Miljøriktig kontrollert Microtensile Testing av Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for<em> Ex vivo</em> Karakterisering
Summary
En fremgangsmåte er omtalt hvorved<em> In vivo</em> Mekaniske oppførsel av stimuli-responsive materialer blir overvåket som en funksjon av tiden. Prøvene er testet<em> Ex vivo</em> Bruker en microtensile tester med miljømessige kontroller for å simulere den fysiologiske miljø. Dette arbeidet fremmer ytterligere forstå<em> In vivo</em> Oppførsel av vårt materiale.
Abstract
Implanterbare microdevices er stadig betydelig oppmerksomhet i flere biomedisinske applikasjoner 1-4. Slike enheter har blitt laget av en rekke materialer, som hver har sine egne fordeler og mangler 5,6. Mest fremtredende, på grunn av de mikroskala enhet dimensjoner, en høy elastisitetsmodul som kreves for å lette implantering i levende vev. Motsatt bør stivhet av enheten samsvarer med omkringliggende vev for å minimere indusert lokale belastningen 7-9. Derfor har vi nylig utviklet en ny klasse av bio-inspirerte materialer for å møte disse kravene ved å svare på miljømessige stimuli med en endring i mekaniske egenskaper 10-14. Nærmere bestemt viser vår poly (vinylacetat)-basert nanokompositt (PVAc-NC) en reduksjon i stivhet når den utsettes for vann og ved høyere temperaturer (f.eks kroppstemperatur). Dessverre, noen metoder eksisterer for å kvantifisere stivhet av materialer in vivo 15, og mechanical testing utenfor den fysiologiske miljøet krever ofte store prøver upassende for implantasjon. Videre kan stimuli-responsive materialer raskt gjenopprette sin opprinnelige stivhet etter explantation. Derfor har vi utviklet en metode der de mekaniske egenskapene til implanterte microsamples kan måles ex vivo, med simulerte fysiologiske forhold opprettholdes ved hjelp av fuktighet og temperatur kontroll 13,16,17.
For å oppnå dette, ble en tilpasset microtensile tester utviklet for å imøtekomme mikroskala prøver 13,17 med allment varierende Youngs moduli (området 10 MPa til 5 GPa). Som våre interesser er i bruk av PVAc-NC som et biologisk tilpasningsdyktig neural-substrat, et verktøy i stand til mekanisk karakterisering av prøver på mikroskala var nødvendig. Dette verktøyet er tilpasset for å gi fuktighet og temperatur, som minimert prøven tørking og avkjøling 17. Som et resultat av mekanikerenal karakteristikk av eksplantert prøven tett reflektere de av prøven rett før explantation.
Det overordnede målet med denne metoden er å kvantitativt vurdere in vivo mekaniske egenskaper, spesielt den Youngs modul, av stimuli-responsive, mekanisk-adaptive polymer-baserte materialer. Dette oppnås ved først å etablere de miljøforhold som vil minimere en endring i prøven mekaniske egenskaper etter explantation uten å bidra til en reduksjon i stivhet uavhengig av det resulterende fra implantasjonen. Prøvene blir deretter forberedt for implantasjon, håndtering og testing (figur 1A). Hver prøve blir implantert i cerebral cortex i rotter, som er representert her som en eksplantert rottehjerne, i en bestemt tidsperiode (figur 1B). På dette punktet, prøven er eksplantert og umiddelbart lagt i microtensile tester, og deretter utsatt for strekkprøving (figur1C). Etterfølgende data analyse gir innsikt i den mekaniske oppførselen til disse innovative materialer i miljøet av hjernebarken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fremme av implanterbare biomedisinske mikroelektromekaniske systemer (BioMEMS) for samhandling med biologiske systemer er motiverende utvikling av nye materialer med høyt skreddersydde egenskaper. Noen av disse materialene er utformet for å utvise en forandring i materialegenskapene som respons på en stimulus som finnes i det fysiologiske miljø. En nylig utviklet klasse av materialer som reagerer på nærværet av hydrogen-binding-dannende væsker (f.eks vann) og ved høyere temperaturer for å redusere You…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Department of Biomedical Engineering ved Case Western Reserve University gjennom både lab oppstart fond (J. Capadona), og Medtronic Graduate Fellowship (K. Potter). Ytterligere finansiering på denne forskningen ble støttet delvis av NSF stipend ECS-0621984 (C. Zorman), Case Alumni Association (C. Zorman), Department of Veterans Affairs gjennom en Merit gjennomgang Award (B7122R), samt avansert Plattform Technology Center (C3819C).
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalogue 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).
- Subbaroyan, J., Kipke, D. Engineering in Medicine and Biology Society, 2006. , 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).
- Hess, A., Shanmuganathan, K., Capadona, J., Hsu, L., Rowan, S., Weder, C., Tyler, D., Zorman, C. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). , 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. , (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).
