Milieuvriendelijke gecontroleerde Microtensile Testen van mechanisch-adaptieve nanocomposieten voor<em> Ex vivo</em> Karakterisering
Summary
Werkwijze besproken waarbij de<em> In vivo</em> Mechanisch gedrag van stimuli-responsieve materialen als functie van de tijd. Monsters worden getest<em> Ex vivo</em> Gebruik van een microtensile tester met milieucontroles te simuleren de fysiologische omgeving. Dit werk bevordert verder het begrip van de<em> In vivo</em> Gedrag van ons materiaal.
Abstract
Implanteerbare microdevices worden steeds aanzienlijke aandacht voor verschillende biomedische toepassingen 1-4. Dergelijke apparaten zijn gemaakt van een waaier van materialen, elk met zijn eigen voordelen en tekortkomingen 5,6. Meest opvallend vanwege de afmetingen microschaal inrichting wordt een hoge modulus vereist implantatie in levend weefsel te vergemakkelijken. Omgekeerd moet de stijfheid van de inrichting aan de omringende weefsel geïnduceerde straindistributie 7-9 minimaliseren. Daarom hebben we onlangs een nieuwe klasse van bio-geïnspireerd materialen voldoen aan deze eisen door te reageren op prikkels uit de omgeving met een verandering in mechanische eigenschappen 10-14 ontwikkeld. Specifiek onze poly (vinylacetaat)-based nanocomposiet (PVAc-NC) toont een verlaging van de stijfheid bij blootstelling aan water en bij verhoogde temperatuur (bijvoorbeeld lichaamstemperatuur). Helaas, weinig methoden bestaan om de stijfheid van de materialen in vivo 15, en mech kwantificerennische testen buiten de fysiologische omgeving vereist vaak grote monsters ongeschikt voor implantatie. Verder kan stimuli-responsieve materialen snel terugkeren naar hun oorspronkelijke stijfheid na explantatie. Daarom hebben we een methode waarbij de mechanische eigenschappen van geïmplanteerde microsamples meetbaar ex vivo ontwikkeld met gesimuleerde fysiologische omstandigheden gehandhaafd met vocht en temperatuur 13,16,17.
Hiertoe werd een aangepaste microtensile tester ontworpen om microschaal monsters tegemoet 13,17 met sterk uiteenlopende elasticiteitsmoduli (bereik van 10 MPa tot 5 GPa). Als onze belangen zijn bij de toepassing van PVAc-NC als een biologisch-aanpasbaar neurale sonde substraat, een instrument waarmee de mechanische karakterisatie van monsters bij de microschaal noodzakelijk was. Deze tool is aangepast aan vochtigheid en temperatuur, welk monster geminimaliseerd drogen en koelen 17 verschaffen. Dientengevolge, de monteural kenmerken van de geëxplanteerde steekproef nauw overeen met die van het monster vlak voor explantatie.
Het algemene doel van deze methode is om kwantitatief vast in vivo mechanische eigenschappen, in het bijzonder de Young's modulus, van stimuli-responsieve, mechanisch-adaptieve polymeer gebaseerde materialen. Dit wordt bereikt door eerst de omgevingsomstandigheden die een wijziging in voorbeeld mechanische eigenschappen na explantatie minimaliseert zonder bij te dragen aan een vermindering van stijfheid onafhankelijk van die welke uit de implantatie. Monsters worden vervolgens bereid voor implantatie, behandeling, en testen (Figuur 1A). Elk monster wordt geïmplanteerd in de cerebrale cortex van ratten, die hier wordt voorgesteld als een geëxplanteerd hersenen van de rat, en voor een bepaalde duur (Figuur 1B). Op dit punt wordt het monster geëxplanteerd en onmiddellijk geladen in de microtensile tester, en daarna onderworpen aan trekproeven (figuur1C). Latere data-analyse geeft inzicht in het gedrag van die innovatieve materialen in de omgeving van de cerebrale cortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
De vooruitgang van de biomedische implanteerbare micro-elektromechanische systemen (bioMEMS) voor interactie met biologische systemen is het motiveren van de ontwikkeling van nieuwe materialen met hoog-op maat gemaakte eigenschappen. Sommige van deze materialen zijn ontworpen om een verandering in materiaaleigenschappen vertonen in reactie op een stimulus in de fysiologische omgeving. Een recent ontwikkelde klasse van materialen aan de aanwezigheid van waterstofbruggen vormende vloeistoffen (bijv. water) …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de faculteit Biomedische Technologie aan de Case Western Reserve University via zowel lab start-up middelen (J. Capadona), en de Medtronic Graduate Fellowship (K. Potter). Aanvullende financiering op dit onderzoek werd mede ondersteund door NSF subsidie ECS-0621984 (C. Zorman), de zaak Association Alumni (C. Zorman), het Department of Veterans Affairs via een Merit Award Beoordeling (B7122R), alsmede de geavanceerde Platform 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).
