Miljømæssige dynamisk mekanisk analyse til at forudsige den blødgørende opførsel af neurale implantater
Summary
For at give pålidelige forudsigelser af opblødning af polymert substrater for neurale implantater i et miljø, der i vivo , er det vigtigt at have en pålidelig in vitro- metode. Her, er brug af dynamiske mekanisk analyse i fosfatbufferet saltopløsning ved kropstemperatur præsenteret.
Abstract
Når du bruger dynamisk blødgørende substrater for neurale implantater, er det vigtigt at have en pålidelig in vitro- metode til at karakterisere den blødgørende opførsel af disse materialer. I fortiden, har det ikke været muligt at måle tilfredsstillende opblødning af tynde film betingelser efterligne kroppen miljø uden væsentlig anstrengelse. Denne publikation præsenterer en ny og enkel metode, der giver mulighed for dynamisk mekanisk analyse (DMA) af polymerer i løsninger, såsom fosfatbufferet saltopløsning (PBS), på relevante temperaturer. Brug af miljømæssige DMA tillader måling af blødgørende virkningerne af polymerer på grund af plasticization i forskellige medier og temperaturer, der derfor tillader en forudsigelse af materialer opførsel under i vivo betingelser.
Introduction
En ny generation af materialer, der anvendes som bærestof for neurale implantater består af blødgørende form hukommelse polymerer1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Disse materialer er stiv nok under implantation at overvinde kritiske buckling styrker, men de bliver op til tre størrelsesordener blødere efter implantation i en krop miljø. Det forudses, at disse materialer viser en bedre enhed-væv interaktion på grund af den reducerede uoverensstemmelse i modulus i forhold til traditionelle materialer i neurale implantater, såsom wolfram eller silicium. Traditionelle, stiv enheder vise inflammatorisk respons efter implantation, efterfulgt af væv indkapsling og astroglial ardannelse, hvilket ofte resulterer i enhed fejl10,11. Det er en almindelig antagelse at mindre stiv enheder minimere fremmedlegeme svar12,13,14. Stivhed af en enhed er dikteret af dens tværsnitsareal og modulus. Derfor er det vigtigt at reducere begge faktorer for at forbedre enhed compliance og i sidste ende enhed væv interaktion.
Arbejde på opblødning polymerer var inspireret af arbejdet i Nguyen et al.15, der påvises, mekanisk kompatibel intracortical implantater mindsker neuroinflammatory svar. De har tidligere brugt mekanisk adaptive poly(vinylacetat)/tunicate cellulose nanocrystal (tCNC) nanocomposites (NC), som bliver medgørlig efter implantation.
Voit lab, på den anden side bruger meget afstemmelige system af thiol-fje og thiol-fje/acrylat polymerer. Disse materialer er fordelagtige, idet graden af blødgørende efter eksponering i vivo betingelser kan nemt indstilles af polymer design. Ved at vælge den rigtige polymer sammensætning og bitmapgenkendelse tæthed, glas overgang temperatur og Young’s modulus af polymeren kan være ændret2,4,5,6,8. Den underliggende virkning af den blødgørende er plasticization af polymer i et vandigt miljø. Ved at have en polymer med en glas overgang temperatur (Tg) over kropstemperatur når tørre (tilstand under implantation), men under kropstemperatur efter at blive nedsænket i vand eller PBS, den deraf følgende stivhed/modulus af polymeren kan skifte fra glasagtig (stiv) Når tør at gummiagtig (bløde) når implanteret16.
Nøjagtige og pålidelige målinger af opblødning på grund af plasticization og skift af Tg fra tør til våd stater har imidlertid ikke har kunnet måles i fortiden. Traditionelle dynamisk mekanisk analyse udføres i luften eller inaktive gasser og giver ikke mulighed for måling af thermomechanical egenskaber af polymerer inde i en løsning. I tidligere undersøgelser, har polymerer været fordybet i PBS for forskellige mængder af tid. Hævede prøver blev derefter brugt til at udføre dynamisk mekanisk analyse (DMA)6,7,8. Men eftersom proceduren indebærer en temperatur rampe, prøver begynder at tørre under målingen og give ikke repræsentative data. Dette gælder især, hvis stikprøvestørrelse bliver mindre. For at forudsige opblødning af neurale sonder, ville det være nødvendigt at teste 5 til 50 µm-tynd polymer film, der er ikke muligt med traditionel DMA på grund af ovennævnte tørring af prøverne under målingen.
Hess et al.17 har designet en specialbygget microtensile test maskine at vurdere de mekaniske egenskaber af mekanisk adaptive materialer ved hjælp af en miljømæssigt kontrolleret metode. De har tidligere brugt en airbrush system til at sprøjte vand på prøver under målingen til at forhindre udtørring.
Brug af miljømæssige DMA (figur 1), dog giver mulighed for måling af polymer film i løsninger, såsom vand og PBS, ved forskellige temperaturer. Dette giver mulighed for ikke kun måling af en polymer thermomechanical egenskaber i tilstanden gennemblødt/blødgjort, men også måling af dens blødgørende kinetik. Selv trækstyrke tests og hævelse målinger er muligt inde fordybelse bad af denne maskine. Dette giver mulighed for præcise undersøgelser af plasticization-induceret opblødningen af polymer substrater til at forudsige i vivo adfærd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Brug af miljømæssige DMA giver mulighed for undersøgelse af de forskellige polymerer, der anvendes som bærestof for neurale implantater19 eller andre biomedicinsk enheder i løsning og at efterligne i vivo betingelser. Dette omfatter, men er ikke begrænset til, polyimid, parylene-C, PDMS og SU-8. Hydrogels og ekstracellulære matrix (ECM) materialer kan også undersøges ved hjælp af denne metode. Forskelle i overordnede opblødning af polymeren samt dens blødgørende kinetik kan n…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Dr. Taylor Ware for tillader os at bruge hans miljømæssige DMA.
Dette arbejde blev støttet af kontor for Assistant Secretary of Defense for sundhed anliggender gennem peer-Reviewed medicinske forskningsprogrammet [W81XWH-15-1-0607]. Meninger, fortolkninger, konklusioner og anbefalinger er dem af forfatterne og ikke nødvendigvis godkendt af 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).
