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Bioengineering

Teste de microtração ambientalmente controlado mecanicamente adaptativas nanocompósitos poliméricos para doi: 10.3791/50078 Published: August 20, 2013

Summary

Um método pelo qual é discutida a

Abstract

Microdispositivos implantáveis ​​estão ganhando atenção significativa para diversas aplicações biomédicas 1-4. Tais dispositivos têm sido feitas a partir de uma variedade de materiais, cada um deles oferecendo as suas próprias vantagens e deficiências 5,6. Mais importante ainda, devido às dimensões do dispositivo de microescala, é exigido um elevado módulo de elasticidade para facilitar o implante em tecidos vivos. Por outro lado, a rigidez do dispositivo deve coincidir com o tecido circundante para minimizar a tensão induzida locais 7-9. Por isso, desenvolveu recentemente uma nova classe de materiais bio-inspirados para atender a esses requisitos, respondendo aos estímulos do ambiente, com uma mudança nas propriedades mecânicas 10-14. Especificamente, o nosso nanocompósito com base em (acetato de vinilo) poli (PVAc-NC) mostra uma redução na rigidez, quando expostos à água e temperaturas elevadas (por exemplo, temperatura corporal). Infelizmente, existem alguns métodos para quantificar a rigidez dos materiais in vivo 15 e mecanismotestes mecânicos fora do ambiente fisiológico requer frequentemente grandes amostras inadequado para a implantação. Além disso, os materiais de estímulos-resposta pode recuperar rapidamente a sua rigidez inicial após remoção. Por conseguinte, temos desenvolvido um método através do qual as propriedades mecânicas de microamostras implantadas pode ser medida ex vivo, com as condições fisiológicas simuladas mantida utilizando controlo de temperatura e humidade 13,16,17.

Para este efeito, um aparelho de teste de microtração costume foi concebido para acomodar amostras microescala 13,17 com muito variados módulos de Young (intervalo de 10 MPa a 5 GPa). Como os nossos interesses estão no pedido de PVAc-NC como substrato sonda neural biologicamente adaptável, uma ferramenta mecânica capaz de caracterização de amostras em microescala era necessário. Esta ferramenta foi adaptado para fornecer humidade e controlo da temperatura, o que minimiza a secagem e arrefecimento da amostra 17. Como resultado, o mecânicocaracterísticas da amostra al explantada refletir atentamente aqueles da amostra pouco antes de explante.

O objetivo geral deste método é avaliar quantitativamente a nas propriedades mecânicas in vivo, especificamente o módulo de Young, de matérias estímulos-resposta, mecanicamente adaptativo polímero à base. Isto é conseguido através do estabelecimento de primeiro as condições ambientais que minimizem uma mudança na amostra propriedades mecânicas após o explante, sem contribuir para a redução da rigidez independente da que resulta da implantação. As amostras são, então, preparado para o implante, o manuseamento, e ensaio (Figura 1A). Cada amostra é implantado no córtex cerebral de ratos, que está aqui representado como um cérebro de rato explantado, por um período especificado (Figura 1B). Neste ponto, a amostra é explantado e imediatamente carregadas no testador microtração, e, em seguida, submetido a ensaios de tracção (Figura1C). Posterior análise de dados fornece insights sobre o comportamento mecânico destes materiais inovadores no ambiente do córtex cerebral.

Protocol

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1. Preparação da Amostra

  1. Prepare a película de PVAc-NC de espessura na gama de 25-100 mM, utilizando uma técnica de moldagem em solução e compressão 10-12.
  2. Aderem filme a uma pastilha de silício, por aquecimento sobre uma placa quente durante dois minutos, a 70 ° C (acima da temperatura de transição de vidro) a promover um contacto íntimo entre a película e a bolacha. Este passo assegura que a película preparada permanece estável e fixo para a bolacha de Si, o que é necessário para os processos microtorneamento planares.
  3. Padrão do filme na amostra geometrias teste de-micro-usinagem a laser (VLS 3,50, VersaLASER). Defina os dois parâmetros de micro-usinagem a laser direto escrever CO para 1,0% de energia (0,5 W), a velocidade de 4,0% (56 mm / s), e 1000 pulsos por polegada 13,16.
  4. Amostras padrão que serão utilizados para estabelecer as condições ambientais ("amostras de configuração") em estruturas dogbone em forma de almofada com as dimensões laterais de 1,5 x 1,5 mm 2, e feixe lateral, dimensões 300 x 3000 mM 2, com uma espessura correspondente que ao longo do filme (Figura 2).
  5. Padrão das amostras para as experiências ex vivo ("Amostra de implante") em vigas 300 mm x 6 mm, com uma espessura correspondente ao do filme.
  6. Libertar cuidadosamente as amostras a partir da bolacha usando uma lâmina de barbear e uma pinça.
  7. Para o manuseio da amostra, preparar os titulares de acrílico personalizado usinados destinados a servir como parte do sistema de aderência no testador de microtração. Marcações gravadas a laser mostram a linha central do suporte e 1,5 mm a partir da extremidade. Colocar uma pequena quantidade de adesivo à base de gel de cianoacrilato sobre a linha central do suporte de acrílico e aderir cuidadosamente mm de comprimento da amostra 1,5 implante ao detentor e sobrepor-se à linha de centro (fig. 3). Cada amostra de implante requer um suporte de acrílico. Tenha o cuidado de garantir que o gel adesivo permanece apenas ao longo do comprimento mm de PVAc-NC 1.5 sendo respeitado o acrtitular ylic. Caso contrário, o gel adesivo podem interferir com o comportamento mecânico da amostra.
  8. Remover humidade de todas as amostras colocando-as num exsicador durante pelo menos 24 horas.
  9. Medir o comprimento, largura, espessura e as dimensões das amostras usando um microscópio óptico.

2. Estabelecer Condições Ambientais

  1. Carregar um extracto seco de configuração para o testador microtração (ver Figura 4), ​​o primeiro aperto entre as garras móveis, em seguida, entre as garras fixas.
  2. Montar uma escova de ar, com um reservatório cheio de água, para uma posição fixa, com o bocal voltado para a amostra microtração. Ligue a escova de ar de um compressor de ar através de tubos de plástico. Com o bocal de escova de ar completamente fechada, ligar o compressor de ar.
  3. Comece procedimento de teste de microtração cíclico, alternando entre a tensão de tração (tensão positiva) e tensão de compressão (pressão negativa) aplicada a tele amostra, mantendo-se dentro da região elástica linear da trama de tensão-deformação. Para PVAc-NC, a estirpe aplicada é limitada a menos do que 2%. Nas testador microtração costume utilizado nestas experiências, a velocidade de deformação foi controlada enquanto que a força necessária para conseguir essa estirpe foi medido. Alternativamente, uma configuração diferente pode envolver o controlo da força aplicada durante a medição da tensão resultante.
  4. Aumentar gradualmente o fluxo a partir do bocal escova de ar, e monitorizar o declive do gráfico de tensão-deformação em função da quantidade de fluxo a partir da escova de ar. O fluxo máximo que não cause uma redução significativa (> 10%) no módulo de elasticidade ao longo de um período de 60 segundos é o nível que será utilizada para as experiências ex vivo. Neste ponto, as condições de humidade que não seja molhada de uma amostra seca (e, assim, contribuir para uma redução no módulo de Young) e também minimizar a amostra de secagem depois de ser exposto aos fluidos biológicos in vivo têm sido ESTAcida.
  5. Medir a temperatura próxima da amostra. Uma configuração ideal seria incluir um termopar com leitura digital, e ser executada enquanto o aerógrafo está operando. Definir a intensidade e da distância da fonte de calor radiante de tal modo que a temperatura da amostra é mantida a 37 ° C, para se adequar às condições fisiológicas.

3. Compare Controle Ambiental para Controle de Não-Ambiental

  1. As amostras adicionais para Imergir pelo menos 30 min em solução salina tamponada com fosfato. Após este período de tempo, a amostra é completamente saturada e foi reduzido para o seu valor mínimo do módulo de Young, a uma dada temperatura.
  2. Carregar rapidamente uma amostra para o testador de microtração e começar os testes de microtração cíclica, com o air brush off, enquanto seca a amostra. Isso vai determinar a rapidez com que a secagem da amostra em condições não controladas.
  3. Coloque uma segunda amostra de configuração PBS-saturada no testador de microtração, e começar os testes de microtração cíclicacom a escova de ar ligado. Isso vai determinar a rapidez com que a seca de amostra em condições ambientais controladas.

4. Implantação da sonda e explantes

  1. Anexar amostra implante a um micromanipulador braçadeira e da posição ortogonal para o tecido cortical.
  2. Antes da inserção, manter o tecido suficientemente úmido com solução salina para garantir a homogeneidade da mecânica de tecido.
  3. Diminuir a amostra de polímero para o córtex utilizando os comandos manuais micromaniplador. Adicione amostra no tecido cortical até que o tempo de implante de destino, em geral, entre 1 e 30 min. Para evitar que o tecido de secagem para os momentos mais 5 min, levemente dab o tecido a cada 5 minutos com um cotonete embebido em soro fisiológico.
  4. Enquanto a sonda estiver implantada no córtex, preparar o aparelho de teste de microtração para o carregamento da amostra actualmente implantado, definindo a haste de condução para a posição zero de deslocamento de 3,0 mm a partir da braçadeira amostra estacionária. Além disso, defina o bocal de escova de arpara o ajuste do fluxo e da fonte de calor radiante para determinar a intensidade adequada no passo 2.4.
  5. No final do tempo de implante especificado, elevar a sonda do córtex utilizando os comandos manuais micromaniplador. Imediatamente, e cuidadosamente, remover a amostra da braçadeira micromanipulador e carregar para o testador microtração, tal como descrito em mais pormenor no passo 5.2.

5. Teste de microtração de amostras de implantes

  1. Para poupar tempo, após o explante, assegurar que o testador microtração é completamente pronto para aceitar a amostra de implante antes da implantação, tal como descrito na etapa 4.4.
  2. Imediatamente após explante, coloque a amostra entre os dois conjuntos de grampos testador microtração. Uma vez que a amostra é montada num suporte de acrílico concebido para servir como a metade superior de uma pinça, o lugar de montagem da amostra sobre o implante o aperto, do lado da amostra celular baixo. É importante assegurar que a amostra é montada de tal modo que a tensão é aplied apenas ao longo do comprimento da sonda a fim de evitar a aplicação de binário à amostra durante o teste. Como tal, a amostra tem de ser montado ao centro de cada grampo, e as pinças devem ser nivelada em relação uns aos outros.
  3. Ajustar a posição da amostra de tal modo que a distância entre as pinças é 3,0 mm, e a extremidade da sonda é colocada no grampo fixo. Este comprimento de 3,0 milímetros entre as braçadeiras é o comprimento de medida para a amostra, e será utilizado nos cálculos posteriores para determinar a pressão sobre a amostra.
  4. Imediatamente após a obtenção da amostra entre as duas pinças, e dentro de 2 min de explante a partir do tecido neural, activar o motor na direcção de tracção para alongar a amostra a uma taxa constante (10 um / s usados ​​aqui), enquanto que, simultaneamente, a medição e registo alongamento da amostra (através de um indicador de deslocamento, Mitutoyu 543-561) e força associada (usando uma célula de carga, Técnicas de Transdutores MDB-2.5) necessária para esticar a amostra.
  5. Repetir o teste de microtração para cada amostra e / ou cada conjunto de condições (ou seja, tempo de inserção).

6. Análise de Dados

  1. Converter os dados brutos de alongamento a uma tensão de engenharia aplicada ao implante amostra dividindo a distância de alongamento pelo comprimento do calibre inicial, como descrito na Equação 1, onde a estirpe está ε aplicada, t é o tempo, d é o deslocamento medido pelo micrómetro indicador, e L 0 é o comprimento inicial de medida da amostra:
    Equação 1 (1)
  2. Converter os dados de força bruta para a tensão de projecto na amostra dividindo a força (em Newtons), por traárea da secção transversal nsverse, como descrito na Equação 2:
    Equação 2 (2)
    onde σ é a tensão sobre a amostra, F é a força medida pela célula de carga (em Newtons), 0 w é a largura inicial da amostra, e t é 0 a espessura inicial da amostra.
  3. Traçar a tensão (σ [t]) versus tensão (ε [t]) curva para cada amostra, utilizando um programa de computador, como o Microsoft Excel.
  4. Isolar a parte elástica linear da trama e usar as ferramentas de ajuste de curva baseada em software para encontrar a melhor linha de ajuste a esta parte. A inclinação da linha de melhor ajustamento corresponde ao módulo de elasticidade da amostra. A porção isolada da trama deve incluir pelo menos 10 pontos de tensão-deformação, e deve ser feita a partir da porção da trama, onde a inclinação é maior.
  5. Para os testes cíclicos, o módulo de Young vai precisar de ser determinado para cada ciclo. Isto pode ser realizado manualmente ou automatizados.
  6. Para todos os ensaios cíclicos, plot o módulo de Young de cada ciclo em relação ao tempo. Isso indica como a variação do módulo de medição com o tempo, o que é indicativo de quão rapidamente uma amostra de configuração é molhar ou secagem.
  7. Para amostras de implante, cada uma das amostras e o tempo de implante corresponde a um único ciclo de testes cíclicos. Medir o módulo de Young, utilizando o procedimento descrito acima para cada uma das amostras do implante.
  8. Traçar o módulo de Young do implante em função do tempo. Neste ponto, podem ser feitas comparações com as investigações de bancada, etc

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Representative Results

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As propriedades mecânicas de quase todos os materiais poliméricos, incluindo o nosso PVAc-CN, estão dependentes da exposição a condições ambientais. Mais notavelmente, que incluem a exposição ao calor e à umidade. Quando um material é plastificado, devido à absorção de umidade, ou sofre uma transição térmica, apresenta uma redução no módulo de Young. Na preparação da humidade ambiente e temperatura controlada por ex vivo da amostra caracterização mecânica, é importante para assegurar que não há alteração mínima no teor de humidade da amostra durante o carregamento da amostra no testador microtração, bem como durante a realização de ensaios mecânicos. Esta é avaliada usando amostras das experiências de controlo adicionais para assegurar que a amostra não é influenciado pela humidade gerada pela escova de ar, nem secar rapidamente no ambiente externo. Figura 5 mostra um exemplo gráfico demonstrando o comportamento mecânico de uma configuração seca amostra durante cycltestes de tração iCal para um ambiente de umidade escova de ar adequada. Qualquer alteração no módulo de elasticidade, enquanto a escova de ar está ligado é mínima. Isto é importante porque o ambiente externo não deve contribuir para a redução ou o aumento de rigidez. Quando o fluxo da escova de ar é muito alto, o módulo de Young da amostra irá diminuir significativamente dentro de aproximadamente 60 segundos.

Controle sobre o ambiente de teste mecânico também pode garantir que os materiais não prematuramente secar. Por exemplo, a utilização do nosso ambiente controlado de humidade aumenta o tempo necessário para uma amostra explantado para secar e recuperar as suas propriedades mecânicas de pré-implantação. Figura 6 demonstra o comportamento de secagem de duas amostras adicionais de controlo embebidos até à saturação, em seguida, submetidos ao teste cíclico de tracção sob condições ambientais controladas e não controlados. Sob um ambiente não controlado, as amostras recuperar um módulo de Youngsuperior a 400 MPa a 150 segundos, durante o qual a amostra foi carregada para o testador microtração. Este aumento do módulo de Young de 20-40 vezes a de uma amostra saturada resultante da rápida secagem da amostra 13. Sob controle ambiental, um aumento apreciável no módulo de Young não é medido até 240 segundos após a remoção do banho de imersão. Este período de tempo é suficiente tanto para a carga da amostra e realizar o suficiente do teste mecânico, para permitir a extracção do módulo de Young.

O desenho para as amostras ex implante para os ensaios in vivo (figura 3) inclui a consideração de um número de factores. Em primeiro lugar, as amostras devem ser implantados no tecido de interesse, que é o córtex cerebral nesta investigação. Como resultado, a amostra deve ter uma geometria de agulha de inspiração, o qual é representado pelo feixe estreito de PVAc-NC. Além disso, a amostra deve ser concebido no que respeita à força necessária para penetrate o tecido de interesse sem deformação. Flambagem fórmula de Euler leva em conta o módulo de Young do material, bem como o comprimento, largura e espessura do feixe para proporcionar uma força crítica na qual está prevista uma sonda do tipo de viga de fivela 17. Neste estudo, as dimensões foram escolhidas de feixe de modo que a sonda poderia penetrar através do tecido neural, sem risco de deformação. Dado estudos anteriores, mostrando uma força de inserção menor do que 15 mN, um comprimento escolhido de sonda de 4,5 mm a permitir que um feixe de teste, 3 mm e um comprimento de 1,5 mm para agarrar, e uma espessura de filme conhecido superior a 75 um, é possível calcular que a largura da sonda deve ser superior a 107 um. Para assegurar a reprodutibilidade máxima com a ferramenta de micromaquinagem de laser, uma largura de 300 um foi escolhido para as amostras. Um ponto adicional de preocupação está a tratar da amostra microssonda durante a inserção e remoção do tecido a partir do tecido. Como um feixe simples pode ser danificado durante o manuseamento, colocação da beam para uma estrutura mais substancial (ou seja, o suporte de acrílico) permite a transferência segura do implante e ao teste mecânico. Finalmente, este conjunto deve ser optimizado para permitir o carregamento para o testador de tracção tão rapidamente quanto possível.

Um gráfico representativo mostrando as curvas de tensão-deformação de uma amostra seca e molhada numa amostra que tinha sido implantado no córtex de rato durante 30 minutos é apresentada na Figura 7. O módulo de Young, o que corresponde à inclinação do gráfico de tensão-deformação na região elástica linear, é claramente muito maior para a amostra seca do que para a amostra implantada. Ambas as amostras foram tensas para quebrar. Contudo, o módulo de Young é derivado a partir da porção linear elástico da trama que é recolhida no início do ensaio de tracção, antes de entrar em deformação plástica e falha da amostra, como mostrado na Figura 8. Figura 9 demonstra que, após cerca de 5 min de implantação, o amostra disdesempenha pequena mudança no módulo de Young, o que sugere que a amostra atinge a saturação e a rigidez mínima, dentro deste período de tempo.

Figura 1
Figura 1. Visão esquemática do método experimental para caracterizar o comportamento mecânico em in vivo de um estímulo de resposta, mecanicamente adaptativo polímero nanocompósito microssonda. (A) Em primeiro lugar, a amostra é preparada por modelação a película de PVAc-NC numa viga de montagem e para um acrílico titular. (B) A sonda é então implantado no córtex cerebral, por um período de tempo especificado. (C) Finalmente, a amostra é explantado e submetidos a testes de microtração, utilizando um aparelho de microtração personalizada.

Figura 2
Figura 2. Laser-microcontrolado PVAc-NC exemplo de configuração para estabelecer as condições ambientais necessárias para a manutenção do comportamento mecânico em vivo das amostras de implantes PVAc-NF após remoção.

Figura 3
Figura 3. Fotografias de amostra implante, que consiste de um laser com estampas PVAc-NC feixe montado em um suporte de acrílico.

Figura 4
Figura 4. Diagrama de blocos do dispositivo de teste de microtração. A amostra é fixada entre um grampo fixo e um grampo móvel que está ligado à haste de condução do piezomotor linear. A taxa do piezomotor linear estirpe é controlado e a deformação é medida utilizando o indicador de deslocamento. A carga necessária para esticar a amostra é measured por uma célula de carga. As condições ambientais na periferia da amostra são controlados por uma escova de ar e uma lâmpada de calor.

Figura 5
Figura 5. O módulo de Young (E), como uma função do tempo, tal como medido em ensaios de tracção cíclicas para determinar as configurações de escova de ar correcta para controlar a humidade do ambiente de teste. A região sombreada é o tempo durante o qual a escova de ar foi ligado. Nas configurações de escova de ar usados, o módulo de Young não muda significativamente ao longo do tempo, o que sugere que a quantidade de água absorvida pela amostra de configuração a partir da escova de ar não é suficiente para contribuir para a redução da rigidez.

Figura 6
Figura 6. O módulo de Young (E), em função do tempo para a água-saturated amostras, tanto em ambientes de teste de tracção controlados e não controlados. humidade A recuperação do módulo de Young inicial é muito mais lenta no ambiente controlado.

Figura 7
Figura 7. Exemplo de parcelas de tensão-deformação para PVAc-NC amostras que foram secas (nunca implantado) e molhado (ex vivo, explante a partir de tecido após 30 min in vivo).

Figura 8
Figura 8. Conjunto adicional de parcelas de tensão-deformação para demonstrar que a porção elástica linear da trama é isolado da trama global tensão-deformação (esquerda), e extraído e apto para uma linha (à direita). Para esta medição particular, do jovemmódulo é de 16,8 MPa. Clique aqui para ver a figura maior .

Figura 9
Figura 9. Módulo de elasticidade, E, contra o implante tempo para amostras de PVAc-NC implantados no córtex. As barras de erro representam o erro padrão, com n = 4, com a excepção de o implante 5 minutos, com n = 2.

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Discussion

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O avanço dos sistemas microeletromecânicos biomédicos implantáveis ​​(bioMEMS) para interagir com os sistemas biológicos está motivando o desenvolvimento de novos materiais com propriedades altamente personalizadas. Alguns destes materiais são desenhados para apresentar uma mudança nas propriedades do material, em resposta a um estímulo encontrado no ambiente fisiológico. Uma classe, recentemente desenvolvida de materiais responde à presença de hidrogénio líquidos de formação de ligações (por exemplo, água) e a temperaturas elevadas para reduzir o módulo de Young, uma medida da rigidez do material, por três ordens de magnitude 10,11,18. Estes materiais nanocompósitos de polímeros têm uma matriz de polímero mole (ou seja, poli (acetato de vinilo)) com nanofibras de celulose como a fase nanopartícula. As interacções entre as nanofibras de celulose ditar as propriedades mecânicas do material como um todo, e estão "ligado" quando seco e "desligado" quando molhado. Além disso, a água plastifica na polímeronocomposite, reduzindo, assim, a temperatura de transição vítrea abaixo da temperatura corporal (37 ° C), resultando em uma maior redução no módulo de Young. Uma aplicação para esta classe de materiais é a de servir como um substrato para a bio-adaptativo intracorticais sondas para fazer interface com os neurónios individuais 13,17. No entanto, os benefícios de um material mecanicamente adaptativa não estão limitados a interface com o sistema nervoso.

Apresentado aqui é um método pelo qual o comportamento mecânico do micropilares-NC-base de PVAc pode ser avaliada após o implante no tecido neural para uma quantidade de tempo especificada. Usando este método, os dados ex mecânicas in vivo podem ser recolhidos por comparação com os estudos de bancada. Além disso, a escala de tempo das alterações nas propriedades mecânicas podem ser avaliadas. A activado por a escova de ar altamente sintonizável e ajustes de calor radiante de controlo ambiental fornece um mecanismo pelo qual as amostras podem ser testadas implantados ex vivo de minimal mudar nas propriedades mecânicas resultantes da mudança no ambiente. Como tal, o comportamento in vivo do material pode ser inferida, fornecendo informações superior em comparação com as experiências de bancada com as amostras completamente imersos em fluido cerebrospinal artificial (ACSF). O meio fisiológico complexo exige a disponibilidade de tais métodos, mas os métodos experimentais para esta avaliação são limitados.

Existem várias vantagens para o nosso método para caracterização mecânica de implantados, mecanicamente adaptativas amostras de nanocompósitos poliméricos. O testador microtração costume é adequado para testar amostras com dimensões comparáveis ​​a uma sonda neural típica (1.5-8 mm de comprimento, de 50-500 micrometros de largura, 15-100 micrometros de espessura 3,19-21). Outros métodos de caracterização mecânica são adequados tanto para amostras maiores, a granel ou amostras em nanoescala. Utilizando uma ferramenta de teste mecânico da escala apropriada remove o desconhecido de escalabilidade propriedade. Além disso, o testador microtração tenha livre acesso à amostra em teste, permitindo que a humidade e controlo da temperatura do ambiente de teste. Além disso, mesmo com o controlo ambiental, que é necessário para iniciar o teste de tracção rapidamente após a remoção da amostra do tecido neural. Outros exemplos secagem in vivo, e endurecendo assim, tem sido minimizado aqui utilizando amostra de teste e desenhos testador microtração que facilitam a rápida (geralmente dentro 120 sec) carregamento e início dos testes de mecânica. Finalmente, este testador microtração acomoda amostras que não têm almofadas em ambos os lados, o que facilita a utilização de amostras de sonda-como para testes mecânicos que podem ser implantadas em animais, no modo idêntico para avaliação biológica.

A remoção da amostra de teste a partir do tecido neural apresenta um ambiente novo, o que pode conduzir a alterações no comportamento mecânico após extração, pois o comportamento de resposta de estímulos que o material é um reversívelª potencialmente agir rápido. Quando se utiliza este método de ensaio de tracção controlada ambientalmente para avaliar a alteração no comportamento mecânico da amostra após o implante no cérebro para um determinado período de tempo, os potenciais diferenças no que diz respeito a esse módulo de Young real in vivo devem ser considerados. Em primeiro lugar, por meio de testes a amostras ex vivo, eles são, por definição, removido do ambiente fisiológico e sujeita a um ambiente alternativo. Para obter um extracto com propriedades mecânicas dependem das condições ambientais, a remoção de uma amostra do ambiente irá alterar as suas propriedades mecânicas. A escala de tempo com a qual esta mudança ocorre depende das propriedades dos materiais, bem como o grau em que o meio externo é controlada.

Esta abordagem para a caracterização e quantificação do comportamento mecânico estímulos responsiva é mais adequada para as amostras com geometrias semelhantes a agulhas, com um comprimento muito grander do que a largura ou a espessura do dispositivo. Além disso, a rigidez do material, e o motor específico ea sua força máxima deve ser considerado na escolha de dimensões do dispositivo. Dado um conjunto de dimensões de exemplo, um material mais rígido irá requerer uma força de atracção maior para aplicar a mesma quantidade de tensão como um material com um módulo de Young menor. Reduzindo a largura e / ou espessura ou aumentar o comprimento da amostra, vai reduzir a quantidade de força necessária para alongar a amostra de uma dada quantidade. Para a configuração personalizada ensaio de tracção, o piezomotor linear tem uma força de tração máxima de 6 N, o que permite, para amostras com o módulo de Young de 5 GPa e uma área da secção transversal até uma 24.000 fiM de 2 a ser esticado 5% sem atingir a força máxima forçar do motor. A célula de carga usado para medir a força no testador microtração tem uma resolução inferior a 1 milhão, de modo que o menor módulo de elasticidade que pode ser medido nas amostras usadas no estudo (largura de 300um, a espessura de 100 um) de cerca de 1 MPa. Este limite inferior pode ser ainda mais reduzida com a utilização de amostras com maior área de secção transversal, no entanto. O indicador de deslocamento tem uma resolução de 0,5 um, o que é adequado para os materiais com comportamento elástico limitada a 0,2% de tensão (com um comprimento inicial de 3 mm), o que é uma ordem de grandeza menor do que a região elástica para PVAc- NC, mesmo no estado seco.

Uma limitação deste método de caracterização ex vivo é que ele pode não ser eficaz para materiais muito rígida ou frágil. Em termos práticos, como a amostra deve ser montado rapidamente no testador microtração, um material frágil está em risco de quebrar durante o procedimento de montagem. Além disso, as amostras tipo viga (com as dimensões correspondentes às das nossas experiências) com uma extremidade aderido ao suporte de acrílico e a outra extremidade livre, não pode ser usado para materiais superiores a cerca de 2,5 GPa, como a força necessária para strana amostra ultrapassar a força dos grampos que prendem a amostra no local, resultando em deslizamento da amostra através dos grampos e resultados imprecisos. Este problema foi resolvido com a utilização de amostras em forma de osso de cão com as almofadas em cada extremidade. Esta utilização deste método para a medição e a análise in vivo do comportamento mecânico de micropilares não está limitado à classe PVAc-NC de materiais. Aplicações potenciais adicionais incluem o controlo da taxa de degradação de materiais biodegradáveis ​​22 e caracterizar o comportamento mecânico dos tecidos biológicos 23,24, bem como a caracterização das estruturas de microescala para aplicações não biológicas. Além disso, os controlos ambientais adicionais podem ser adicionados (por exemplo, pH, comprimento de onda da luz ambiente, campo eléctrico, campo magnético) para os materiais que respondem a diferentes estímulos 25,26. Uma das principais vantagens deste método é a sua versatilidade e aplicabilidade a muitos materia diferentels e aplicações.

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Disclosures

Não temos nada a divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade Case Western Reserve, tanto através laboratório start-up fundos (J. Capadona) ea Medtronic graduação Fellowship (K. Potter). O financiamento adicional sobre esta pesquisa foi apoiada em parte pela NSF concessão ECS-0621984 (C. Zorman), o caso Alumni Association (C. Zorman), o Departamento de Assuntos de Veteranos através de uma revisão Prêmio Mérito (B7122R), bem como o Advanced Plataforma Tecnológica 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Teste de microtração ambientalmente controlado mecanicamente adaptativas nanocompósitos poliméricos para<em&gt; Ex vivo</em&gt; Caracterização
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Hess, A. E., Potter, K. A., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Capadona, J. R. Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization. J. Vis. Exp. (78), e50078, doi:10.3791/50078 (2013).More

Hess, A. E., Potter, K. A., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Capadona, J. R. Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization. J. Vis. Exp. (78), e50078, doi:10.3791/50078 (2013).

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