Summary
Es wird ein Verfahren beschrieben, mit denen die
Abstract
Implantierbare Mikrovorrichtungen gewinnen große Aufmerksamkeit für mehrere biomedizinische Anwendungen 1-4. Solche Geräte sind aus einer Reihe von Materialien, die jeweils ihre eigenen Vor-und Nachteile 5,6 worden. Am bekanntesten ist, durch die Vorrichtung im Mikromaßstab Abmessungen wird ein hoher E-Modul erforderlich ist, um die Implantation in lebendes Gewebe zu erleichtern. Umgekehrt sollte die Steifigkeit der Komponente entsprechen der umliegende Gewebe induzierte lokale Dehnung 7-9 minimieren. Deshalb haben wir vor kurzem entwickelt eine neue Klasse von bio-inspirierten Materialien, um diese Anforderungen durch die Reaktion auf Reize aus der Umwelt mit einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften 10-14 erfüllen. Genauer gesagt, zeigt unsere Poly (Vinylacetat) Nanoverbundwerkstoff (PVAc-NC) eine Verringerung der Steifigkeit, wenn sie Wasser und hohen Temperaturen (zB Körpertemperatur) ausgesetzt. Leider gibt es einige Verfahren, um die Steifigkeit der Materialien in vivo 15 und mech quantifizierenanischer Tests außerhalb des physiologischen Umgebung erfordert oft große Proben ungeeignet für die Implantation. Ferner kann Stimuli-responsive Materialien schnell wieder ihre anfängliche Steifheit nach Explantation. Daher haben wir eine Methode, mit der die mechanischen Eigenschaften des implantierten Mikroproben ex vivo gemessen werden entwickelt, mit simulierten physiologischen Bedingungen gehalten mit Feuchtigkeit und Temperaturkontrolle 13,16,17.
Zu diesem Zweck wurde eine eigene Microtensile Tester ausgelegt für mikro-Proben 13,17 mit weit variierenden Young-Module (Bereich von 10 MPa bis 5 GPa). Da unser Interesse sind bei der Anwendung von PVAc-NC als biologisch adaptierbare neuronalen Testsubstrat ein Werkzeug, das mechanische Charakterisierung von Proben im Mikromaßstab notwendig war. Dieses Tool wurde angepasst, um Feuchtigkeit und Temperatur-Steuerung, die Probe minimiert Trocknen und Kühlen 17 vorzusehen. Als Ergebnis der Mechanikeral Eigenschaften des explantierten Proben eng entsprechen denen der Probe unmittelbar vor der Explantation.
Das Ziel dieses Verfahrens ist es, das quantitativ in vivo mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Young-Modul, der auf äußere Reize reagieren, mechanisch adaptive Materialien auf Polymerbasis zu bewerten. Dies geschieht, indem zunächst die Umgebungsbedingungen, die eine Änderung in der Probe mechanische Eigenschaften nach der Explantation, ohne zu einer Verringerung der Steifigkeit der unabhängig von dem durch Implantation minimiert erreicht. Die Proben werden dann für die Implantation, die Bearbeitung und Prüfung (Abbildung 1A) hergestellt. Jede Probe wird in der Großhirnrinde von Ratten, die hier als explantierten Rattenhirn, für eine bestimmte Dauer (Abbildung 1B) vertreten implantiert. An diesem Punkt wird die Probe explantiert und sofort geladen in die Microtensile Tester, und dann einem Zugtest unterworfen (Abbildung1C). Nachfolgende Datenanalyse bietet einen Einblick in das mechanische Verhalten dieser innovativen Materialien in der Umgebung der Hirnrinde.
Protocol
1. Probenvorbereitung
- Bereiten PVAc-NC mit einer Dicke im Bereich von 25-100 um unter Verwendung einer Lösung Gießen und Kompressionstechnik 10-12.
- Halten Folie auf einen Siliziumwafer durch Erhitzen auf einer Heizplatte für zwei Minuten bei 70 ° C (über der Glasübergangstemperatur), um einen innigen Kontakt zwischen der Folie und dem Wafer zu fördern. Dieser Schritt stellt sicher, dass die hergestellten Folie flach und an den Si-Wafer, die zur ebenen Mikrobearbeitungsprozesse ist bleibt.
- Muster des Films in der Probe Geometrien durch Laser-Mikrobearbeitung (VLS 3.50, VersaLASER). Stellen Sie die direkten CO 2-write Lasermikrobearbeitung Parameter auf 1,0% Leistung (0,5 W), 4,0% Geschwindigkeit (56 mm / s), und 1.000 Impulsen pro Zoll 13,16.
- Pattern Proben, die verwendet werden, um Umgebungsbedingungen ("setup samples") in Form von Hundeknochen Strukturen aufzubauen mit seitlichen Polster Abmessungen 1,5 x 1,5 mm 2 und Querträger dim werdenmaße 300 x 3000 um 2, mit einer Dicke, die der des ganzen Films (Abbildung 2).
- Muster die Proben für ex vivo-Experimente ("Implantat Probe") in Balken 300 um x 6 mm, mit einer Dicke, die der des Films.
- Vorsichtig lösen die Proben aus dem Wafer mit einer Rasierklinge und Pinzette.
- Für Probenhandling bereiten individuell bearbeiteten Acryl Halter entwickelt, um als Teil der Grip-System in der Microtensile Tester dienen. Laser-geätzten Markierungen zeigen die Mittellinie des Halters und 1,5 mm vom Ende. Legen Sie eine kleine Menge Sekundenkleber Gel-Kleber auf der Mittellinie des Acryl-Halter und sorgfältig einhalten eine 1,5 mm Länge des Implantats Probe auf dem Halter und überlappen die markierte Mittellinie (Abbildung 3). Jedes Implantat Probe erfordert eine Acryl-Halter. Achten Sie darauf, dass der Klebstoff-Gel nur entlang der 1,5 mm Länge des PVAc-NC mit dem acr eingehalten bleibtylic Inhaber. Andernfalls kann der Klebstoff Gel mit dem mechanischen Verhalten der Probe stören.
- Entfernen Feuchtigkeit aus allen Proben, indem sie in einem Exsikkator für mindestens 24 Stunden.
- Die Länge, Breite und Dicke Abmessungen der Proben unter Verwendung eines optischen Mikroskops.
2. Stellen Umgebungsbedingungen
- Legen Sie eine trockene Probe in das Setup Microtensile Tester (siehe Abbildung 4), erster Einklemmen zwischen den mobilen Griffe, dann zwischen den festen Griff.
- Montieren einer Luftbürste mit einem mit Wasser gefüllten Behälter in einer festen Position, wobei die Düse in Richtung der Microtensile Probe gerichtet. Verbinden Sie die Airbrush mit einem Luftkompressor via Kunststoffschlauch. Mit der Airbrush Düse vollständig geschlossen ist, auf dem Luft-Kompressor einzuschalten.
- Beginnen zyklischen Microtensile Testverfahren, abwechselnd Zugbelastung (positive Stamm) und Stauchung (negative Dehnung), die auf ter Probe, dennoch innerhalb des linear-elastischen Bereich der Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Für PVAc-NC wird die aufgebrachte Belastung auf weniger als 2% begrenzt. In der benutzerdefinierten Microtensile Tester in diesen Experimenten verwendet wurde der Stamm Rate gesteuert werden, während die erforderliche Kraft, um diese Belastung zu erreichen, wurde gemessen. Alternativ kann eine andere Einrichtung umfassen Steuern der angelegten Kraft während des Messens der resultierende Stamm.
- Schrittweise Erhöhung der Strömung aus der Luft Bürstdüse und überwachen die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Diagramm als Funktion der Menge an Strom aus der Luft Pinsel. Der maximale Strom, der nicht bewirkt, dass eine signifikant (> 10%) Verringerung des Elastizitätsmoduls über einen Zeitraum von 60 Sekunden ist der Pegel, der für die ex vivo-Experimente verwendet wird. An dieser Stelle, die Feuchtigkeit, die nicht benetzen einen trockenen Probe (und damit zu einer Verringerung des Elastizitätsmoduls beitragen), und minimiert auch die Probe nach dem Trocknen zu biologischen Flüssigkeiten in vivo ausgesetzt worden ESTAblished.
- Messen Sie die Temperatur in der Nähe der Probe. Eine ideale Lösung, würde ein Thermoelement mit Digitalanzeige und durchgeführt werden, während die Airbrush in Betrieb ist. Stellen Sie die Intensität und Abstand der Wärmestrahler so dass die Temperatur der Probe auf 37 ° C, um physiologische Bedingungen entsprechen gehalten wird.
3. Vergleichen Environmental Control zu Non-Environmental Control
- Tauchen Setup Proben für mindestens 30 min in Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung. Nach dieser Zeit wird die Probe vollständig gesättigt und hat auf seinen minimalen Elastizitätsmodul wurde bei einer gegebenen Temperatur reduziert.
- Schnell laden einer Probe in die Microtensile Tester und beginnen zyklischen Microtensile-Test, mit dem Air-Brush-off, während die Probe trocknet. Damit wird festgelegt, wie schnell die Probe trocknet unter nicht kontrollierten Bedingungen.
- Legen Sie eine zweite PBS-gesättigten Setup Probe in die Microtensile Tester, und beginnen zyklischen Microtensile-Testmit der Luft Pinsel auf. Damit wird festgelegt, wie schnell die Probe trocknet unter kontrollierten Umgebungsbedingungen.
4. Probe Implantation und Explantation
- Bringen Implantat Probe zu einem Mikromanipulators Klemme und Position senkrecht zur kortikalen Gewebe.
- Vor dem Einsetzen halten Gewebe ausreichend feucht mit Kochsalzlösung bis zur Homogenität des Gewebes Mechanik gewährleisten.
- Senken Sie die Polymer Probe in der Hirnrinde mit den Mikromanipulators Hand steuert. Lassen Sie die Proben in kortikalen Gewebe, bis der Ziel-Implantat Zeit, im allgemeinen zwischen 1 und 30 min. Um Gewebe vor dem Austrocknen für Zeitpunkte verhindern, dass über 5 min, leicht dab das Gewebe alle 5 min mit einer Kochsalzlösung getränkten Wattestäbchen.
- Während die Sonde in der Hirnrinde implantiert wird, bereiten die Microtensile Tester zum Laden des momentan implantierten Probe, indem die Antriebsstange mit der Null-Verschiebung Position von 3,0 mm von der stationären Klemme Probe. Legen Sie auch die Luft Bürstdüseder Flow-Einstellung und der Strahlungswärme auf die ordnungsgemäße Intensität bestimmen in Schritt 2.4.
- Am Ende der angegebenen Zeit Implantat, heben Sie die Sonde aus der Rinde mit den Mikromanipulators Hand steuert. Sofort und sorgfältig, entfernen Sie die Probe aus dem Mikromanipulators Klemme und laden in die Microtensile Tester, wie detaillierter in Schritt 5.2 beschrieben.
5. Microtensile Prüfung von Proben Implant
- Um Zeit zu sparen nach der Explantation, sicherzustellen, dass die Microtensile Tester komplett um das Implantat Probe vor der Implantation zu akzeptieren, wie in Schritt 4.4 beschrieben ist.
- Unmittelbar nach Explantation, laden Sie die Probe zwischen den beiden Sätzen von Microtensile Tester Schellen. Da die Probe in einer Acryl-Halter entwickelt, um als der oberen Hälfte eine Klammer dienen montiert ist, das Implantat Probe Montage auf dem mobilen Grip, Probe nach unten. Es ist wichtig, dass die Probe so angebracht ist, daß der Stamm ist applIED nur entlang der Länge der Sonde zu vermeiden, dass Drehmoment auf die Probe während des Tests. Als solche muss die Probe auf die Mitte jeder Klemme montiert zu werden, und die Klammern müssen auf gleicher Höhe mit Bezug aufeinander.
- Einstellen der Probenposition, dass der Abstand zwischen den Klemmen 3.0 mm, und das Ende der Sonde in der festen Klemme angeordnet ist. Diese 3,0 mm Länge zwischen den Klemmen ist die Messlänge der Probe und wird in späteren Berechnungen verwendet werden, um die Belastung der Probe zu bestimmen.
- Unmittelbar nach dem Befestigen der Probe zwischen den beiden Klemmen und innerhalb von 2 Minuten der Explantation von Nervengewebe, den Motor ein in Zugrichtung, um die Probe mit einer konstanten Geschwindigkeit (10 um / sec welche hier) längliche, bei gleichzeitiger Messung und Aufzeichnung der Dehnung der Probe (mit einer Verschiebung Indikator Mitutoyu 543-561) und die damit verbundenen Kraft (mit einer Wägezelle, Transducer Techniques MDB-2.5) erforderlich, um die Probe belasten.
- Wiederholen der Microtensile-Test für jede Probe und / oder jeden Satz von Bedingungen (dh Insertion Zeit).
6. Data Analysis
- Konvertieren der rohen Dehnung Daten Engineering Belastung, die auf das Implantat Probe, indem der Abstand der Dehnung durch die ursprüngliche Meßlänge, wie in Gleichung 1 beschrieben, wobei ε die angelegte Spannung, t die Zeit ist, d der Verschiebung von der Mikrometer gemessen Indikator, und L 0 die anfängliche Messlänge der Probe:
(1) - Konvertieren Sie die rohe Kraft Daten an den Engineering-Stress auf die Probe, indem die Kraft (in Newton), von der transverse Querschnittsfläche, wie in Gleichung 2 beschrieben:
(2)
wobei σ ist die Belastung der Probe, F die Kraft durch die Lastzelle (in Newton) gemessen wird, ist w 0 die anfängliche Breite der Probe, und t 0 die anfängliche Dicke der Probe. - Zeichnen Sie die Spannung (σ [t]) vs Dehnung (ε [t])-Kurve für jede Probe mit Hilfe eines Computerprogramms, wie z. B. Microsoft Excel.
- Trennen Sie das linear-elastischen Teil der Handlung und Nutzung von Software-basierten Kurvenanpassung Werkzeuge, um die beste Passform Linie auf diesen Teil zu finden. Die Steigung der Regressionsgeraden entspricht der Young-Modul der Probe. Die isolierten Teil des Grundstücks sollte mindestens 10 Spannungs-Dehnungs-Punkte und sollte von dem Teil des Grundstücks, wo die Steigung am größten ist, entnommen werden.
- Für zyklische Tests, wird der Young-Modul muss für jeden Zyklus bestimmt werden. Dies kann automatisiert oder manuell durchgeführt.
- Für die zyklische Versuche, Grundstück der Young-Modul von jedem Zyklus als Funktion der Zeit. Dies zeigt, wie die gemessenen Modul mit der Zeit verändert, die anzeigt, wie schnell ein Setup Probe benetzt oder getrocknet ist.
- Für Implantat Proben entspricht jeder Probe und der Implantation ein Zyklus der zyklischen Tests. Messen des Young-Moduls unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren für jedes Implantat Probe beschrieben.
- Zeichnen Sie das Elastizitätsmodul im Vergleich Implantat Zeit. An diesem Punkt können Vergleiche benchtop Untersuchungen usw. hergestellt werden
(1) 
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Representative Results
Die mechanischen Eigenschaften nahezu alle polymeren Materialien, einschließlich unserer PVAc-NC, sind von unter Einwirkung von Umgebungsbedingungen. Vor allem sind dies die Einwirkung von Hitze und Feuchtigkeit. Wenn ein Material durch die Aufnahme von Feuchtigkeit plastifiziert wird, oder einer thermischen Übergang, wird eine Verringerung des Elastizitätsmoduls. Bei der Herstellung der Feuchtigkeit und der Temperatur-kontrollierten Umgebung für die ex vivo-Probe mechanische Charakterisierung, ist es wichtig, sicherzustellen, dass es eine minimale Änderung des Feuchtigkeitsgehalts der Probe beim Laden der Probe in die Microtensile tester, als auch bei der mechanischen Prüfung. Dies wird unter Verwendung der Steuerdaten Setup Probe Experimente, um sicherzustellen, dass die Probe nicht durch die Feuchtigkeit durch die Luft erzeugt Bürste beeinflusst, noch schnell in die äußere Umgebung zu trocknen. 5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm zeigt das mechanische Verhalten eines trockenen Setup Probe während cycliCal Zugversuch nach einem geeigneten Airbrush Feuchtigkeit Einstellung. Jede Änderung des Elastizitätsmoduls während der Luftbürste eingeschaltet ist minimal. Dies ist wichtig, da das äußere Umfeld nicht zu einer Verringerung oder Erhöhung der Steifigkeit beitragen. Wenn die Strömung von der Luftbürste zu hoch gesetzt ist, wird der Young-Modul der Probe deutlich innerhalb von etwa 60 sec zu verringern.
Die Kontrolle über die mechanischen Testumgebung können auch dafür sorgen, dass die Materialien nicht vorzeitig austrocknet. Zum Beispiel erhöht die Nutzung unseres Feuchtigkeit kontrollierten Umgebung die Zeit für eine Explantation erforderlich Probe zu trocknen und wieder seine Prä-Implantations-mechanischen Eigenschaften. Abbildung 6 zeigt die Trocknung Verhalten von zwei Control Setup Proben bis zur Sättigung getränkt dann zyklischen Zugversuche unter unterzogen sowohl kontrollierten und nicht-kontrollierten Umgebungsbedingungen. Unter einer nicht kontrollierten Umgebung erholen die Proben einen Elastizitätsmodulvon mehr als 400 MPa in 150 sec, während der die Probe in die Microtensile Tester geladen wurde. Dieses Elastizitätsmodul Anstieg von 20-40 mal, dass einer gesättigten Probe ergab sich aus der schnellen Trocknung der Probe 13. Unter Umwelt-Kontrolle, ist eine erhebliche Zunahme des Young-Modul erst 240 Sekunden nach der Entnahme aus dem Tauchbad gemessen. Diese Zeit reicht aus, um sowohl Belastung der Probe und führen Sie genug von der mechanischen Prüfung, um die Extraktion der Young-Modul aktivieren.
Der Entwurf für den Implantat-Proben für ex-vivo-Tests (Abbildung 3) umfasst die Berücksichtigung einer Reihe von Faktoren ab. Zunächst müssen die Proben in das Gewebe von Interesse, die die Hirnrinde in dieser Untersuchung ist, implantiert werden. Als Ergebnis sollte die Probe haben eine Nadel-inspirierten Geometrie, die durch die enge PVAc-NC Balken dargestellt wird. Darüber hinaus sollte die Probe im Hinblick auf die erforderliche Kraft, um p gestaltet werdenenetrate das Gewebe von Interesse, ohne zu knicken. Eulerschen Knicken Formel berücksichtigt der Elastizitätsmodul des Materials, als auch die Länge, Breite und Dicke des Strahls, um eine kritische Kraft, bei der ein Strahl-typische Sonde voraussichtlich 17 Schnalle bereitzustellen. In dieser Studie wurden die Träger Abmessungen so gewählt, dass die Sonde würde durch das neuronale Gewebe ohne Knickgefahr eindringen. Da frühere Studien, die eine Insertion Force weniger als 15 mN, eine gewählte Sonde Länge von 4,5 mm bis 3 mm einen Test und einen mit 1,5 mm Länge zum Greifen zu ermöglichen, und ein bekannter Film Dicke von mehr als 75 um, konnten wir berechnen, dass die Sonde Breite sollte um 107 überschreiten. Um eine maximale Wiederholgenauigkeit mit dem Laser-Mikrobearbeitung Werkzeug zu gewährleisten, wurde eine Breite von 300 um für die Proben ausgewählt. Ein weiterer Grund zur Besorgnis ist der Mikrosonde Probenhandhabung beim Einführen in das Gewebe und das Entfernen aus dem Gewebe. Als eine einfache Strahl während der Handhabung beschädigt werden können, Anbringen der beam zu einem erheblichen Struktur (dh die Acryl-Halter) ermöglicht sichere Übertragung der Implantation und mechanische Prüfungen. Schließlich ist diese Anordnung optimiert, um für das Laden in die Zugprüfmaschine so schnell wie möglich zu ermöglichen.
Ein repräsentatives Diagramm, das Spannungs-Dehnungs-Kurven für einen trockenen Probe und einem nassen Probe, die in der Ratte Kortex wurde für 30 min hatte implantiert ist in 7 gezeigt. Der Young-Modul, die an die Steigung der Spannungs-Dehnungs-Plot im linearen elastischen Bereich entspricht, ist eindeutig viel größer für die trockene Probe als für das implantierte Probe. Beide Proben wurden angespannt zu brechen. Jedoch ist der Young-Modul von der linearen elastischen Bereich des Diagramms, die früh in der Zugprüfung wird gesammelt, bevor eine plastische Verformung und Versagen der Probe, wie in 8 gezeigt abgeleitet. Abbildung 9 zeigt, daß nach ca. 5 min nach der Implantation, die Probe disspielt wenig Veränderung in der Young-Modul, was darauf hindeutet, dass die Probe Sättigung und minimale Steifigkeit erreicht in diesem Zeitraum.
Abbildung 1. Schematische Darstellung des experimentellen Methode, um die in vivo mechanische Verhalten eines Stimuli-responsive, mechanisch-adaptive Polymernanoverbundstoff Mikrosonde charakterisieren. (A) Zunächst wird die Probe durch Strukturieren der PVAc-NC Film in einem Strahl präpariert und die Montage auf einem Acryl- Halter. (B) Die Sonde wird dann in der Großhirnrinde für einen bestimmten Zeitraum implantiert. (C) Schließlich wird die Probe explantiert und einer Microtensile-Test unter Verwendung eines speziell angefertigten Microtensile Tester.
Abbildung 2. Laser-Mikrobearbeitung PVAc-NC-Setup Probe für den Aufbau notwendigen ökologischen Bedingungen für die Aufrechterhaltung der in vivo mechanische Verhalten der PVAc-NC Implantat Proben nach der Explantation.
Abbildung 3. Fotografien Implantat Probe, bestehend aus einem Laser-gemusterten PVAc-NC Strahl angebracht ist, um einen Halter aus Acryl.
Abbildung 4. Blockschaltbild des Microtensile Tester. Die Probe zwischen einer festen Klemme und einer beweglichen Klammer, die mit der Antriebsstange des Linearmotors verbunden ist Piezomotor eingespannt ist. Die Verformungsgeschwindigkeit des linearen Piezomotor gesteuert wird und der Stamm wird unter Verwendung des Verschiebungsanzeiger. Die Belastung der Probe notwendig Stamm ist mirasured von einer Kraftmeßdose. Die Umweltbedingungen in der Umgebung der Probe werden mit einer Luftbürste und einer Wärmelampe gesteuert.
Abbildung 5. Young-Modul (E) als Funktion der Zeit, wie beim zyklischen Zugversuche die richtigen Luftbürste Einstellungen zur Steuerung der Feuchtigkeit in der Testumgebung zu bestimmen. Der schraffierte Bereich ist die Zeit, während der die Luftbürste eingeschaltet wurde. An der Luft Pinsel-Einstellungen verwendet wird, muss der Elastizitätsmodul nicht wesentlich ändern im Laufe der Zeit, was darauf hindeutet, dass die Menge des Wassers durch das Setup-Probe aus der Luft absorbiert Bürste nicht ausreicht, um zu einer Verringerung der Steifigkeit beitragen.
Abbildung 6. Young-Modul (E) gegen die Zeit für Wasser-gesattigtened Proben in beiden Feuchtigkeit kontrollierten und nicht-kontrollierten Zugversuch Umgebungen. Die Wiederherstellung des anfänglichen Elastizitätsmodul viel langsamer in der kontrollierten Umgebung.
Abbildung 7. Beispiel Spannungs-Dehnungs-Diagramme für PVAc-NC Proben, die trocken (nie implantiert) und nass (ex vivo, aus Gewebe nach 30 min in vivo explantierten) waren.
Abbildung 8. Zusätzlicher Spannungs-Dehnungs-Diagramme zeigen, dass der linear-elastischen Teil der Handlung aus dem gesamten Spannungs-Dehnungs-Diagramm (links) wird isoliert und extrahiert und passen zu einer Linie (rechts). Für diese spezielle Messung, die Young-Modul beträgt 16,8 MPa. Klicken Sie hier, um eine größere Abbildung anzuzeigen .
Abbildung 9. Young-Modul E, gegenüber Implantat für PVAc-NC Proben in Kortex implantiert. Die Fehlerbalken repräsentieren Standardfehler mit n = 4, mit Ausnahme des 5 min Implantat, mit n = 2 ist.
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Discussion
Die Weiterentwicklung der implantierbaren biomedizinischen mikro-elektromechanische Systeme (bioMEMS) für die Interaktion mit biologischen Systemen ist motivierend, die Entwicklung neuer Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften hoch. Einige dieser Materialien sind so konzipiert, um eine Änderung der Materialeigenschaften in Reaktion auf einen Reiz in der physiologischen Umgebung gefunden aufweisen. Eine kürzlich entwickelte Klasse von Materialien reagiert auf das Vorhandensein von Wasserstoff-Bindung bildenden Flüssigkeiten (z. B. Wasser) und erhöhten Temperaturen, den Young-Modul, ein Maß für die Steifigkeit des Materials, die von drei Größenordnungen 10,11,18 reduzieren. Diese Polymer-Nanokomposit-Materialien haben eine weiche Polymermatrix (zB Poly (vinylacetat)) mit Cellulose-Nanofasern als Nanofüllstoffs Phase. Wechselwirkungen zwischen den Cellulose-Nanofasern diktieren die mechanischen Eigenschaften des Materials als Ganzes, und "ein", wenn sie trocken und "ausgeschaltet" bei Nässe. Darüber hinaus plastifiziert Wasser das Polymer nanocomposite, wodurch die Glasübergangstemperatur bis unterhalb der Körpertemperatur (37 ° C), was zu einer weiteren Verringerung des Elastizitätsmoduls. Eine Anwendung für diese Klasse von Materialien ist als Bio-Substrat für adaptive intrakortikale Sonden zur Anbindung an einzelnen Neuronen 13,17 dienen. Allerdings sind die Vorteile eines mechanisch-adaptive Material keiner Schnittstelle mit dem Nervensystem beschränkt.
Präsentiert hier ist ein Verfahren, mit dem das mechanische Verhalten von PVAc-NC-basierte kleinpfähle nach der Implantation in neuronalen Gewebe für eine bestimmte Zeit beurteilt werden kann. Mit dieser Methode können ex vivo mechanischen Daten für den Vergleich mit Tisch-Studien gesammelt werden. Ferner kann die Zeitskala der Änderungen der mechanischen Eigenschaften ermittelt. Die Umwelt-Kontrolle durch die stark abstimmbaren Airbrush und strahlende Wärme Einstellungen aktiviert einen Mechanismus, mit dem die implantierten Proben ex vivo getestet werden mit Mini werdenmal Veränderung der mechanischen Eigenschaften, die aus der Änderung der Umgebung. Als solche kann die in vivo-Verhalten des Materials abgeleitet werden, die überlegene Informationen im Vergleich zu benchtop Experimenten mit Proben vollständig in künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit (ACSF) eingetaucht. Die komplexen physiologischen Umfeld erfordert die Verfügbarkeit solcher Methoden, aber experimentelle Methoden für diese Einschätzung sind begrenzt.
Es gibt mehrere Vorteile für unsere Verfahren zur mechanischen Charakterisierung von implantierten, mechanisch-adaptive Polymernanoverbundstoff Proben. Der Brauch Microtensile Tester eignet sich für Testen von Proben mit Abmessungen vergleichbar mit einem typischen neuronalen Sonde (1,5-8 mm lang, 50-500 &mgr; m breit, 15-100 um dicken 3,19-21). Andere mechanische Charakterisierung Methoden sind entweder für größere, Sammelproben oder nanoskaligen Proben. Mit Hilfe eines mechanischen Test-Tool der entsprechenden Skala entfernt die unbekannte Eigenschaft der Skalierbarkeit. Darüber hinaus hat die Microtensile Tester offenen Zugang zu der zu testenden Probe, so dass Feuchtigkeit und Temperierung der Testumgebung. Ferner kann, selbst mit Umweltschutz, ist es notwendig, schnell beginnen Zugversuch nach dem Entfernen der Probe aus dem Nervengewebe. Ex vivo Probe Trocknung und damit Versteifung, wurde hier mit Testprobe und Microtensile Tester Designs schnell (in der Regel innerhalb erleichtern minimiert 120 sec) Belastung und dem Beginn der mechanischen Prüfung. Schließlich nimmt diese Microtensile Tester Proben, die keine Beläge an beiden Enden, die Erleichterung Verwendung fühlerähnlichen Proben für mechanische Prüfungen, die in Tiere in der gleichen Weise wie für die biologische Bewertung implantiert werden kann.
Entfernen der Probe aus dem Nervengewebe präsentiert eine neue Umgebung, die zu Veränderungen in mechanische Verhalten nach der Explantation führen kann, da die Stimuli-responsive Verhalten des Materials ist eine reversiblend potenziell flink. Bei Verwendung dieser ökologisch kontrollierten Zugversuch Verfahren, um die Änderung in mechanische Verhalten nach der Probe Implantation in das Gehirn zu beurteilen für einen bestimmten Zeitraum, sollten die mögliche Diskrepanzen in Bezug auf diesen tatsächlichen Elastizitätsmodul in vivo betrachtet. Erstens, durch Testen der Proben ex vivo, sind sie per Definition, aus der physiologischen Umgebung ausgesetzt und auf eine alternative Umgebung. Für eine Probe mit mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, wird durch Entfernen einer Probe aus der Umwelt, ihren mechanischen Eigenschaften. Der Zeitplan mit dem diese Änderung eintritt, hängt von den Materialeigenschaften sowie der Grad, zu dem die äußere Umgebung gesteuert wird.
Dieser Ansatz zur Charakterisierung und Quantifizierung von stimulierbaren mechanischen Eigenschaften am besten für Proben mit nadelartigen Geometrien mit einer Länge sehr großer als die Breite bzw. Dicke der Vorrichtung. Darüber hinaus sollte die Steifigkeit des Materials und dem jeweiligen Motor und die maximale Kraft, die bei der Auswahl Geräteabmessungen werden. Da eine Reihe von Abmessungen der Probe wird einem steiferen Material erfordern eine größere Zug-Kraft auf die gleiche Höhe der Belastung als ein Material mit einem kleineren Elastizitätsmodul sind. Die Verringerung der Breite und / oder Dicke, oder die Erhöhung der Länge der Probe, verringert sich die erforderliche Kraft, um das längliche Probe eine bestimmte Menge. Für die individuelle Zugversuch Setup hat die lineare Piezomotors eine maximale Zugkraft von 6 N, die für Proben ermöglicht mit Young-Modul von 5 GPa und Querschnittsbereich bis 24.000 &mgr; m 2 angespannt 5% ohne Erreichen der maximalen Zug werden Kraft des Motors. Die Wägezelle verwendet, um die Kraft in der Microtensile Tester messen mit einer Auflösung von weniger als 1 mN, so dass die kleinsten Elastizitätsmodul, die in den Proben in unserer Studie verwendet wurde, gemessen werden kann (Breite 300um, Dicke 100 um) etwa 1 MPa. Diese untere Grenze kann ferner unter Verwendung von Proben mit einer größeren Querschnittsfläche verringert sein. Die Verschiebung Anzeige hat eine Auflösung von 0,5 um, was ausreichend für die Materialien mit elastischen Verhalten beschränkt sich auf 0,2% Dehnung (bei einer anfänglichen Länge von 3 mm), die ein Auftrag eine Größenordnung kleiner als die elastischen Bereich ist für ist PVAc- NC auch im trockenen Zustand.
Ein Nachteil dieser Methode der ex vivo Charakterisierung ist, dass es möglicherweise nicht wirksam für sehr steif oder spröde Materialien. Praktisch gesprochen, so muss die Probe schnell in die Microtensile Tester montiert werden, ist ein sprödes Material Bruchgefahr bei der Montage. Darüber hinaus sind die balkenförmigen Proben (mit Abmessungen die mit denen von unseren Experimenten) mit einem Ende mit dem Halter aus Acryl geklebt und das andere Ende frei ist nicht für Materialien von mehr als etwa 2,5 GPa eingesetzt werden, da die Kraft, die erforderlich Strain der Probe überschreitet die Kraft der Klemmen halten die Probe an Ort und Stelle, was ein Verrutschen der Probe durch den Klemmen und ungenauen Ergebnissen. Dieses Problem wurde durch die Verwendung von Hundeknochen-förmigen Muster mit Pads an jedem Ende zu überwinden. Diese Verwendung dieses Verfahrens zur Messung und Analyse der in vivo-mechanischen Verhaltens von Mikrosonden ist nicht auf die PVAc-NC Klasse von Materialien beschränkt. Weitere mögliche Einsatzgebiete sind die Überwachung der Abbaurate von biologisch abbaubaren Materialien 22 und Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von biologischen Geweben 23,24, sowie Charakterisierung von mikroskaligen Strukturen für nicht-biologische Anwendungen. Ferner können zusätzliche Umwelt-Steuerelemente hinzugefügt (zB pH-Wert, der Wellenlänge des Umgebungslichts, elektrisches Feld, magnetisches Feld) für Materialien, die in Reaktion auf verschiedene Reize 25,26 befinden. Einer der wichtigsten Vorteile dieser Methode liegt in ihrer Vielseitigkeit und Anwendbarkeit auf viele verschiedene materials und Anwendungen.
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Disclosures
Wir haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Abteilung für Biomedizinische Technik an der Case Western Reserve University sowohl durch Labor Anschubfinanzierung (J. Capadona) und der Graduate Fellowship Medtronic (K. Potter) unterstützt. Zusätzliche Mittel auf dieser Forschung wurde zum Teil unterstützt durch NSF ECS-0621984 (C. Zorman), der Fall Alumni Association (C. Zorman), das Department of Veterans Affairs durch eine Bewertung Merit Award (B7122R), sowie die erweiterte 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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