בדיקת Microtensile לסביבה מבוקרת של nanocomposites הפולימר מכאני-מסתגל ל<em> לשעבר vivo</em> אפיון
Summary
שיטה נדונה על ידי ה<em> In vivo</em> התנהגות מכאנית של חומרים המגיבים לגירויים היא פיקוח כפונקציה של זמן. דגימות נבדקות<em> לשעבר vivo</em> באמצעות בוחן microtensile עם פקדים סביבתיים כדי לדמות את הסביבה הפיזיולוגית. עבודה זו מקדמת עוד יותר הבנה<em> In vivo</em> התנהגותו של החומר שלנו.
Abstract
microdevices מושתלים צובר תשומת לב משמעותית לכמה יישומים ביו 1-4. מכשירים כאלה נעשו מתוך מגוון רחב של חומרים, כל אחד מציע יתרונות וחסרונות משלה 5,6. הבולט ביותר, בשל ממדי מכשיר microscale, נדרש מודולוס גבוה כדי להקל על השתלה לתוך רקמת חיה. לעומת זאת, את הנוקשות של המכשיר צריכה להתאים את הרקמה שמסביב כדי למזער את המתח מושרה 7-9 מקומי. לכן, אנו פיתחה לאחרונה סוג חדש של חומרים בהשראה ביולוגי כדי לעמוד בדרישות אלה על ידי מגיבים לגירויים סביבתיים עם שינוי בתכונות מכאניות 10-14. באופן ספציפי, nanocomposite מבוססת (ויניל אצטט) פולי (PVAc-NC) מציגה ירידה בקשיחות בעת חשיפה למים וטמפרטורות גבוהות (למשל טמפרטורת גוף). למרבה הצער, קיימות מספר שיטות לכמת את הקשיחות של חומרי in vivo 15, וmechבדיקות anical מחוץ לסביבה הפיזיולוגית לעתים קרובות דורשת דגימות גדולות מתאימות להשתלה. יתר על כן, חומרים המגיבים לגירויים עשויים להתאושש הנוקשות הראשונית שלהם לאחר explantation במהירות. לכן, פיתחנו שיטה שבאמצעותה ניתן למדוד את התכונות מכאניות של microsamples המושתל vivo לשעבר, עם תנאים פיסיולוגיים מדומים נשמר באמצעות לחות ובקרת טמפרטורת 13,16,17.
לצורך כך, בוחן microtensile מותאם אישית תוכנן כדי להכיל דגימות microscale 13,17 עם נרחב משתנה moduli של יאנג (טווח של 10 עד 5 מגפ"ס GPA). כפי שמעניין אותנו הם ביישום של PVAc-NC כמצע בדיקה עצבי ביולוגי וישימה, כלי מסוגל אפיון מכאני של דוגמאות בmicroscale היה הכרחי. כלי זה הותאם כדי לספק לחות ובקרת טמפרטורה, אשר ממוזערת מדגם ייבוש וקירור 17. כתוצאה מכך, המכונאימאפייני al של מדגם explanted משקפים במדויק לאלה של המדגם רק לפני explantation.
המטרה הכללית של שיטה זו היא להעריך כמותית במאפייני vivo מכאניים, במיוחד מודולוס הצעיר על חומרים מבוססי פולימר גירויים, מגיב, מכאני-אדפטיבית. המטרה זו מושגת על ידי ההקמה את התנאים הסביבתיים שיצמצמו שינוי בתכונות מכאניות לדוגמה לאחר explantation מבלי לתרום לירידה בקשיחות בלתי תלויה שנובעים מההשתלה הראשונה. דוגמאות לאחר מכן מוכנות להשתלה, טיפול, ובדיקה (איור 1 א). כל דגימה היא מושתלת לתוך קליפת המוח של חולדות, המיוצגת כאן כמוח חולדת explanted, למשך תקופה מוגדרת (איור 1). בשלב זה, מדגם explanted ונטען באופן מיידי לבוחן microtensile, ולאחר מכן נתון לבדיקת מתיחה (איור1 ג). לאחר ניתוח הנתונים מספק תובנה על ההתנהגות מכאנית של חומרים חדשניים אלו בסביבה של קליפת המוח.
Protocol
Representative Results
Discussion
קידום מערכות מיקרו יו מושתלים (BioMEMS) לאינטראקציה עם מערכות ביולוגיות מניע את הפיתוח של חומרים חדשים בעלי תכונות הפערים מחויטות. חלק מחומרים אלה נועדו להציג את שינוי בתכונות חומר בתגובה לגירוי שנמצא בסביבה הפיזיולוגית. כיתה לאחרונה פיתחה אחד חומרים מגיבה לנוכחות של נ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי המחלקה להנדסה ביו רפואית באוניברסיטת קייס ווסטרן ריזרב בשניהם המעבדה סטארט הכספים (ג'Capadona), ומדטרוניק בוגרת המלגה (ק פוטר). מימון נוסף על מחקר זה נתמך בחלקו על ידי NSF מענק ECS-0621984 (ג זורמן), קייס ארגון הבוגרים (ג זורמן), מחלקה לענייני יוצאי צבא בפרס הצטיינות סקירה (B7122R), כמו גם מתקדם מרכז טכנולוגי פלטפורמה (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).
