Summary
Un metodo è discusso con cui la
Abstract
Microdevices impiantabili stanno guadagnando l'attenzione significativa per diverse applicazioni biomediche 1-4. Tali dispositivi sono stati fatti da una serie di materiali, ognuno con i suoi vantaggi e le carenze 5,6. Più prominente, a causa delle dimensioni del dispositivo microscala, un elevato modulo è necessario per facilitare l'impianto nel tessuto vivente. Viceversa, la rigidità del dispositivo dovrebbe corrispondere al tessuto circostante di minimizzare indotta deformazione locale 7-9. Pertanto, abbiamo recentemente sviluppato una nuova classe di materiali bio-ispirati per soddisfare queste esigenze, rispondendo agli stimoli ambientali con una modifica delle proprietà meccaniche 10-14. Specificamente, la nostra nanocomposito (acetato di vinile) basata poli (PVAc-NC) mostra una riduzione della rigidità quando esposti ad acqua e temperature elevate (ad esempio temperatura corporea). Sfortunatamente, esistono alcuni metodi per quantificare la rigidità dei materiali in vivo 15, e Mechtest meccanicaa esternamente all'ambiente fisiologico richiede spesso grandi campioni appropriati per l'impianto. Inoltre, i materiali stimoli-reattiva possono recuperare in fretta la loro rigidità iniziale dopo espianto. Pertanto, abbiamo sviluppato un metodo con cui le proprietà meccaniche del microcampioni impiantati possono essere misurati ex vivo, con condizioni fisiologiche simulate mantenuti utilizzando umidità e temperatura 13,16,17.
A tal fine, un tester microtensile personalizzato è stato progettato per accogliere campioni microscala con 13,17 ampiamente variabili di moduli di Young (gamma da 10 MPa a 5 GPa). Come nostri interessi sono nella domanda di PVAc-NC come substrato sonda neurale biologicamente adattabile, uno strumento capace di caratterizzazione meccanica dei campioni alla microscala era necessario. Questo strumento è stato adattato per fornire umidità e controllo della temperatura, che minimizzata campione di essiccazione e raffreddamento 17. Come risultato, il meccanicoaL caratteristiche del campione espiantato strettamente riflettono quelle del campione appena prima espianto.
L'obiettivo generale di questo metodo è quello di valutare quantitativamente le proprietà meccaniche in vivo, in particolare il modulo di Young, di materiali di stimolo-risposta, meccanicamente-adattativa a base polimerica. Questo si ottiene prima stabilito le condizioni ambientali che minimizzeranno un cambiamento nel campione proprietà meccaniche dopo espianto senza contribuire ad una riduzione della rigidezza indipendente da quella risultante da impianto. I campioni vengono poi preparati per l'impianto, la gestione e la prova (Figura 1A). Ogni campione viene impiantato nella corteccia cerebrale di ratto, che è rappresentato qui come un cervello di ratto espiantato, per una durata specificata (Figura 1B). A questo punto, il campione viene espiantato ed immediatamente caricato nel tester microtensile, e poi sottoposto a test di trazione (Figura1C). Di analisi dei dati permette di comprendere il comportamento meccanico di questi materiali innovativi nell'ambiente della corteccia cerebrale.
Protocol
1. Preparazione del campione
- Preparare pellicola PVAc-NC di spessore nel campo di 25-100 micron utilizzando una soluzione di colata e tecnica di compressione 10-12.
- Aderire pellicola ad un wafer di silicio mediante riscaldamento su una piastra calda per due minuti a 70 ° C (sopra della temperatura di transizione vetrosa) promuovere intimo contatto tra il film e il wafer. Questo passaggio garantisce che il film preparato rimane piatto e fisso al wafer Si, necessario per i processi planari micromachining.
- Motivo del film nelle geometrie di prova del campione di laser micromachining (VLS 3.50, VersaLASER). Impostare i 2 parametri micromachining laser direct-scrittura di CO al 1,0% di potenza (0,5 W), velocità 4,0% (56 mm / s), e 1.000 impulsi per pollice 13,16.
- Campioni di pattern che saranno utilizzati per stabilire le condizioni ambientali ("campioni Setup") in strutture a forma di osso di cane con dimensioni pad laterali 1,5 x 1,5 mm 2, e la trave laterale dimensioni 300 x 3.000 micron 2, con uno spessore corrispondente a quello della pellicola durante (Figura 2).
- Reticolo i campioni per esperimenti ex vivo ("campione protesi") nelle travi 300 micron x 6 mm, con uno spessore corrispondente a quello del film.
- Rilasciare con attenzione i campioni dal wafer utilizzando una lama di rasoio e pinzette.
- Per la manipolazione del campione, preparare gli imprenditori acrilico su misura lavorati destinati a servire come parte del sistema di presa nel tester microtensile. Marcature incise con il laser mostrano la linea centrale del titolare e 1,5 mm dalla fine. Mettere una piccola quantità di cianoacrilato adesivo a base di gel sulla linea centrale del supporto acrilico e accuratamente aderire una lunghezza di 1,5 mm del campione dell'impianto al titolare e sovrapporsi alla mezzeria marcata (Figura 3). Ogni campione impianto necessita di un supporto acrilico. Fare attenzione a garantire che il gel adesivo rimane solo lungo la lunghezza di 1,5 mm PVAc-NC essendo aderito alla acrtitolare ylic. Altrimenti, il gel adesivo può interferire con il comportamento meccanico del campione.
- Rimuovere l'umidità da tutti i campioni mettendoli in un essiccatore per almeno 24 ore.
- Misurare la lunghezza, la larghezza e dimensioni di spessore dei campioni utilizzando un microscopio ottico.
2. Stabilire Condizioni ambientali
- Caricare un campione di impostazione secco nel tester microtensile (vedi Figura 4), prima di serraggio tra i morsetti mobili, quindi tra le impugnature fisse.
- Montare una spazzola d'aria con un serbatoio pieno d'acqua in una posizione fissa, con l'ugello rivolto verso il campione microtensile. Collegare la spazzola di aria di un compressore d'aria attraverso tubi di plastica. Con l'ugello aria pennello completamente chiuso, accendere il compressore d'aria.
- Iniziare procedura di test microtensile ciclica, alternando sforzo a trazione (ceppo positivo) e tensione di pressione (ceppo negativo) applicata a tegli campione, rimanendo all'interno della regione elastica lineare del grafico tensione-deformazione. Per PVAc-NC, la deformazione applicata è limitata a meno del 2%. Nel tester microtensile personalizzato utilizzato in questi esperimenti, la velocità di deformazione è stata controllata mentre la forza necessaria per raggiungere tale ceppo è stato misurato. In alternativa, un setup diverso potrebbe comportare il controllo della forza applicata durante la misurazione della tensione risultante.
- Aumentare gradualmente il flusso dall'ugello aria pennello, e monitorare la pendenza del grafico di sollecitazione-deformazione in funzione della quantità di flusso d'aria dalla spazzola. La portata massima che non provoca una riduzione significativa (> 10%) nel modulo di Young per un periodo di 60 sec è il livello che verrà utilizzato per gli esperimenti ex vivo. A questo punto, le condizioni di umidità che non bagnare un campione asciutto (e quindi contribuire alla riduzione di Young), e ridurrà campione essiccazione dopo essere stati esposti a fluidi biologici in vivo sono stati estazioni stabilite.
- Misurare la temperatura in prossimità del campione. Un setup ideale dovrebbe includere una termocoppia con lettura digitale, ed essere eseguita mentre l'aerografo è in funzione. Impostare l'intensità e la distanza della sorgente di calore radiante tale che la temperatura del campione viene tenuto a 37 ° C, per adeguarsi alle condizioni fisiologiche.
3. Confronta controllo ambientale per il controllo non-Ambientale
- Campioni di impostazione Immergere per almeno 30 minuti in soluzione salina tampone fosfato. Dopo questo periodo di tempo, il campione è completamente saturo ed è stato ridotto al minimo modulo di Young ad una data temperatura.
- Caricare rapidamente un campione nel tester microtensile e iniziare la prova microtensile ciclico, con la spazzola di aria fuori, mentre si asciuga il campione. Questo determina quanto rapidamente si asciuga il campione in condizioni non controllate.
- Caricare un secondo campione di configurazione PBS-saturi nel tester microtensile, e iniziare la prova microtensile ciclicocon il pennello aria su. Questo determina quanto rapidamente si asciuga il campione in condizioni ambientali controllate.
4. Impianto sonda e Espianto
- Allegare campione impianto ad un morsetto micromanipolatore e ortogonale al tessuto corticale.
- Prima dell'inserimento, mantenere tessuto sufficientemente umido con soluzione salina per assicurare l'omogeneità della meccanica dei tessuti.
- Abbassare il campione di polimero nella corteccia utilizzando i comandi manuali micromanipolatore. Lasciare campione in tessuto corticale fino al momento dell'impianto bersaglio, generalmente tra 1 e 30 min. Per evitare che il tessuto si secchi per i punti di tempo superiore a 5 minuti, tamponare leggermente il tessuto ogni 5 min usando un tampone di cotone imbevuta di soluzione salina.
- Mentre la sonda è impiantato nella corteccia, preparare il tester microtensile per caricare il campione attualmente impiantato impostando il puntalino alla posizione zero-spostamento di 3,0 mm dal morsetto campione stazionaria. Inoltre, impostare l'ugello aria pennelloall'impostazione flusso e la fonte di calore radiante per determinare la corretta intensità nella Fase 2.4.
- Al termine del tempo specificato dell'impianto, innalzare la sonda fuori della corteccia utilizzando i comandi manuali micromanipolatore. Immediatamente e con attenzione, rimuovere il campione dal morsetto micromanipolatore e caricare nel tester microtensile, come descritto più dettagliatamente nella Fase 5.2.
5. Test microtrazione di campioni Implant
- Per risparmiare tempo dopo l'espianto, assicurarsi che il tester microtensile è completamente pronto ad accettare il campione protesi prima dell'impianto, come descritto al punto 4.4.
- Subito dopo l'espianto, caricare il campione tra i due set di pinze tester microtensile. Dal momento che il campione è montato un supporto acrilico progettato per servire come la metà superiore di una pinza, posizionare il gruppo campione impianto sul grip cellulare, parte del campione verso il basso. È importante assicurare che il campione è fissata in modo che ceppo è applied solo lungo la lunghezza della sonda per evitare di applicare coppia al campione durante la prova. Come tale, il campione deve essere montato al centro di ciascun morsetto, ed i morsetti devono essere a livello con rispetto all'altro.
- Regolare la posizione del campione tale che la distanza tra i morsetti è 3,0 mm, e l'estremità della sonda viene inserita nella morsa fissa. Questo Lunghezza 3,0 mm tra i morsetti è il tratto utile per il campione, e sarà utilizzato in calcoli successivi per determinare la tensione sul campione.
- Immediatamente dopo il fissaggio del campione fra entrambi i morsetti, e entro 2 min dell'espianto dal tessuto neurale, attivare il motore nella direzione di trazione per allungare il campione ad una velocità costante (10 micron / sec utilizzati qui), e contemporaneamente misurare e registrare la allungamento del campione (utilizzando un indicatore di spostamento, Mitutoyu 543-561) e la forza associata (usando una cella di carico, Tecniche Trasduttore MDB-2.5) necessario per la tensione della campione.
- Ripetere il test microtensile per ogni campione e / o di ogni insieme di condizioni (cioè il tempo di inserimento).
6. Analisi dei dati
- Convertire i dati grezzi allungamento a deformazione tecnica applicata al campione impianto dividendo la distanza di allungamento per il tratto utile iniziale, come descritto in Equazione 1, dove ε è la deformazione applicata, t è il tempo, d è lo spostamento misurato dal micrometro indicatore, e L 0 è il tratto utile iniziale del campione:
(1) - Convertire i dati grezzi forza per lo sforzo di ingegneria sul campione dividendo la forza (in Newton), dalla TRAarea della sezione trasversale nsverse, come descritto in Equazione 2:
(2)
dove σ è la tensione sul campione, F è la forza misurata dalla cella di carico (in Newton), 0 w è la larghezza iniziale del campione, e 0 t è lo spessore iniziale del campione. - Tracciare lo stress (σ [t]) vs strain (ε [t]) curva per ogni campione utilizzando un programma per computer, come ad esempio Microsoft Excel.
- Isolare la parte elastica lineare della trama e utilizzare gli strumenti di raccordo di curva a base di software per trovare la migliore curva di adattamento a questa parte. La pendenza della retta interpolante corrisponde al modulo di Young del campione. La porzione isolata del complotto dovrebbe includere almeno 10 punti di sforzo-deformazione, e dovrebbe essere preso dalla parte della trama, dove la pendenza è maggiore.
- Per i test ciclici, il modulo di Young dovranno essere determinati per ogni ciclo. Questo può essere automatizzato o eseguita manualmente.
- Per le prove cicliche, trama modulo di Young di ogni ciclo in funzione del tempo. Questo indica come cambia il modulo di misura con il tempo, il che è indicativo di quanto velocemente un campione di impostazione sta bagnando o essiccazione.
- Per campioni implantari, ogni campione e momento dell'impianto corrisponde ad un unico ciclo di prove cicliche. Misurare il modulo di Young secondo la procedura descritta sopra per ogni campione implantare.
- Tracciare il modulo di Young in funzione del tempo dell'impianto. A questo punto, i confronti possono essere fatti per investigazioni da banco, ecc
(1) 
(2) Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Le proprietà meccaniche di quasi tutti i materiali polimerici, compreso il nostro PVAc-NC, dipendono esposizione a condizioni ambientali. Più in particolare, questi includono l'esposizione al calore e all'umidità. Quando un materiale viene plastificato dovuto alla captazione di umidità o subisce una transizione termica, visualizza una riduzione del modulo di Young. Nel preparare l'umidità e temperatura controllata per ex campione caratterizzazione meccanica in vivo, è importante garantire che vi sia minime modificazioni del contenuto di umidità del campione durante il caricamento del campione nel tester microtensile, così come durante prove meccaniche. Questo viene valutata utilizzando gli esperimenti di esempio di configurazione di controllo per garantire che il campione non è influenzato dalla umidità generata dalla spazzola aria, né si asciugano rapidamente nell'ambiente esterno. Figura 5 mostra un esempio grafico che dimostra il comportamento meccanico di un setup secco campione durante cyclprove di trazione iCal per una regolazione dell'umidità spazzola di aria adeguato. Qualsiasi variazione di Young mentre l'aria pennello è acceso è minimo. Questo è importante perché l'ambiente esterno non dovrebbe contribuire a una riduzione o aumento della rigidità. Quando il flusso dal pennello d'aria è troppo alto, il modulo di Young del campione si riduce in modo significativo nel giro di circa 60 sec.
Controllo sull'ambiente di test meccanico può anche assicurare che i materiali non prematuramente seccano. Per esempio, l'uso del nostro ambiente controllato umidità aumenta il tempo richiesto per un campione espiantato per asciugare e recuperare i suoi preimpianto proprietà meccaniche. Figura 6 illustra il comportamento di essiccazione di due campioni di installazione di controllo imbevuto di saturazione quindi sottoposta a test di trazione sotto ciclico condizioni ambientali sia controllate e non controllate. In un ambiente non controllato, i campioni di recuperare un modulo di Youngsuperiore a 400 MPa in 150 sec durante il quale il campione è stato caricato nel tester microtensile. Questo modulo incremento Young di 20-40 volte quella di un campione saturo provocato dalla rapida essiccazione del campione 13. Sotto il controllo ambientale, un sensibile aumento del modulo di Young non si misura fino a 240 secondi dopo la rimozione dalla vasca ad immersione. Questo periodo di tempo è sufficiente per sia il carico del campione ed eseguire abbastanza del test meccanici per consentire l'estrazione del modulo di Young.
Il disegno per i campioni per le prove implantari ex vivo (Figura 3) include la considerazione di una serie di fattori. Prima, i campioni devono essere impiantati nel tessuto di interesse, che è la corteccia cerebrale in questa indagine. Come risultato, il campione deve avere una geometria dell'ago di ispirazione, che è rappresentata dal fascio stretto PVAc-NC. Inoltre, il campione deve essere progettato per quanto riguarda la forza richiesta per penetrate il tessuto di interesse senza deformazione. Buckling formula di Eulero tiene conto del modulo di Young del materiale, così come la lunghezza, la larghezza e lo spessore del fascio di fornire una forza critica in cui si prevede una sonda fascio-tipo di fibbia 17. In questo studio, le dimensioni del fascio sono state scelte tali che la sonda potrebbe penetrare attraverso il tessuto neurale, senza rischio di deformazioni. Dato studi precedenti che mostrano una forza di inserimento inferiore a 15 mN, una lunghezza scelta sonda di 4,5 mm per consentire una trave test 3 mm e una lunghezza di 1,5 mm per presa, e uno spessore di film noto uguale a 75 micron, potremmo calcolare che la larghezza sonda dovrebbe superare i 107 micron. Per garantire la massima ripetibilità con lo strumento laser micromachining, una larghezza di 300 micron è stato scelto per i campioni. Un ulteriore punto di interesse è la gestione del campione microsonda durante l'inserimento nel tessuto e la rimozione dal tessuto. Come un raggio semplice può essere danneggiato durante la manipolazione, l'inserimento beam ad una struttura più consistente (cioè il titolare acrilico) consente un trasferimento più sicuro di impianto e di prove meccaniche. Infine, questo assembly deve essere ottimizzata per consentire il caricamento nel tester di trazione più rapidamente possibile.
Un grafico rappresentativo che mostra le curve sforzo-deformazione per un campione asciutto e bagnato un campione che era stato impiantato nella corteccia di ratto per 30 min è mostrato in Figura 7. Il modulo di Young, che corrisponde alla pendenza del grafico di sollecitazione-deformazione nella regione elastico lineare, è chiaramente molto maggiore per il campione secco rispetto per il campione impiantato. Entrambi i campioni erano tese a rompere. Tuttavia, il modulo di Young è derivato dalla porzione elastica lineare della trama che viene raccolto presto la prova di trazione, prima di entrare deformazione plastica e campioni, come mostrato in Figura 8. Figura 9 dimostra che dopo circa 5 min di impianto, la campione disgioca pochi cambiamenti nel modulo di Young, suggerendo che il campione raggiunge la saturazione e la rigidità minima entro questo periodo di tempo.
Figura 1. Schema del metodo sperimentale per caratterizzare il comportamento meccanico in vivo di una stimoli-reattiva, meccanicamente-adattativa polimero microsonda nanocompositi. (A) In primo luogo, il campione viene preparato patterning il film PVAc-NC in un fascio e di montaggio su un acrilico titolare. (B) La sonda viene poi impiantato nella corteccia cerebrale per un periodo di tempo specificato. (C) Infine, il campione viene espiantato e sottoposto a test microtensile utilizzando un tester microtensile misura.
Figura 2. Laser-micromachined PVAc-NC Esempio di impostazione per stabilire le condizioni ambientali necessarie per il mantenimento del comportamento meccanico in vivo dei campioni implantari PVAc-NC dopo espianto.
Figura 3. Fotografie di campione innesto, costituita da un fascio laser PVAc-NC-patterned montato su un supporto acrilico.
Figura 4. Schema a blocchi del tester microtensile. Il campione è bloccato tra un morsetto fisso e un morsetto mobile che è attaccato il puntalino del piezomotor lineare. La velocità di deformazione del piezomotor lineare è controllato e il ceppo viene misurata utilizzando l'indicatore di spostamento. Il carico necessario per la tensione del campione sono ioasured da una cella di carico. Le condizioni ambientali in prossimità del campione sono controllate da un pennello aria e una lampada di calore.
Figura 5. Modulo di Young (E) in funzione del tempo, come misurato durante le prove di trazione cicliche per determinare le impostazioni corrette aerografo per controllare l'umidità nell'ambiente di prova. La regione ombreggiata è il tempo durante il quale l'aria pennello è stato acceso. Le impostazioni del pennello dell'aria utilizzati, il modulo di Young non varia significativamente nel tempo, suggerendo che la quantità di acqua assorbita dal campione setup dal pennello aria non è sufficiente per contribuire ad una riduzione della rigidità.
Figura 6. Modulo di Young (E) rispetto al tempo per l'acqua-saturatcampioni di DE in entrambi gli ambienti di test di trazione controllate e non controllate di umidità. Il recupero del modulo iniziale di Young è molto più lenta in ambiente controllato.
Figura 7. Esempio di trame sforzo-deformazione per i campioni PVAc-NC che erano asciutti (mai impiantato) e umido (ex vivo, espiantato dal tessuto dopo 30 min in vivo).
Figura 8. Ulteriori set di sforzo-deformazione trame per dimostrare che la parte elastica lineare della trama è isolata dalla trama generale sforzo-deformazione (a sinistra), e si estrae e si adatta ad una linea (a destra). Per questa misurazione particolare, di Youngmodulo è 16,8 MPa. Clicca qui per ingrandire la figura .
Figura 9. Modulo di Young, E, contro implantare tempo per i campioni PVAc-NC impiantati nella corteccia. Le barre di errore rappresentano errore standard con n = 4, con l'eccezione del 5 min dell'impianto, con n = 2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
L'avanzamento dei sistemi microelettromeccanici biomedici impiantabili (bioMEMS) per l'interazione con i sistemi biologici è motivante lo sviluppo di nuovi materiali con proprietà altamente personalizzate. Alcuni di questi materiali sono progettati per esporre un cambiamento delle proprietà del materiale in risposta ad uno stimolo trovato ambiente fisiologico. Una classe di recente sviluppo di materiali risponde alla presenza di idrogeno liquidi bond-formatura (per esempio acqua) e temperature elevate per ridurre il modulo di Young, una misura della rigidezza del materiale, da tre ordini di grandezza 10,11,18. Questi materiali nanocompositi polimerici hanno una matrice di polimero morbido (ie poli (acetato di vinile)) con nanofibre di cellulosa come la fase nanoriempitivo. Le interazioni tra le nanofibre di cellulosa dettare le proprietà meccaniche del materiale nel suo complesso, e sono attivate su "on" quando asciutto e in posizione "OFF" quando è bagnato. Inoltre, l'acqua plastifica il polimero nanocomposite, riducendo così la temperatura di transizione vetrosa al di sotto della temperatura corporea (37 ° C), con conseguente ulteriore riduzione nel modulo di Young. Una applicazione per questa classe di materiali è di servire come substrato bio-adattivo per sonde intracorticali per l'interfacciamento con i singoli neuroni 13,17. Tuttavia, i benefici di un materiale meccanicamente-adattativa non sono limitati a interfacciarsi con il sistema nervoso.
Presentato qui è un metodo con cui il comportamento meccanico di micropali PVAc-NC-based può essere valutata dopo l'impianto nel tessuto neurale per un periodo di tempo specificato. Utilizzando questo metodo, ex vivo dati meccanici possono essere raccolti per il confronto con gli studi da banco. Inoltre, la scala temporale delle variazioni di proprietà meccaniche può essere valutato. Il controllo ambientale attivata dal pennello d'aria altamente sintonizzabile e impostazioni di calore radiante fornisce un meccanismo attraverso il quale i campioni impiantati possono essere testati ex vivo con minimal cambiamento nelle proprietà meccaniche derivanti dal cambiamento di ambiente. Come tale, il comportamento in vivo del materiale può essere dedotta, fornendo informazioni superiore rispetto agli esperimenti da banco con i campioni completamente immerse nel liquido cerebrospinale artificiale (ACSF). L'ambiente fisiologico complesso richiede la disponibilità di tali metodi, ma i metodi sperimentali per la valutazione sono limitati.
Ci sono diversi vantaggi per il nostro metodo per la caratterizzazione meccanica dei impiantati, meccanicamente-adattivi campioni di nanocompositi polimerici. Il tester microtensile personalizzato è adatto per l'analisi di campioni di dimensioni paragonabili a un tipico sonda neurale (1,5-8 mm di lunghezza, 50-500 micron di larghezza, 15-100 micron di spessore 3,19-21). Altri metodi di caratterizzazione meccanica sono adatti sia per i più grandi, un campione globale o campioni su scala nanometrica. Utilizzando uno strumento di test meccanico della scala appropriata rimuove l'ignoto di proprietà scalabilità. Inoltre, il tester microtensile ha libero accesso al campione in prova, permettendo umidità e controllo della temperatura dell'ambiente di prova. Inoltre, anche con controllo ambientale, è necessario iniziare test di trazione rapidamente dopo la rimozione del campione dal tessuto neurale. Ex essiccazione del campione in vivo, ed irrigidimento quindi, è stato minimizzato qui utilizzando il campione di prova e disegni tester microtensile che facilitano rapido (generalmente entro 120 sec) caricamento e avvio di prove meccaniche. Infine, questo tester microtensile alloggia campioni che non hanno rilievi su entrambe le estremità, facilitando uso di campioni sonda-come per prove meccaniche che può essere impiantato negli animali, in modo identico come per la valutazione biologica.
Rimozione del campione dal tessuto neurale presenta un nuovo ambiente, che può portare a cambiamenti nel comportamento meccanico dopo espianto perché il comportamento stimoli-reattiva del materiale è reversibile unaND potenzialmente ad azione rapida. Quando si utilizza questo metodo di prova di tensione controllo ambientale per valutare il cambiamento nel comportamento meccanico campione dopo l'impianto nel cervello per un dato periodo di tempo, occorre considerare i potenziali discrepanze rispetto a quella attuale modulo di Young in vivo. Prima, testando il campioni ex vivo, sono, per definizione, rimosso dalla ambiente fisiologico e sottoposta ad un ambiente alternativo. Per un campione con proprietà meccaniche dipendenti dalle condizioni ambientali, la rimozione di un campione dall'ambiente altererà sue proprietà meccaniche. I tempi con cui avviene questo cambiamento dipende alle proprietà del materiale, nonché il grado in cui l'ambiente esterno è controllato.
Questo approccio alla caratterizzazione e quantificazione di stimoli-reattiva comportamento meccanico è più adatto per campioni con geometrie aghiformi, di lunghezza molto grander quanto la larghezza o spessore del dispositivo. Inoltre, la rigidità del materiale e il motore specifico e la sua forza massima deve essere considerato nella scelta di dimensioni del dispositivo. Dato un insieme di dimensioni di esempio, un materiale più rigido richiederà una maggiore forza di attrazione di applicare la stessa quantità di sforzo come un materiale con un più piccolo modulo di Young. Riducendo la larghezza e / o spessore, o aumentando la lunghezza del campione, si riduce la quantità di forza richiesta per allungare il campione di una data quantità. Per la configurazione di prova a trazione personalizzato, il piezomotor lineare ha una forza di tiro massimo di 6 N, che consente per i campioni con il modulo di Young di 5 GPa e area di sezione trasversale fino ad un 24.000 micron 2 resti in tensione 5% senza raggiungere la massima trazione forza del motore. La cella di carico utilizzato per misurare la forza nel tester microtensile ha una risoluzione di meno di 1 mN, in modo che il più piccolo modulo di Young che può essere misurata nei campioni utilizzati nel nostro studio (larghezza 300micron, spessore 100 micron) di circa 1 MPa. Questo limite inferiore può essere ulteriormente ridotto con l'uso di campioni con sezione trasversale più grande, tuttavia. L'indicatore spostamento ha una risoluzione di 0,5 micron, che è sufficiente per i materiali con comportamento elastico limitato al 0,2% di deformazione (ad una lunghezza iniziale di 3 mm), che è un ordine di grandezza più piccola della regione elastica per PVAc- NC anche allo stato secco.
Una limitazione a questo metodo di caratterizzazione ex vivo è che non può essere efficace per materiali molto rigidi e fragili. In pratica, il campione deve essere montato rapidamente nel tester microtensile, un materiale fragile è a rischio di rottura durante la procedura di montaggio. Inoltre, i campioni traviformi (con dimensioni corrispondenti a quelle dei nostri esperimenti) con una estremità aderito al titolare acrilico e l'altra estremità libera non possono essere utilizzati per i materiali eccedenti circa 2,5 GPa come la forza necessaria per Stranel campione supera la forza delle pinze che tengono il campione in posizione, con conseguente slittamento del campione attraverso i morsetti e risultati imprecisi. Questo problema è stato superato con l'uso di campioni a forma di osso di cane con pastiglie su ciascuna estremità. Questo uso di questo metodo per la misurazione e l'analisi in vivo del comportamento meccanico di micropali non è limitata alla classe PVAc-NC di materiali. Ulteriori applicazioni potenziali includono controllo del tasso di degradazione di materiali biodegradabili 22 e la caratterizzazione del comportamento meccanico di tessuti biologici 23,24, nonché caratterizzazione di strutture microscala per applicazioni non biologiche. Inoltre, i controlli ambientali possono essere aggiunti (ad esempio, pH, lunghezza d'onda della luce ambientale, campo elettrico, campo magnetico) per i materiali che sono sensibili a stimoli diversi 25,26. Uno dei principali vantaggi di questo metodo è la sua versatilità e applicabilità a molti materia diversals e applicazioni.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Non abbiamo nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento di Ingegneria Biomedica presso la Case Western Reserve University di laboratorio sia attraverso fondi di start-up (J. Capadona), e la Medtronic Graduate Fellowship (K. Potter). Ulteriori finanziamenti in questa ricerca è stata sostenuta in parte dalla NSF concedere ECS-0621984 (C. Zorman), il Caso Alumni Association (C. Zorman), il Department of Veterans Affairs attraverso una recensione Merit Award (B7122R), così come l'Advanced Platform Technology Center (C3819C).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silicon wafer | University Wafer | Mechanical grade | |
| Extruded acrylic sheet | Professional Plastics | SACR 062EF | Thickness 0.062" |
| Razor blade | McMaster-Carr | 3962A3 | |
| Tweezers | McMaster-Carr | 8384A47 | #5 tip |
| Super Glue Gel | Loctite | 130380 | |
| Air Brush | Snap-on Industrial | BF175TA | |
| Air Compressor | Paasche | B002YKN8YO | D500 |
| Thermocouple | Omega | HH12A | |
| Hot plate | Cimarec | SP131325Q | |
| CO2 direct-write laser | VersaLaser | 3.5 | |
| Dessicator | Fisher Scientific | 08-595 | |
| Lamp | custom-built | ||
| Microtensile tester | custom-built |
References
- Chen, P. J., Saati, S., Varma, R., Humayun, M. S., Tai, Y. C. Wireless intraocular pressure sensing using microfabricated minimally invasive flexible-coiled LC sensor implant. Journal of Microelectromechanical Systems. 19, 721-734 (2010).
- Ren, X., Zheng, N., Gao, Y., Chen, T., Lu, W. Biodegradable three-dimension micro-device delivering 5-fluorouracil in tumor bearing mice. Drug Delivery. 19, 36-44 (2012).
- Bai, Q. Single-unit neural recording with active microelectrode arrays. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 911 (2001).
- Rousche, P. J., Pellinen, D. S., Pivin, D. P., Williams, J. C., Vetter, R. J., kirke, D. R. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 361-371 (2001).
- Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. Polymers for neural implants. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49, 18-33 (2011).
- Mercanzini, A., Colin, P., Bensadoun, J. C., Bertsch, A., Renaud, P. In Vivo Electrical Impedance Spectroscopy of Tissue Reaction to Microelectrode Arrays. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 56, 1909-1918 (2009).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148, 1-18 (2005).
- Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. Subbaroyan, J., Kipke, D. EMBS'06. 28th Annual International Conference of the IEEE, , IEEE. 3588-3591 (2006).
- Harris, J., Capadona, J., Miller, R., Healy, B., Shanmuganathan, K., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D. Mechanically adaptive intracortical implants improve the proximity of neuronal cell bodies. Journal of Neural Engineering. 8, 066011 (2011).
- Capadona, J. R., Shanmuganathan, K., Tyler, D. J., Rowan, S. J., Weder, C. Stimuli-Responsive Polymer Nanocomposites Inspired by the Sea Cucumber Dermis. Science. 319, 1370-1374 (2008).
- Shanmuganathan, K., Capadona, J. R., Rowan, S. J., Weder, C. Stimuli-Responsive Mechanically Adaptive Polymer Nanocomposites. ACS Applied Materials & Interfaces. 2, 165-174 (2009).
- Shanmuganathan, K., Capadona, J. R., Rowan, S. J., Weder, C. Bio-inspired mechanically-adaptive nanocomposites derived from cotton cellulose whiskers. Journal of Materials Chemistry. 20, 180 (2010).
- Hess, A., Capadona, J., Shanmuganathan, K., Hsu, L., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D., Zorman, C. Development of a stimuli-responsive polymer nanocomposite toward biologically optimized, MEMS-based neural probes. Journal of Micromechanics and Microengineering. 21, 054009 (2011).
- Capadona, J. R., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Rowan, S. J., Weder, C. Mechanically adaptive nanocomposites for neural interfacing. Materials Research Society Bulletin. 37, 581-589 (2012).
- Ophir, J., Cespedes, I., Garra, B., Ponnekanti, H., Huang, Y. Elastography: ultrasonic imaging of tissue strain and elastic modulus in vivo. European journal of ultrasound. 3, 49-70 (1996).
- Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). Hess, A., Shanmuganathan, K., Capadona, J., Hsu, L., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D., Zorman, C. IEEE 24th International Conference on, , IEEE. 453-456 (2011).
- Harris, J. P., Hess, A. E., Rowan, S. J., Weder, C., Zorman, C. A., Tyler, D. J., Capadona, J. R. In vivo deployment of mechanically adaptive nanocomposites for intracortical microelectrodes. Journal of Neural Engineering. 8, 046010 (2011).
- Shanmuganathan, K. Bio-inspired Stimuli-responsive Mechanically Dynamic Nanocomposites. , Case Western Reserve University. (2010).
- Rousche, P. J., Pellinen, D. S., Pivin, D. P., Williams, J. C., Vetter, R. J., Kipke, D. R. Flexible polyimide-based intracortical electrode arrays with bioactive capability. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 48, 361-371 (2001).
- Norlin, P., Kindlundh, M., Mouroux, A., Yoshida, K., Hofmann, U. G. A 32-site neural recording probe fabricated by DRIE of SOI substrates. Journal of Micromechanics and Microengineering. 12, 414 (2002).
- Ward, M. P., Rajdev, P., Ellison, C., Irazoqui, P. P. Toward a comparison of microelectrodes for acute and chronic recordings. Brain Research. 1282, 183-200 (2009).
- Lin, J. M., Chang, P. K. A Novel Remote Health Monitor with Replaceable Non-Fragile Bio-Probes on RFID Tag. Applied Mechanics and Materials. 145, 415-419 (2012).
- Kunzelman, K. S., Cochran, R. Stress/strain characteristics of porcine mitral valve tissue: parallel versus perpendicular collagen orientation. Journal of Cardiac Surgery. 7, 71-78 (1992).
- Snedeker, J., Niederer, P., Schmidlin, F., Farshad, M., Demetropoulos, C., Lee, J., Yang, K. Strain-rate dependent material properties of the porcine and human kidney capsule. Journal of Biomechanics. 38, 1011-1021 (2005).
- Ahn, S., Kasi, R. M., Kim, S. C., Sharma, N., Zhou, Y. Stimuli-responsive polymer gels. Soft Matter. 4, 1151-1157 (2008).
- Stuart, M. A. C., et al. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials. Nature Materials. 9, 101-113 (2010).
