Summary
방법을 논의하는
Abstract
이식 할 수있는 초소형 디바이스는 여러 생물 의학 응용 1-4에 상당한 관심을 얻고있다. 이러한 장치는 재료 자체의 장점과 단점 5,6을 제공하는 각각의 범위에서 변경되었습니다. 가장 눈에 띄게, 마이크로 디바이스 크기 때문에, 높은 계수는 살아있는 조직으로 주입을 용이하게하기 위해 필요합니다. 반대로, 장치의 강성에 의한 지역의 긴장 7-9을 최소화하기 위해 주변 조직과 일치해야합니다. 따라서, 우리는 최근 기계적 물성 10-14의 변화와 환경 자극에 응답하여 이러한 요구 사항을 충족하는 바이오 영감 재료의 새로운 종류를 개발했다. 물과 높은 온도 (예를 들면 체온)에 노출되었을 때, 특히 우리의 폴리 (비닐 아세테이트) 기반의 나노 복합체 (PVAC-NC)는 강성의 감소를 표시합니다. 불행히도, 몇 가지 방법은 생체 내 15에있는 재료의 강성 및 기계화를 정량화하기 위해 존재생리적 환경 외부 anical 테스트는 종종 이식에 대한 큰 샘플 부적절한 필요합니다. 또한, 자극 - 반응 자료는 신속하게 explantation 후 초기 강성을 복구 할 수 있습니다. 따라서, 우리는 이식 microsamples의 기계적 특성이 생체 측정 할 수있는 방법을 개발했습니다, 시뮬레이션 생리적 조건 습기와 온도 제어 13,16,17를 사용하여 유지.
이를 위해, 사용자 정의 microtensile 테스터는 영의 계수를 (10 MPa의 5 GPa의 범위) 널리 변화와 마이크로 샘플에게 13,17을 수용 할 수 있도록 설계되었습니다. 우리의 관심은 생물학적 적응 신경 프로브 기판 마이크로에서 시료의 기계적 특성 필요하다고 할 수있는 도구로 PVAC-NC의 응용 프로그램입니다.로 이 도구는 건조 및 17 냉각 샘플을 최소화 습도와 온도 제어를 제공하기 위해 적응했다. 그 결과, 기계공explanted 시료의 알 특성은 밀접하게 explantation 직전에 샘플들을 반영한다.
이 방법의 전반적인 목표는 정량적 자극 - 반응, 기계적 적응 고분자 기반 소재의 생체 기계적 성질, 특히의 탄성 계수에 평가하는 것입니다. 이 첫 번째 이식의 결과가 독립적으로 강성의 감소에 기여하지 않고 explantation 후에 견본 기계적 특성의 변화를 최소화 할 수있는 환경 조건을 설정하여 수행됩니다. 샘플은 다음 주입, 처리 및 테스트 (그림 1A)를위한 준비가되어 있습니다. 각 샘플은 지정된 기간 동안 explanted 쥐의 두뇌 (그림 1B)로 여기에 표시됩니다 쥐의 대뇌 피질에 이식된다. 이 시점에서, 샘플 (그림 explanted 즉시로드 microtensile 테스터로하고 인장 시험을 받는다1C). 이후 데이터 분석은 대뇌 피질의 환경에서 이러한 혁신적인 재료의 기계적 거동에 대한 통찰력을 제공합니다.
Protocol
1. 샘플 준비
- 솔루션 주조 및 압축 기술 10-12을 사용하여 25-100 ㎛의 범위에서 두께 PVAC-NC 필름을 준비합니다.
- 영화와 웨이퍼 사이의 친밀한 접촉을 촉진하기 위해 70 ° C (유리 전이 온도 이상) 두 분 핫 플레이트에 가열하여 실리콘 웨이퍼에 필름을 준수합니다. 이 단계는 준비된 필름 평면 마이크로 프로세스에 필요한 실리콘 웨이퍼를 평평하고 고정 유지되도록합니다.
- 레이저 미세 가공 (VLS 3.50, VersaLASER)에 의해 시료 형상으로 본 영화. 1.0 %의 전력 (0.5 W), 4.0 % 속도 (56mm / s)로, 그리고 인치 13,16 1,000 펄스 CO 2 직접 쓰기 레이저 미세 매개 변수를 설정합니다.
- 측면 패드 크기 1.5 × 1.5 mm 2, 희미한 측면 빔 dogbone 모양의 구조로 환경 조건 ( "설치 샘플")을 설정하는 데 사용되는 패턴 샘플두께가 일치 ensions 300 X 3,000 μm의 2에 걸쳐 필름 (그림 2)의.
- 두께는 그 영화의 일치 패턴 생체 실험 샘플 ( "임플란트 샘플") 빔에 300 μm의 X 6 mm의.
- 조심스럽게 면도날과 핀셋을 사용하여 웨이퍼에서 샘플을 놓습니다.
- 샘플 처리를 위해, microtensile 테스터 그립 시스템의 일부로 사용할 수 있도록 설계 맞춤 가공 아크릴 홀더를 준비합니다. 레이저 에칭 표시는 홀더의 중심선 끝에서 1.5 mm를 보여줍니다. 아크릴 홀더의 중심선에 시아 노 아크릴 레이트 겔 기반의 접착제의 작은 금액을 놓고 조심 홀더에 임플란트 샘플 1.5 mm의 길이를 준수하고 표시된 중심선 (그림 3) 겹칩니다. 각 임플란트 샘플은 하나의 아크릴 홀더가 필요합니다. 접착제 젤은 ACR을 준수하는 PVAC-NC의 1.5 mm의 길이에 따라 남아 있는지 확인해야합니다ylic 홀더. 그렇지 않으면, 접착제 젤은 샘플의 기계적 작동을 방해 할 수 있습니다.
- 적어도 24 시간 동안 건조기에서 그들을 배치하여 모든 시료에서 수분을 제거합니다.
- 길이, 너비 및 광학 현미경을 사용하여 샘플의 두께 치수를 측정한다.
2. 환경 조건을 설정
- 먼저 고정 그립 사이에 다음, 모바일 그립 사이에 체결, microtensile 테스터 (그림 4 참조)에 건조 설정 샘플을로드합니다.
- microtensile 샘플 향하는 노즐, 고정 된 위치에 물이 채워진 탱크와 에어 브러시를 장착합니다. 플라스틱 튜브를 통해 공기 압축기 에어 브러쉬를 연결합니다. 에어 브러쉬 노즐이 완전히 폐쇄, 공기 압축기의 전원을 켭니다.
- 인장 변형 (긍정적 변형)와 t에 적용되는 압축 응력 (음의 변형) 교대 순환 microtensile 테스트 절차를 시작그 샘플은, 응력 - 변형 그래프의 선형 탄성 영역 내에 남아있는. PVAC-NC 경우, 적용 변형은 2 % 이하로 제한됩니다. 그 긴장을 달성하는 데 필요한 힘을 측정하는 동안이 실험에 사용 된 사용자 정의 microtensile 테스터에서 변형률 속도를 제어 하였다. 또한, 다른 설정은 결과 변형률을 측정하는 동안 가해진 힘을 제어 포함 할 수 있습니다.
- 점차적으로 에어 브러시 노즐의 흐름을 증가하고, 에어 브러시에서 흐름의 양의 함수로 응력 - 변형 그래프의 기울기를 모니터링합니다. 60 초에 걸쳐 탄성 계수의 의미 (> 10 %) 감소를 일으키지 않는 최대 유량은 생체 실험에 사용되는 수준입니다. 이 시점에서, 습도 조건 (따라서 탄성 계수의 감소에 기여) 건조 샘플을 적시하지 않으며, 또한 생체 내 생물학적 체액에 노출 된 후 건조 샘플 ESTA했습니다 최소화 할 것blished.
- 샘플 근처의 온도를 측정한다. 이상적인 설정은 디지털 판독과 열전대를 포함 할 것, 그리고 에어 브러시가 작동하는 동안 수행 할 수. 시료 온도는 37 ° C, 생리적 조건에 일치하는 일까지 개최되는 등 복사 열원의 강도와 거리를 설정합니다.
3. 환경 제어 비 환경 컨트롤 비교
- 인산 적어도 30 분 동안 담가 설정 샘플은 식염수 버퍼. 이 시간 후, 시료가 완전히 포화되고 주어진 온도에서의 최소 탄성 계수로 감소되었습니다.
- 빨리 microtensile 테스터로 샘플을로드하고 주기적 microtensile 테스트를 시작, 오프 에어 브러쉬로, 샘플을 건조하는 동안. 이 비 통제 된 조건 하에서 얼마나 빨리 샘플 건조를 결정합니다.
- microtensile 테스터에 두 번째 PBS 포화 설정 샘플을로드하고 주기적 microtensile 테스트를 시작합니다에 에어 브러쉬. 이 통제 된 환경 조건에서 얼마나 빨리 샘플 건조를 결정합니다.
4. 프로브 주입 및 Explantation
- micromanipulator에 클램프 및 대뇌 피질의 조직에 직교하는 위치에 임플란트 샘플을 첨부합니다.
- 삽입하기 전에, 조직 역학의 균일 성을 보장하기 위해 식염수 조직이 충분히 촉촉한 유지합니다.
- micromanipulator에 손 컨트롤을 사용하여 피질에 고분자 샘플을 낮 춥니 다. 일반적으로 1 ~ 30 분 사이, 대상 임플란트 때까지 대뇌 피질의 조직 샘플을 둡니다. 가볍게 5 분, DAB를 통해 시간 포인트를 건조로부터 조직을 방지하기 위해 조직을 생리 식염수에 적신 면봉을 사용하여 매 5 분.
- 프로브가 피질에 이식되는 동안 고정 된 샘플 클램프에서 3.0 mm의 제로 변위의 위치에 드라이브로드를 설정하여 현재 이식 샘플을로드하기 위해 microtensile 테스터를 준비합니다. 또한, 에어 브러쉬 노즐을 설정유량 설정하고 적절한 강도 2.4 단계에서 확인하는 복사열 소스.
- 지정된 임플란트 시간의 끝에, micromanipulator에 손 컨트롤을 사용하여 피질의 프로브를 올립니다. 즉시 조심스럽게 micromanipulator에 클램프에서 샘플을 제거하고 단계 5.2에서 자세히 설명 microtensile 테스터로로드합니다.
5. 임플란트 샘플의 Microtensile 테스트
- explantation 후 시간을 절약하기 위해, microtensile 테스터로 단계 4.4에서 설명한 사전에 주입하는 임플란트 샘플을 받아 완전히 준비가되어 있는지 확인합니다.
- 즉시 explantation 후, microtensile 테스터 클램프의 두 세트 사이의 샘플을로드합니다. 샘플이 하나의 클램프의 상단 역할을하도록 설계 아크릴 홀더에 장착되어 있기 때문에, 아래로 이동 그립 샘플 측의 임플란트 샘플 어셈블리를 배치합니다. 그것은 샘플이 설치되어 있는지 확인하는 것이 중요하다되도록 변형 APPL입니다만 테스트하는 동안 시료에 토크를 적용 피하기 위해 프로브의 길이를 따라 이었죠. 같은 샘플은 각 클램프의 중앙에 장착해야하며, 클램프 서로에 대해 수준이어야합니다.
- 클램프 사이의 거리가 3.0 mm, 그리고 프로브가 고정 클램프에 배치됩니다의 끝 그러한 샘플의 위치를 조정합니다. 클램프 사이 3.0 mm 길이는 샘플의 게이지 길이, 샘플의 변형을 결정하기 위해 나중에 계산에 사용됩니다.
- 즉시 두 클램프 사이의 샘플을 확보 한 후 동시에 측정하고를 기록하는 동안, 그리고 신경 조직에서 explantation의 2 분 이내에, 일정한 속도 (여기에 사용 된 10 ㎛ / 초)에서 샘플을 연장하는 인장 방향으로 모터를 작동 샘플의 신장과 샘플을 변형하는 데 필요한 관련 인력 (로드 셀, 트랜스 듀서 기술 MDB-2.5 사용) (변위 표시, Mitutoyu 543-561 사용).
- 각 샘플 및 / 또는 상태 (즉, 삽입 시간)의 각 집합에 대한 microtensile 테스트를 반복합니다.
6. 데이터 분석
- ε는, t는 시간을 적용 변형입니다 수학 식 1에서 설명한 최초의 게이지 길이에 의해 신장의 거리를 나누어 이식 샘플 응용 공학 변형에 원시 신장 데이터를 변환, D는 마이크로 미터에 의해 측정 된 변위 표시기 및 L 0는 샘플의 초기 게이지 길이 :
(1) - TRA에 의해, 힘 (뉴턴)으로 나누어 시료의 엔지니어링 스트레스에 원시 힘 데이터를 변환수학 식 2에 설명 된 nsverse 단면적 :
(2)
샘플 응력 σ 여기서, F는로드 셀 (뉴턴)에 의해 측정 된 힘이다, W 0 샘플의 초기 폭, 그리고 t 0 샘플의 초기 두께입니다. - 스트레스를 줄거리 ([t]를 σ) 대 변형 (ε [T]) Microsoft Excel과 같은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 각 샘플에 대한 곡선.
- 플롯의 선형 탄성 부분을 분리하고이 부분에 가장 적합한 라인을 찾기 위해 소프트웨어 기반의 커브 피팅 도구를 사용합니다. 가장 적합한 직선의 기울기는 시료의 탄성 계수에 해당합니다. 음모의 고립 된 부분은 적어도 10 응력 - 변형 점을 포함해야하며, 기울기가 큰 인 플롯의 부분에서주의해야한다.
- 주기적인 테스트의 탄성 계수는 각 사이클에 대해 결정해야합니다. 이것은 자동 또는 수동으로 수행 할 수 있습니다.
- 대 시간 각 사이클의주기 테스트, 플롯의 탄성 계수. 이 설정 샘플은 적시거나 건조 얼마나 빨리 나타내는 것입니다 시간이 어떻게 측정 계수의 변화를 나타냅니다.
- 임플란트 샘플, 임플란트의 각 샘플 및 시간주기 검사의 단일 사이클에 해당합니다. 각 임플란트 샘플 위에서 설명한 절차를 사용하여의 탄성 계수를 측정한다.
- 탄성 계수 대 임플란트 시간을 플롯합니다. 이 시점에서 비교는 벤치 탑 조사 등을 만들 수 있습니다
(1) 
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Representative Results
우리 PVAC-NC를 포함한 거의 모든 고분자 재료의 기계적 특성은 환경 조건에 노출에 따라 달라집니다. 특히, 이러한 열이나 습기에 노출이 (가) 있습니다. 재료 인해 수분의 흡수에 가소, 또는 온도 변화를 겪게되면 탄성 계수의 감소를 표시합니다. 습기 및 생체 시료 기계적 특성에 대한 온도 제어 환경을 준비, 그것은 기계적 테스트 중에 microtensile 테스터뿐만 아니라에 샘플을로드하는 동안 시료의 수분 함량에 최소한의 변화가 있는지 확인하는 것이 중요합니다. 이것은 샘플 에어 브러시에 의해 생성 된 수분에 의해 좌우되지 않으며, 빠르게 외부 환경에 건조 않는지 확인하기 위해 컨트롤 설정의 샘플 실험을 사용하여 계산됩니다. 그림 5는 마른 설치의 기계적 동작을 설명하는 예제 플롯을 보여줍니다 CYCL 동안 샘플적절한 에어 브러시 습기 설정 iCal의 인장 시험. 에어 브러시가 켜진 상태에서 탄성 계수에 변화가 최소화됩니다. 외부 환경 강성의 감소 또는 증가에 기여하지 않아야 때문에 중요하다. 에어 브러시의 흐름이 너무 높게 설정되어 있으면, 샘플의 탄성 계수가 크게 약 60 초 내에 감소합니다.
기계 테스트 환경 제어는 재료 조기 건조하지 않도록 할 수 있습니다. 예를 들어, 우리의 습기 통제 된 환경의 사용은 착상 기계적 성질을 건조하고 복구하는 explanted 샘플에 필요한 시간을 증가시킨다. 그림 6은 다음에서 순환 인장 시험을 실시 포화에 담가 두 개의 제어 설정 샘플의 건조 동작을 보여줍니다 제어 및 비 제어 모두 환경 조건. 비 통제 된 환경에서, 샘플의 탄성 계수를 복구샘플 microtensile 테스터에로드하는 동안 150 초에서 400 MPa의를 초과. 포화 시료의 20-40 시간이 탄성 계수 증가는 시료 13의 빠른 건조의 결과. 환경 제어에서 탄성 계수에 상당한 증가는 침수 목욕에서 제거 후 240 초까지 측정되지 않습니다. 이 기간로드 샘플 모두에 충분하며, 탄성 계수의 추출을 가능하게하기에 충분한 기계적 테스트를 수행합니다.
생체 검사 (그림 3)를위한 임플란트 샘플 디자인 요인의 고려가 포함됩니다. 첫째, 샘플이 수사에 대뇌 피질이다 관심의 조직에 이식해야합니다. 그 결과로, 샘플은 좁은 PVAC-NC 빔에 의해 표현되는 바늘 영감 형상을 가지고 있어야합니다. 또한, 샘플은 P에 필요한 힘에 관하여 설계되어야한다좌굴없이 관심의 조직을 enetrate. 오일러의 좌굴 공식 계정으로 영의 재료 계수뿐만 아니라, 길이, 폭, 그리고 빔 타입 프로브가 17 버클 것으로 예상되는 중요한 힘을 제공하는 빔의 두께를합니다. 본 연구에서는, 광선 차원은 프로브가 좌굴의 위험없이 신경 조직을 관통 것이 그러한 선택되었다. 삽입 력 15 이하 MN, 3mm 시험 빔과 그립을위한 1.5 mm 길이를 허용하는 4.5 mm의 선택 프로브 길이 75 μm의를 초과 알려진 두께를 보여주는 이전 연구 감안할 때, 우리는 계산할 수있는 프로브 폭 107 μm의를 초과해야한다. 레이저 미세 도구를 사용하여 최대 반복성을 보장하기 위해, 300 ㎛, 폭은 샘플 선택되었다. 관심의 추가 점은 조직에서 조직 및 제거에 삽입하는 동안 microprobe 샘플의 처리된다. 간단한 빔을 처리하는 동안 손상 될 수 있으므로, BEA 부착보다 실질적인 구조 남성 (아크릴 홀더 즉) 주입에 기계적 시험에 안전한 전송을 할 수 있습니다. 마지막으로,이 어셈블리는 인장 시험기에로드 가능한 한 빨리 수 있도록 최적화되어야한다.
30 분 동안 쥐의 대뇌 피질에 이식했다 건조한 시료와 젖은 샘플에 대한 응력 - 변형 곡선을 보여주는 대표적인 플롯은 그림 7에 나와 있습니다. 선형 탄성 영역에서 응력 - 변형 그래프의 기울기에 해당하는 영의 계수는, 명확하게 이식 샘플에 대한보다 건조 샘플에 대한 훨씬 더 큽니다. 두 샘플은 휴식을 긴장되었다. 그러나 영의 계수는 그림 8과 같이, 소성 변형 및 샘플 실패를 들어가기 전에, 초기 인장 시험에서 수집 된 플롯의 선형 탄성 부분에서 파생됩니다. 그림 9는 이식의 약 5 분 후에 그 방법을 보여줍니다, 샘플 표시샘플이 기간 내에 포화 및 최소 강도에 도달 것을 제안, 탄성 계수에 약간의 변화를한다.
그림 1. 실험 방법의 개략도는 자극 - 반응, 기계적 적응 고분자 나노 복합 microprobe의 생체 기계 동작을 특성화한다. (A) 먼저, 샘플 빔 패턴에 의해 PVAC-NC 필름을 준비하고 아크릴에 장착되어 홀더. (B) 프로브가 다음 시간의 지정된 기간 동안 대뇌 피질에 이식된다. (C) 마지막으로, 샘플 explanted 및 맞춤형 microtensile 시험기를 사용하여 microtensile 테스트를 받게됩니다.
그림 2. explantation 후 PVAC-NC 임플란트 샘플의 생체 기계 동작을 유지하기 위해 필요한 환경 조건을 설정하기위한 레이저 미세 PVAC-NC 설치 샘플.
그림 3. 레이저 패턴 PVAC-NC 빔으로 구성된 임플란트 샘플의 사진은, 아크릴 홀더에 장착.
그림 4. microtensile 테스터의 블록 다이어그램. 시료 고정 클램프 리니어 piezomotor의 드라이브로드에 연결된 모바일 클램프 사이에 끼워합니다. 선형 piezomotor의 변형률 속도를 제어하고 변형률 변위 표시를 사용하여 측정하고 있습니다. 샘플을 변형하는 데 필요한 부하 나야로드 셀 asured. 샘플의 주변 환경 조건은 에어 브러시와 가열 램프에 의해 제어됩니다.
그림 5. 같은 테스트 환경에서 수분을 제어하기위한 올바른 에어 브러시 설정을 결정하기 위해 주기적으로 인장 시험 동안 측정 시간의 함수로 탄성 계수 (E). 음영 지역은 에어 브러시가 켜졌하는 시간이다. 사용되는 에어 브러시 설정에서 영의 계수는 에어 브러시의 설정 시료에 의해 흡수 된 물의 양이 강성의 감소에 기여하는 것만으로는 충분하지 않습니다 것을 제안, 시간이 지남에 크게 변경되지 않습니다.
그림 6. 탄성 계수 (E) 대 물 saturat 시간모두 습기 제어 및 비 제어 인장 테스트 환경에서 ED 샘플. 초기 탄성 계수의 회복이 통제 된 환경에서 훨씬 느립니다.
그림 7. 건조 (이식되지 않습니다)와 (생체 내에서 30 분 후 조직에서 explanted 생체), 습식했다 PVAC-NC 샘플에 대한 응력 - 변형 그래프의 예.
그림 8. 플롯의 선형 탄성 부분이 전체의 응력 - 변형 그래프 (왼쪽)에서 분리 및 추출 라인 (오른쪽)에 적합 함을 입증하기에 응력 - 변형 그래프의 추가 설정합니다.이 특정 측정, 영의를 위해계수는 16.8 MPa의입니다. 큰 그림을 보려면 여기를 클릭하십시오 .
그림 9. 피질에 이식 PVAC-NC 샘플의 탄성 계수, E, 대 임플란트 시간입니다. 오차 막대는 N = 2, 5 분 임플란트를 제외하고, N = 4를 표준 오류를 나타냅니다.
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Discussion
생물학적 시스템과 상호 작용하기위한 이식 생체 미세 전자 기계 시스템 (bioMEMS)의 발전은 고도로 맞춤 특성을 가진 새로운 재료의 개발 동기를 부여하고 있습니다. 이러한 물질 중 일부는 생리적 환경에서 발견 된 자극에 대한 응답으로 재료 특성의 변화를 전시하기 위해 설계되었습니다. 물자의 한개 최근에 개발 된 클래스는 수소 결합을 형성하는 액체 (예 : 물)과 크기 10,11,18 세 가지 순서로의 탄성 계수, 재료의 강성의 측정을 줄이기 위해 높은 온도의 존재에 응답합니다. 이러한 고분자 나노 복합 재료는 나노 필러 단계로 셀룰로오스 나노 섬유 부드러운 폴리머 매트릭스 (즉, 폴리 (비닐 아세테이트))가있다. 젖은 때 셀룰로오스 나노 섬유 사이의 상호 작용 때 건조하고 설정 "OFF" "의"전체 재료의 기계적 성질을 지시하고, 설정되어 있습니다. 또한, 물이 고분자 없음을 plasticizesnocomposite, 따라서 탄성 계수의 감소 또한 결과 (37 ° C) 체온 이하로 유리 전이 온도를 줄일 수 있습니다. 물질이 클래스에 대한 하나의 응용 프로그램은 각각의 뉴런 13,17의 인터페이스에 피질 내 프로브 바이오 적응 기판 역할을하는 것입니다. 그러나 기계 적응 재료의 장점은 신경계와의 인터페이스에 국한되지 않습니다.
여기에 제시하는 것은 PVAC-NC-기반 microprobes의 기계적 동작이 지정된 시간 동안 신경 조직에 주입 한 후에 평가 될 수있는 방법입니다. 이 방법을 사용, 생체 기계 데이터는 벤치 탑 연구와 비교를 수집 할 수 있습니다. 또한, 기계적 성질의 변화의 척도를 평가 할 수 있습니다. 고도 조정 가능한 공기 브러시와 복사열 설정으로 사용 환경 제어는 이식 샘플 미니와 생체를 테스트 할 수있는 메커니즘을 제공말은 환경의 변화에 따른 기계적 성질의 변화. 같은 물질의 생체 내 행동이 완전히 인공 뇌척수 (ACSF)에 침지 샘플 벤치 탑 실험에 비해 우수한 정보를 제공 유추 할 수 있습니다. 복잡한 생리적 환경은 이러한 방법의 가용성을 요구하지만,이 평가를위한 실험 방법이 제한됩니다.
이식, 기계적 적응 고분자 나노 복합 시료의 기계적 특성에 대한 우리의 방법에 대한 몇 가지 장점이 있습니다. 사용자 정의 microtensile 테스터는 일반적인 신경 프로브 (1.5-8 mm 길이의, 50-500 μm의 폭 15-100 μm의 두께 3,19-21)에 비해 크기와 샘플을 테스트에 적합합니다. 기타 기계 특성화 방법이 더 큰, 대량 샘플 또는 나노 크기의 샘플 중 하나에 적합합니다. 적절한 규모의 기계적 시험 도구를 활용하여 속성 확장의 알을 제거. 또한, microtensile 테스터는 수분과 테스트 환경의 온도 제어를 가능하게 테스트에서 샘플 개방형 액세스 할 수 있습니다. 또한,도 환경 제어와 함께, 그것은 생체 시료 건조가. 신경 조직에서 샘플을 제거한 후 신속하게 인장 시험을 시작하기 위해 필요하며, 따라서 경직, 빠른 (일반적으로 내 용이 테스트 샘플 및 microtensile 시험기 설계를 사용하여 여기에 최소화 된 120 초)로드 및 기계적 시험의 시작. 마지막으로,이 microtensile 테스터는 생물학적 평가를위한과 동일한 방법으로 동물에 이식 할 수있는 기계 테스트를위한 프로브와 같은 샘플의 사용을 촉진 양쪽에 패드가없는 샘플을 수용 할 수 있습니다.
물질의 자극에 반응하는 동작은 되돌릴 수 있기 때문에 신경 조직에서 테스트 샘플의 제거 explantation 후 기계적 행동의 변화로 이어질 수있는 새로운 환경을 제공합니다ND 잠재적으로 빠르게 확산. 주어진 시간 동안 두뇌로 샘플을 주입 한 후 기계적 행동의 변화를 평가하기 위해이 환경 제어 인장 시험 방법을 사용하는 경우, 생체 내에서 해당 실제 탄성 계수에 대하여 잠재적 인 차이가 고려되어야한다. 첫째, 샘플 전직 생체을 테스트하여, 그들은 생리적 환경에서 제거하고 다른 환경에 노출, 정의이다. 환경 조건에 따라 기계적 특성을 가진 샘플은 환경에서 샘플을 제거하는 것은 기계적 특성을 변경합니다. 이 변경 사항이 발생되는 척도는 재료의 특성뿐만 아니라, 외부 환경이 제어되는 정도에 따라 달라집니다.
특성화 및 자극 - 반응 기계적 행동의 정량화에 대한이 접근법은 가장 많은 큰 길이, 바늘 같은 형상을 가진 시료에 적합장치의 너비 또는 두께보다 R. 장치 크기를 선택할 때 또한, 재료 및 특정 모터의 최대 힘의 강성이 고려되어야한다. 샘플 차원의 집합을 감안할 때, 더 엄격한 재료는 큰 풀 힘이의 작은 탄성 계수와 재료로 긴장의 동일한 금액을 적용해야합니다. 폭 및 / 또는 두께를 줄이거 나 샘플의 길이를 증가, 샘플에게 주어진 양을 연장하는 데 필요한 힘의 양을 줄일 수 있습니다. 사용자 정의 인장 시험 설정의 경우, 선형 piezomotor은 최대 풀에 도달하지 않고 5 %를 긴장 수 24,000 μm의 2까지 5 GPa로하고 단면적의 탄성 계수와 샘플 수 6 N의 최대 인장력을 가지고 모터의 힘입니다. microtensile 테스터의 힘을 측정하는 데 사용되는로드 셀은, 이하 망간 해상도를 가지고 있으므로 우리의 연구에서 사용 된 샘플에서 측정 할 수있는 가장 작은 탄성 계수 (폭 300μm의 두께 100 μm의) 약 1 MPa의. 이 하한은 더 있지만, 더 큰 단면적을 가진 샘플의 사용으로 줄일 수있다. 변위 표시에 대한 탄성 영역보다 주문의 크기가 작은 0.2 %의 변형에 제한 탄성 거동 (3 ㎜의 초기 길이)와 재료에 적합 0.5 μM의 해상도가 PVAC을 건조 상태에서도 노스 캐롤라이나.
생체 특성이 방법 한 가지 한계는 매우 딱딱하거나 부서지기 쉬운 재료에 적용되지 않을 수 있다는 것입니다. 샘플을 신속하게 microtensile 시험기에 장착해야하므로 실질적으로 말하기, 취성 재료는 설치 절차를 수행하는 동안 파괴의 위험을 부담합니다. 또한, 하나의 끝 빔과 같은 샘플 (우리의 실험들을 일치하는 치수) 아크릴 홀더에 부착하고 힘 스트라에 필요한 무료 다른 쪽 끝은 약 2.5 GPa로를 초과하는 재료를 사용할 수 없습니다샘플 클램프 및 부정확 한 결과를 통해 샘플의 실수의 결과로, 장소에 샘플을 들고 클램프의 힘을 초과합니다. 이 문제는 양쪽의 패드 dogbone 모양의 샘플의 사용으로 극복되었다. microprobes의 생체 기계적 행동의 측정과 분석이 방법이 사용 재료의 PVAC-NC 클래스에 국한되지 않습니다. 추가 잠재적 인 응용 프로그램은 생분해 성 물질 (22)의 분해 속도를 모니터링하고 기계적 생물학적 조직 23,24의 행동뿐만 아니라 비 생물학적 응용 프로그램을위한 마이크로 구조의 특성을 특성화 있습니다. 또한, 추가 환경 제어는 다양한 자극 25,26에 반응하는 재료 (예를 들어, 산도, 주변 빛, 전기장, 자기장의 파장)를 추가 할 수 있습니다. 이 방법의 주요 장점 중 하나는 다양한 물질에 그것의 융통성과 적용합니다LS 및 응용 프로그램.
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Disclosures
우리는 공개 아무것도 없어.
Acknowledgments
이 작품은 모두 실험실 창업 펀드 (J. Capadona), 그리고 메드 트로닉 대학원 원정대 (K. 포터)를 통해 케이스 웨스턴 리저브 대학의 생명 공학과에 의해 지원되었다. 본 연구에 대한 추가 자금 지원에 의해 부분적으로 지원되었다 NSF 부여 ECS-0621984 (C. Zorman), 케이스 동창회 (C. Zorman), 공로 검토 수상 (B7122R)를 통해 보훈뿐만 아니라, 고급 플랫폼 기술 센터 (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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