Için Mekanik-adaptif Polimer Nanokompozitler bir çevre kontrollü Mikrogerilim Test Ex vivo Karakterizasyonu

Summary

Bir yöntem tartışılmaktadır hangi In vivo mekanik davranışı, zamanın bir fonksiyonu olarak izlenir. Numuneler test edilir Ex vivo Fizyolojik ortamında simüle etmek için çevre kontrolleri ile bir Mikrogerilim test cihazı kullanarak. Bu çalışma daha da anlamak teşvik In vivo davranış.

Abstract

Implante Mikrocihazlarda çeşitli biyomedikal uygulamalarda ^1-4 açısından önemli dikkat çekiyor. Bu tür cihazlar, malzemeler, kendine özgü avantajları ve eksiklikleri ^5,6 sunan her bir dizi yapılmıştır. En belirgin, mikro cihaz boyutları nedeniyle, bir yüksek modüllü canlı dokuya implantasyonu kolaylaştırmak için gereklidir. Bunun aksine, aygıtın sertliği bağlı yerel gerilme ^7-9 en aza indirmek için çevredeki doku ile eşleşmelidir. Bu nedenle, son zamanlarda mekanik özellikleri ^10-14 bir değişiklik ile çevresel uyaranlara yanıt vererek bu gereksinimleri karşılamak için biyo-ilham malzemelerin yeni bir sınıf geliştirdi. Su ve yüksek sıcaklıklarda (örneğin, vücut sıcaklığı) maruz kaldığında Özellikle, poli (vinil asetat) bazlı nano-(PVAc, North Carolina) sertliğinde bir azalma gösterir. Ne yazık ki, birkaç yöntem in vivo ¹⁵ malzemelerin sertlik ve mekanik ölçmek için varfizyolojik ortamı dışında anical test genellikle implantasyon için büyük örnekleri uygunsuz gerektirir. Ayrıca, uyaranlara duyarlı malzemeleri hızlı bir şekilde açıklama yapıldı onların ilk sertlik geri alabilirsiniz. Bu nedenle, implante microsamples mekanik özellikleri ex vivo olarak ölçülebilir hangi bir yöntem geliştirdik, simüle fizyolojik koşullar ile, nem ve ısı kontrolü ^13,16,17 kullanılarak korunur.

Bu amaçla, özel bir Mikrogerilim test Young modülü (10 MPa ile 5 GPa aralığı) yaygın olarak değişen mikro örnekleri ^13,17 karşılamak için tasarlanmıştır. Ilgi eden, biyolojik olarak adapte sinir prob substratı, mikro numuneler arasında mekanik karakterizasyon gerekli yeteneğine sahip bir araç olarak PVAc-NC uygulama bulunmaktadır. Gibi Bu araç, kurutma ve ¹⁷ soğutma örnek minimize nem ve ısı kontrolü sağlamak üzere adapte edilmiştir. Sonuç olarak, mekanikEksplante örnek al özellikleri yakından eksplantasyonu hemen önce örnek bu yansıtmaktadır.

Bu yöntem, genel amacı, kantitatif uyaranlara yanıt veren, mekanik-adaptif polimer esaslı malzemelerin in vivo mekanik özellikler, özel olarak, Young modülü bölgesi değerlendirmektir. Bu, ilk olarak implantasyon sonucu husule gelen bağımsız sertliğinde bir azalmaya katkıda bulunmadan önce açıklama sonra örnek mekanik özelliklerinde bir değişiklik en aza indirmek için çevresel koşulların yerleştirilmesiyle gerçekleştirilir. Örnekler daha sonra implantasyon, taşıma, ve test (Şekil 1A) için hazırlanmıştır. Her numune belirli bir süre için bir Eksplante sıçan beyin, (Şekil 1B) olarak burada temsil edilir sıçan, en serebral korteks içine yerleştirilir. Bu noktada bir örnek (Şekil eksplante ve hemen yüklenen Mikrogerilim test cihazı içine girer ve daha sonra çekme testine tabi tutulur1C). Sonraki veri analizi serebral korteksin ortamda bu yenilikçi malzemelerin mekanik davranış içine fikir verir.

Protocol

1. Numune Hazırlama

1. Bir çözelti döküm ve sıkıştırma tekniği kullanılarak ^10-12 25-100 mikron aralığında kalınlığı PVAc-NC, film tabaka hazırlanabilir.
2. Film ve yonga arasındaki yakın temas teşvik etmek için 70 ° C (cam geçiş sıcaklığının üzerinde), iki dakika boyunca bir sıcak plaka üzerinde ısıtma ile bir silikon filmi için uyun. Bu adım, hazırlanan film, düzlemsel mikro işlemler için gerekli olan silisyum, düz ve sabit kalmasını sağlar.
3. Lazer mikro (VLS 3.50, VersaLASER) tarafından test örneği geometri içine Desen filmi. % 1.0 gücü (0.5 W),% 4.0 hızı (56 mm / s) ve inç ^13,16 1.000 darbe için CO ₂ doğrudan-yazma lazer mikro parametrelerini ayarlayın.
4. Yan pad boyutları 1.5 x 1.5 mm ^2, ve loş yan ışını ile dogbone şeklinde yapılarına çevre koşulları ("kurulum örnekleri") kurmak için kullanılacak desen örneklerikalınlığı ile eşleşen ensions 300 x 3.000 mikron ^2, boyunca filmin (Şekil 2) bu.
5. Kalınlığı bu filmin eşleşen Desen ex vivo deneyler için numune ("implant örnek") kirişler içine 300 mikron x 6 mm,.
6. Dikkatli bir jilet ve cımbız kullanarak gofret gelen örnekleri bırakın.
7. Numune alma için, Mikrogerilim test içinde kavrama sisteminin bir parçası olarak hizmet etmek için tasarlanmış özel işlenmiş akrilik sahipleri hazırlamak. Lazer kazınmış işaretler sahibinin merkez ve sonunda 1,5 mm göstermektedir. Akrilik tutucunun merkez üzerinde siyanoakrilat jel bazlı bir yapışkan küçük bir miktar ve dikkatli bir şekilde tutucu implant örneği bir 1.5 mm uzunluğunda uygun ve işaretli merkez çizgisine (Şekil 3) üst üste. Her implant örnek bir akrilik tutucu gerektirir. Yapışkan jel sadece ACR uygulanmaması PVAc-NC 1.5 mm uzunluğu boyunca kalmasını sağlamak için dikkatli olunAKRİLİK tutucu. Aksi takdirde, yapışkan bir jel numunenin mekanik davranışı engelleyebilir.
8. En az 24 saat boyunca bir desikatör içinde yerleştirerek, tüm numunelerden çıkarıldı nemi çıkarmak.
9. Uzunluk, genişlik ve optik bir mikroskop kullanılarak örneklerin kalınlıkları ölçün.

2. Çevresel koşullar oluşturulması

1. İlk sabit kulpları arasında daha sonra, mobil kulpları arasındaki sıkma, Mikrogerilim test (bkz. Şekil 4) içine kuru bir kurulum örneği yükleyin.
2. Mikrogerilim Örnek doğru yönlendirilmiş olan meme, sabit bir pozisyonda, bir su dolu bir hazne ile bir hava fırçası monte edin. Plastik boru ile bir hava kompresörü için hava fırça bağlayın. Hava fırça memesi tamamen kapalı, hava kompresörü açın.
3. Çekme suşu (pozitif yük) ve t uygulanan basınç gerginlik (negatif yük) arasında değişen, döngüsel Mikrogerilim test prosedürü başlayıno örnek, gerilme-şekil değiştirme arsa doğrusal elastik bölge içinde kalan. PVAc-NC için, uygulanan gerilme% 2'den daha az ile sınırlıdır. Bu gerilim elde etmek için gerekli olan kuvvet ölçüldü ise, bu deneylerde kullanılan özel Mikrogerilim test olarak, gerilme oranı kontrol edildi. Alternatif olarak, farklı bir kurulum çıkan gerginlik ölçerken uygulanan kuvvet kontrol kapsayabilir.
4. Yavaş yavaş hava fırça memeden akışını arttırmak ve hava fırça akış miktarının bir fonksiyonu olarak, gerilme-uzama eğrisinin eğimi izler. 60 saniye arasında bir süre içinde Young modulus bir belirgin (>% 10) azalmaya neden olmayan en yüksek akış ex-vivo deneylerde kullanılacak seviyesidir. Bu noktada, nem koşulları (ve dolayısıyla Young modülünde bir azalma katkıda), kuru numune ıslak olmaz ve aynı zamanda in vivo olarak biyolojik sıvılara maruz bırakıldıktan sonra kurutma örnek esta olmuştur minimize edecekblished.
5. Örnek yakın sıcaklık ölçün. İdeal bir kurulum dijital okuma ile bir termokupl içerir ve airbrush çalışırken gerçekleştirilebilir. Örnek sıcaklığı 37 ° C, fizyolojik koşullarına göre için düzenlenen bu tür ısı kaynağının yoğunluğu ve uzaklığını ayarlayın.

3. Çevre Kontrol Dışı Çevre Kontrol karşılaştırın

1. Fosfat, en az 30 dakika süreyle batırmak kurulum örnekleri tamponlu tuzlu su. Bu kadar süre sonra, örnek, tamamen doymuş olan ve belirli bir sıcaklıkta minimum Young modulus düşürülmüştür.
2. Hızla Mikrogerilim test bir örnek yüklemek ve döngüsel Mikrogerilim test başlar, kapalı hava fırça ile, örnek kuruması için bir süre. Bu olmayan kontrollü şartlar altında ne kadar hızlı örnek kurur belirleyecektir.
3. Mikrogerilim test içine ikinci bir PBS-doymuş kurulum örnek yükleyin ve döngüsel Mikrogerilim test başlarüzerindeki hava fırça ile. Bu kontrollü çevresel koşullar altında ne kadar hızlı kurur örnek belirleyecektir.

4. Probe İmplantasyon ve eksplantasyonu

1. Bir micromanipulator kelepçe ve kortikal doku dik konuma implant örnek takın.
2. Ekleme önce, doku mekaniği homojenliği sağlamak için serum fizyolojik ile doku yeterince nemli tutmak.
3. Mikromanipülatör el kontrolleri kullanarak korteks içine polimer örnek indirin. Genel olarak 1 ile 30 dakika arasında, hedef implantın zamanına kadar kortikal dokusu örneği bırakın. Hafifçe 5 dakika, dab zaman içinde puan için kurumasını doku önlemek için doku bir tuzlu bulanmış pamuklu çubuk kullanarak her 5 dk.
4. Prob kortekse olsa da, sabit bir numune kıskaçtan 3.0 mm sıfır değiştirme konumuna tahrik çubuğu ayarlayarak anda implante numune yükleme Mikrogerilim test hazırlar. Ayrıca, hava fırça memesi ayarlayınakış ayarı ve uygun yoğunluğu Adım 2.4 'te belirlemek için ısı kaynağına.
5. Belirtilen implant zaman sonunda, mikromanipülatör el kumandalarını kullanarak korteksin prob dışarı kaldırın. Derhal ve dikkatli bir şekilde, mikromanipülatör kelepçe örneği kaldırmak ve benzeri gibi Adım 5.2 'de daha detaylı olarak tarif Mikrogerilim test cihazı içine yükleyin.

5. İmplant Numune Mikrogerilim Test

1. Açıklama yapıldı Zaman kazanmak için, Mikrogerilim test olarak Adım 4.4 'de açıklandığı gibi, implantasyon öncesinde implant örnek kabul etmeye tamamen hazır olduğundan emin olun.
2. Hemen önce açıklama yapıldı, Mikrogerilim test kelepçeler iki takım arasında örnek yükleyin. Örnek bir tespit üst yarısında olarak kullanılmak üzere tasarlanmış olan bir akrilik tutucuya monte edilmiş olduğu için, aşağı mobil kavrama, örnek tarafında implant örneği montaj yerleştirin. Bu, örnek monte edilmiş olduğundan emin olmak için önemli olduğu şekilde gerginlik İçi olduğusadece denetleme sırasında örnek tork uygulayarak önlemek için prob uzunluğu boyunca ied. Bu nedenle, örnek, her kelepçe ortasına monte edilmelidir, ve kelepçeler, birbirine göre aynı seviyede olmalıdır.
3. Kıskaçları arasındaki mesafe 3.0 mm, ve sonda sabit kıskaç içine yerleştirilir sonu olduğu gibi, örnek konumunu ayarlayın. Bu kelepçe arasındaki uzunluğu 3,0 mm numune için ölçü uzunluğudur, ve numune üzerindeki etkiyi belirlemek için daha sonra hesaplamalarda kullanılacaktır.
4. Hemen her iki kelepçe arasındaki örnek güvence sonra eş zamanlı olarak ölçmek ve kayıt sırasında ve nöral doku eksplantasyonunun 2 dakika içinde, sabit bir oranda (burada kullanılan 10 mm / saniye) 'de örnek olarak uzatmak için çekme yönünde motoru harekete numunenin uzaması ve örnek zorlanma için gerekli ilgili kuvveti (bir yük hücresi, Dönüştürücü Teknikleri MDB-2.5 kullanarak) (bir yer değiştirme göstergesi, Mitutoyu 543-561 kullanılarak).
6. Her bir örnek ve / veya koşullar (yani ekleme zamanı) her set için Mikrogerilim test tekrarlayın.

6. Veri Analizi

1. Ε, t zaman, uygulanan suşu gibi Denklem 1 'de tarif edilen ilk gösterge uzunluğu, uzama arasındaki mesafe bölünmesi ile implant örneği uygulanan gerilme mühendislik için işlenmemiş bir uzama dönüştürme, d mikrometre ile ölçülen deplasman Gösterge ve L, ₀ numune, başlangıçtaki şablon boyuna gibidir:
   (1)
2. Tra tarafından, kuvvet (Newton cinsinden) bölerek örnek üzerinde mühendislik strese ham gücü verileri dönüştürmekgibi Denklem 2 'de tarif nsverse kesit alanı,:
   (2)
   Örnek üzerinde stres σ burada, K yük hücresi (Newton cinsinden) ile ölçülen kuvvettir, w, _0, numunenin başlangıç ​​genişliği, ve _{t, 0,} numunenin başlangıç ​​kalınlığıdır.
3. Stres arsa ([t] σ) vs suşu (ε [t]) Microsoft Excel gibi bir bilgisayar programı kullanarak her bir örnek için eğri.
4. Arsa doğrusal elastik kısmı izole etmek ve bu bölümü için en uygun hat bulmak için yazılım tabanlı eğri uydurma araçlarını kullanın. En uygun çizginin eğimi numunenin Young modülü karşılık gelir. Arsa gibi izole edilmiş bir kısmının, en az 10 gerilme-uzama noktaları içermelidir ve eğim en yüksek olduğu arsa kısmı alınmalıdır.
5. Döngüsel testler için, Young modülü her bir döngüsü için tespit edilmesi gerekir. Bu otomatik veya manuel olarak yapılabilir.
6. Zamana karşı her döngüsünün döngüsel testler için, arsa en Young modülü. Bu bir kurulum örnek ıslatma veya kurutma ne kadar hızlı bir göstergesidir zamanla ne kadar ölçülen modülü değişiklikler, gösterir.
7. İmplant örnekleri için, implant ve her bir örnek zaman siklik testler, tek bir döngü karşılık gelir. Her bir implant örneği için yukarıda tarif edilen prosedür kullanılarak, Young modülü ölçün.
8. Young modülü karşı implant zaman çizilir. Bu noktada, karşılaştırma masa üstü araştırmalar, vb yapılabilir

Results

Bizim PVAc-NC da dahil olmak üzere hemen hemen tüm polimer malzemeleri, mekanik özellikleri, çevre koşullarına maruz kalması üzerine bağlıdır. En önemlisi, bu ısı ve neme maruz kalma içerir. Bir malzeme nedeniyle nem alımı plastikle, ya da bir termal geçiş uğrar, bu Young modülünde bir azalma gösterir. Nem ve ex vivo örnek mekanik özellikleri için sıcaklık kontrollü bir ortama hazırlanmasında, test sırasında mekanik Mikrogerilim cihazı, hem de içine örnek yüklenirken numunenin nem içeriği çok az değişiklik olma...

Discussion

Biyolojik sistemleri ile etkileşim için implante biyomedikal mikroelektromekanik sistemleri (bioMEMS) ilerlemesi son derece özel özelliklere sahip yeni malzemelerin geliştirilmesi motive edicidir. Bu malzemelerin bazıları fizyolojik bir ortamda bulunan bir uyarıcıya tepki olarak malzeme özelliklerinde bir değişiklik sergileyen için tasarlanmıştır. Malzemelerden biri son zamanlarda gelişmiş sınıfı hidrojen bağı oluşturan sıvı (örneğin su) ve büyüklüğü ^10,11,18 üç siparişleri, Young modülü, malzeme sık...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silikon gofret	Üniversite Gofret		Mekanik sınıf
Ekstrüde akrilik levha	Profesyonel Plastikler	SACR 062EF	Kalınlık 0.062 "
Tıraş bıçağı	McMaster-Carr	3962A3
Cımbız	McMaster-Carr	8384A47	5 uç
Süper Yapıştırıcı Jel	Loctite	130380
Hava Fırça	Geçmeli Endüstriyel	BF175TA
Hava Kompresörü	Paasche	B002YKN8YO	D500
Termokupl	Omega	HH12A
Sıcak plaka	Cimarec	SP131325Q
CO2 doğrudan yazma lazeri	VersaLaser	3.5
Kurutucu	Fisher Scientific	08-595
Lamba			özel yapım
Mikro çekme test cihazı			özel yapım