chargement et le début des essais mécaniques. Enfin, cet appareil de contrôle microtension reçoit des échantillons qui n'ont pas de plots sur les deux extrémités, ce qui facilite l'utilisation d'échantillons de sonde, comme pour l'essai mécanique qui peut être implanté dans des animaux de la même façon que pour l'évaluation biologique.
Retrait de l'échantillon de test à partir du tissu neural présente un nouvel environnement, ce qui peut conduire à des changements dans le comportement mécanique après explantation parce que le comportement des stimuli-réponse du matériau est réversible unend agissant potentiellement rapide. Lorsque vous utilisez cette méthode d'essai de traction à environnement contrôlé pour évaluer le changement dans le comportement mécanique après l'implantation de l'échantillon dans le cerveau pendant une période de temps donnée, les écarts éventuels par rapport à celle réelle module de Young in vivo doivent être envisagées. Tout d'abord, en testant l'échantillon ex vivo, ils sont, par définition, retiré de l'environnement physiologique et on le soumet à un milieu différent. Pour un échantillon avec des propriétés mécaniques qui dépendent des conditions de l'environnement, la suppression d'un échantillon provenant de l'environnement va modifier ses propriétés mécaniques. L'échelle de temps à laquelle se produit ce changement dépend des propriétés du matériau, ainsi que la mesure dans laquelle le milieu extérieur est contrôlée.
Cette approche de la caractérisation et la quantification du comportement mécanique des stimuli-réponse est le mieux adapté pour les échantillons avec des géométries en forme d'aiguille, avec une longueur beaucoup plus grander que la largeur ou l'épaisseur du dispositif. En outre, la rigidité de la matière et le moteur spécifique et sa force maximale doit être considérée dans le choix des dimensions de l'appareil. Étant donné un ensemble de dimensions de l'échantillon, un matériau plus rigide, il faudra une plus grande force de traction à appliquer la même quantité de souche comme un matériau avec un module de Young plus faible. La réduction de la largeur et / ou de l'épaisseur, ou en augmentant la longueur de l'échantillon, permettra de réduire la quantité de force nécessaire pour allonger l'échantillon une quantité donnée. Pour l'installation d'essai de traction sur commande, le moteur piézoélectrique linéaire a une force de traction maximale de 6 N, ce qui permet pour les échantillons avec le module de Young de 5 GPa et surface de section transversale jusqu'à une 24000 um 2 à être tendues de 5% sans atteindre la traction maximale force du moteur. La cellule de charge utilisée pour mesurer la force dans le testeur microtension a une résolution inférieure à 1 mN, de sorte que le plus petit module de Young qui peut être mesurée dans les échantillons utilisés dans notre étude (largeur 300um, épaisseur 100 um) environ 1 MPa. Cette limite inférieure peut être encore réduite par l'utilisation d'échantillons avec une plus grande section transversale, cependant. L'indicateur de déplacement a une résolution de 0,5 um, ce qui est suffisant pour les matériaux ayant un comportement élastique limitée à une contrainte de 0,2% (à une longueur initiale de 3 mm), qui est un ordre de grandeur plus petite que la zone élastique pour PVAc NC, même à l'état sec.
Une limitation de cette méthode de caractérisation ex vivo est qu'il peut ne pas être efficace pour des matériaux très rigides ou cassants. Concrètement, comme l'échantillon doit être monté rapidement dans le testeur microtension, un matériau fragile est à risque de rupture au cours de la procédure de montage. En outre, les échantillons de poutre (avec des dimensions correspondant à celles de nos expériences) avec une extrémité adhéré au support en acrylique et l'autre extrémité libre ne peuvent pas être utilisés pour les matériaux dépassant d'environ 2,5 GPa que la force nécessaire pour Stradans l'échantillon est supérieure à la force de chaque étrier de maintien de l'échantillon en place, entraînant le glissement de l'échantillon à travers les brides et les résultats erronés. Ce problème a été résolu avec l'utilisation d'échantillons d'os de chien en forme de patins à chaque extrémité. Cette utilisation de cette méthode pour la mesure et l'analyse de l'in vivo comportement mécanique des microsondes ne se limite pas à la classe PVAc-NC des matériaux. Applications potentielles comprennent la surveillance du taux de dégradation des matériaux biodégradables 22 et la caractérisation du comportement mécanique des tissus biologiques 23,24, ainsi que la caractérisation des structures micrométriques pour des applications non-biologiques. En outre, des contrôles environnementaux supplémentaires peuvent être ajoutés (par exemple le pH, la longueur d'onde de la lumière ambiante, champ électrique, champ magnétique) pour les matériaux qui répondent à différents stimuli 25,26. L'un des principaux avantages de cette méthode est sa polyvalence et son applicabilité à de nombreux materia différentls et applications.
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Disclosures
Nous n'avons rien à révéler.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le Département de génie biomédical à l'Université Case Western Reserve à travers les deux fonds de démarrage (J. Capadona) laboratoire, et le Medtronic Graduate Fellowship (K. Potter). Des fonds supplémentaires sur cette recherche a été financée en partie par la NSF subvention ECS-0621984 (C. Zorman), l'affaire Association des anciens (C. Zorman), le ministère des Anciens combattants à travers un Award d'examen du mérite (B7122R), ainsi que l'avancée 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
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