Miljømessige dynamisk mekanisk analyse å forutsi mykgjørende virkemåten av nevrale implantater
Summary
Hvis pålitelig spådommer om softening av polymere substrater for neural implantater i i vivo miljø, er det viktig å ha en pålitelig i vitro metode. Her presenteres bruk av dynamiske mekanisk analyse i fosfat bufret saltvann kroppstemperatur.
Abstract
Når bruker dynamisk mykgjørende underlag for neural implantater, er det viktig å ha en pålitelig i vitro metode å karakterisere mykgjørende virkemåten til disse materialene. I siste, har det ikke vært mulig å måle tilfredsstillende softening av tynne filmer under forhold mimicking kroppen miljø uten betydelige innsats. Denne publikasjonen presenterer en ny og enkel metode som tillater dynamisk mekanisk analyse (DMA) av polymerer i løsninger, som fosfat bufret saltvann (PBS), på relevante temperaturer. Bruken av miljømessige DMA kan måling av nedtoningen effekter av polymerer på grunn av plasticization i ulike media og temperaturer, som derfor gjør en forutsigelse av materialer under i vivo forhold.
Introduction
En ny generasjon av materialer brukt som underlag for neural implantater består av myke formen minne polymerer1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Disse materialene er stiv nok under implantasjon å overvinne kritisk buckling krefter, men de blir opptil tre størrelsesordener mykere etter implantasjon i kroppen omgivelser. Det er spådd at disse materialene vise en bedre enhet-vev interaksjon på grunn av redusert misforholdet i modulus sammenlignet med tradisjonelle materialer er benyttet i nevrale implantater, som tungsten eller silisium. Tradisjonelle, stiv enheter viser betennelsesreaksjon etter implantasjon, etterfulgt av vev innkapsling og astroglial arr som ofte resulterer i enheten feil10,11. Det er en vanlig antakelse at mindre stiv enheter minimere fremmedlegeme svar12,13,14. Stivhet av en enhet er diktert av tverrsnitt og modulus. Derfor er det viktig å redusere både faktorer for å forbedre enheten etterlevelse, og til slutt enheten vev samhandlingen.
Arbeidet med mykgjørende polymerer var inspirert av Nguyen et al.15, som viste at mekanisk-kompatibel intracortical implantater redusere neuroinflammatory svaret. De har tidligere brukt mekanisk-adaptive poly(vinyl acetate)/tunicate cellulose nanocrystal (tCNC) nanocomposites (NC), som blir kompatibel etter implantasjon.
Voit lab, derimot, bruker det svært tunable systemet av thiol-ene og thiol-ene/acrylate polymerer. Disse materialene er fordelaktig graden av mykgjørende etter eksponering i vivo forhold kan enkelt stilles av polymer design. Ved å velge riktig polymer sammensetning og krysskobling tetthet, glass overgang temperaturen og Youngs modul av polymer kan være endret2,4,5,6,8. Underliggende effekten av nedtoningen er plasticization av polymer i vandig miljø. Ved å ha en polymer med et glass overgang temperatur (Tg) over kroppstemperaturen når den er tørr (staten under implantasjon), men under kroppstemperatur etter å være nedsenket i vann eller PBS, resulterende stivhet/modulus av polymer kan skifte fra glassaktig (stiv) når tørr til gummiaktig (myk) når implantert16.
Men har nøyaktig og pålitelig målinger av nedtoningen plasticization og skifte av Tg fra tørt til vått stater ikke kunnet måles i fortiden. Tradisjonelle dynamisk mekanisk analyse utføres i luften eller inert gasser og tillater ikke for måling av thermomechanical egenskaper av polymers inne en løsning. I tidligere studier har av polymerer vært nedsenket i PBS for ulike mengder tid. Hovne prøver ble så brukt til å utføre dynamisk mekanisk analyse (DMA)6,7,8. Men siden prosedyren innebærer en temperatur rampe, prøver begynner å tørke under målingen og gir ikke representant data. Dette gjelder spesielt hvis utvalgsstørrelsen blir mindre. Slik nedtoningen av nevrale sonder, ville det være nødvendig å teste 5 til 50 µm-tynne polymer filmer, som er ikke mulig med tradisjonelle DMA på grunn av ovennevnte tørking av prøvene under målingen.
Hess et al.17 har designet en spesialbygd microtensile tester maskinen å vurdere mekaniske egenskaper for mekanisk adaptive materialer med en miljømessig kontrollert metode. De har tidligere brukt en airbrush system for å sprøyte vann på prøver under målingen å hindre at de tørker ut.
Bruk av miljømessige DMA (figur 1), kan imidlertid for måling av polymer filmer i løsninger, som vann og PBS, ved forskjellige temperaturer. Dette gjør ikke bare måling av polymer er thermomechanical egenskaper i gjennomvåt/myknet staten, men også måling av sin myke kinetics. Selv strekk tester og hevelse målinger er mulig på nedsenking badet av denne maskinen. Dette gir nøyaktige studier av plasticization-indusert nedtoningen av polymer underlag å forutsi atferd i vivo .
Protocol
Representative Results
Discussion
Bruken av miljømessige DMA kan studere atferden til ulike polymerer brukes som underlag for neural implantater19 eller andre biomedisinsk enheter i løsningen og å etterligne i vivo betingelser. Dette inkluderer, men er ikke begrenset til, polyimid (pi), parylene-C, PDMS og SU-8. Hydrogels og ekstracellulær matrix (EFM) materialer kan også undersøkes ved hjelp av denne metoden. Forskjellene i generelle myke polymer som sine myke kinetics kan lett sammenlignes mellom ulike løsninger,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil takke Dr. Taylor Ware for å la oss bruke hans miljømessige DMA.
Dette arbeidet ble støttet av Office for Assistant Secretary of Defense for helse saker gjennom Peer vurdert medisinsk forskningsprogrammet [W81XWH-15-1-0607]. Meninger, tolkninger, konklusjoner og anbefalinger er de av forfatterne, og ikke nødvendigvis godkjent av Forsvarsdepartementet.
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).
