Dynamiska mekaniska miljöanalys att förutsäga beteendet mjukgörande med neurala implantat
Summary
För att möjliggöra tillförlitliga prognoser av den mjukgörande av polymera substrat för neurala implantat i en in-vivo -miljö, är det viktigt att ha en pålitlig in vitro- metod. Här presenteras användningen av dynamiska mekanisk analys i fosfatbuffrad saltlösning vid kroppstemperatur.
Abstract
När du använder dynamiskt mjukgörande substrat för neurala implantat, är det viktigt att ha en pålitlig in vitro- metod för att karakterisera mjukgörande uppförandet av dessa material. Tidigare har det inte varit möjligt att på ett tillfredsställande sätt mäta den mjukgörande av tunna filmer villkor härma kroppens miljö utan betydande ansträngning. Denna skrift presenterar en ny och enkel metod som möjliggör dynamisk mekanisk analys (DMA) av polymerer i lösningar, såsom fosfatbuffrad saltlösning (PBS), på relevanta temperaturer. Användning av miljö DMA tillåter mätning av mjukgörande effekterna av polymerer på grund av plasticization i olika media och temperaturer, vilket därför gör en förutsägelse av material beteende i vivo villkor.
Introduction
En ny generation av material som används som underlag för neurala implantat består av mjukgörande formen minne polymerer1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Dessa material är tillräckligt styv under implantation att övervinna kritisk buckling krafter, men de blir upp till tre tiopotenser mjukare efter implantation i en miljö med kroppen. Det förutspås att dessa material visar en bättre enhet-vävnad interaktion på grund av den reducera obalansen i modulus jämfört med traditionella material som används i neurala implantat, såsom volfram eller kisel. Traditionell, stel enheter visar inflammatorisk reaktion efter implantation, följt av vävnad inkapsling och astroglial ärrbildning vilket ofta resulterar i enhet fel10,11. Det är ett vanligt antagande att mindre stel enheter minimera de främmande kropp svar12,13,14. Styvheten i en enhet styrs av dess tvärsnittsarea och elasticitetsmodul. Det är därför viktigt att minska både faktorer för att förbättra enhet överensstämmelse, och i slutändan enhet vävnad interaktionen.
Arbetet med mjukgörande polymerer inspirerades av arbetet av Nguyen et al.15, som visat att mekaniskt-kompatibla intracortical implantat minska neuroinflammatoriska svaret. De har tidigare använt mekaniskt-adaptiv poly(vinyl acetate)/artikel om lädermantlade cellulosa fysikalisk (tCNC) nanokompositer (NC), som blir kompatibla efter implantationen.
Voit labbet, däremot, använder mycket avstämbara system av thiol-ene och thiol-ene/akrylat polymerer. Dessa material är fördelaktiga i att graden av mjukgörande efter exponering för i vivo förhållanden kan lätt stämmas av polymer design. Genom att välja rätt polymer sammansättning och crosslink densitet, glas övergångstemperaturen och Youngs modul av polymeren kan vara modified2,4,5,6,8. Underliggande effekten av den mjukgörande är plasticization av polymeren i en vattenlösning miljö. Genom att ha en polymer med en glasomvandlingstemperatur (Tg) ovan kroppstemperatur när den är torr (staten under implantation), men under kroppstemperatur efter att vara nedsänkt i vatten eller PBS, resulterande stelhet/modulusen av polymeren kan skifta från glasartad (stiff) när det är torrt till seg (mjuk) när implanteras16.
Exakta och tillförlitliga mätningar av den mjukgörande på grund av plasticization och förskjutningen av Tg från torrt till våta staterna har emellertid inte kunnat mätas i förflutnan. Traditionella dynamisk mekanisk analys utförs i luften eller inerta gaser och tillåter inte för mätning av termomekaniska egenskaper polymerer inuti en lösning. I tidigare studier, har polymerer varit nedsänkta i PBS för olika mängder av tid. Svullna prover användes sedan för att utföra dynamisk mekanisk analys (DMA)6,7,8. Men eftersom förfarandet innebär en temperatur ramp, prover börja torka under mätningen och ger inte representativa uppgifter. Detta är särskilt sant om stickprovets storlek blir mindre. För att förutsäga den mjukgörande av neurala sonder, skulle det vara nödvändigt att testa 5 till 50 µm-tunn polymer filmer, vilket inte är möjligt med traditionella DMA på grund av de ovannämnda torkningen av proverna under mätningen.
Hess et al.17 har utformat en specialbyggd microtensile testa maskin att bedöma de mekaniska egenskaperna av mekaniskt adaptiv material med en miljömässigt kontrollerad metod. De har tidigare använt en airbrush system för att spraya vatten på prover under mätningen att hindra dem från att torka ut.
Användning av miljö DMA (figur 1), tillåter dock för mätning av Polymerplaster i lösningar, såsom vatten och PBS, vid olika temperaturer. Detta tillåter inte bara mätning av polymerens termomekaniska egenskaper i tillståndet indränkt/mjuknat men också mätning av dess mjukgörande kinetik. Även dragprov och svullnad mätningar är möjligt inuti nedsänkning badet av denna maskin. Detta möjliggör exakta studier av den plasticization-inducerad mjukgörande polymer substrat att förutsäga i vivo beteenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Användningen av miljö DMA kan studiet av uppförandet av olika polymerer används som substrat för neurala implantat19 eller andra biomedicinska enheter i lösning och att efterlikna i vivo villkor. Detta inkluderar, men är inte begränsat till, polyimid, parylene-C, PDMS och SU-8. Hydrogeler och extracellulär matrix (ECM) material kan också undersökas med hjälp av denna metod. Skillnaderna av övergripande mjukgörande polymer samt dess mjukgörande kinetik kan därför lätt jä…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Dr Taylor Ware för att tillåta oss att använda hans miljö DMA.
Detta arbete stöds av kontoret av den biträdande sekreteraren av försvar för hälsa frågor genom Peer recenserade forskning läkarprogrammet [W81XWH-15-1-0607]. Yttranden, tolkningar, slutsatser och rekommendationer är författarnas och inte nödvändigtvis godkändes av Department of Defense.
Materials
| 1,3,5-Triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO) | Sigma-Aldrich | 114235-100G | |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA) | Sigma-Aldrich | 196118-50G | |
| CO2 laser Gravograph LS100 | Gravotech, Inc. | ||
| Corning Large Glass Microscope Slides, 75 x 50mm | Ted Pella | 26005 | |
| Environmental DMA: RSA-G2 Solids Analyzer | TA Instruments | ||
| ESD Safe Plastic Tweezer, Tips; Flat, Duckbill, 11.5 cm | Cole Palmer | EW-07387-17 | |
| Laurell WS-650-8B spin coater | Laurell Technologies Corporation | ||
| liquid nitrogen | Air gas | ||
| PBS, 1X Solution, Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP243820 | |
| SHEL LAB vacuum oven | VWR International | 89409-484 | |
| Silicon wafer | University Wafer | Mechanical grade | |
| The RSA-G2 Immersion System | TA Instruments | ||
| Trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) | Sigma-Aldrich | 381489-100ML | |
| UVP CL-1000 crosslinking chamber with 365 nm bulbs | VWR International | 21474-598 |
References
- Garcia-Sandoval, A., et al. Chronic softening spinal cord stimulation arrays. Journal of Neural Engineering. 15 (4), 045002 (2018).
- Ecker, M., et al. Sterilization of Thiol-ene/Acrylate Based Shape Memory Polymers for Biomedical Applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 1600331 (2017).
- Simon, D. M., et al. Design and demonstration of an intracortical probe technology with tunable modulus. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 105 (1), 159-168 (2017).
- Do, D. -. H., Ecker, M., Voit, W. E. Characterization of a Thiol-Ene/Acrylate-Based Polymer for Neuroprosthetic Implants. ACS Omega. 2 (8), 4604-4611 (2017).
- Ware, T., et al. Thiol-ene/acrylate substrates for softening intracortical electrodes. Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials. 102 (1), 1-11 (2014).
- Ware, T., et al. Thiol-Click Chemistries for Responsive Neural Interfaces. Macromolecular Bioscience. 13 (12), 1640-1647 (2013).
- Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. Smart Polymers for Neural Interfaces. Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).
- Ware, T., et al. Fabrication of Responsive, Softening Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).
- Stiller, A. M., et al. Chronic Intracortical Recording and Electrochemical Stability of Thiol-ene/Acrylate Shape Memory Polymer Electrode Arrays. Micromachines. 9 (10), 500 (2018).
- Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
- Lacour, S. P., Courtine, G., Guck, J. Materials and technologies for soft implantable neuroprostheses. Nature Reviews Materials. 1 (10), 16063 (2016).
- Stiller, A., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001 (2018).
- Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014 (2014).
- Ecker, M., et al. From Softening Polymers to Multi-Material Based Bioelectronic Devices. Multifunctional Materials. , (2018).
- 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. Journal of Visualized Experiments. (78), e50078 (2013).
- Black, B. J., et al. In vitro compatibility testing of thiol-ene/acrylate-based shape memory polymers for use in implantable neural interfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 106 (11), 2891-2898 (2018).
- Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. Polymers for neural implants. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (1), 18-33 (2011).
