Için Mekanik-adaptif Polimer Nanokompozitler bir çevre kontrollü Mikrogerilim Test<em> Ex vivo</em> Karakterizasyonu
Summary
Bir yöntem tartışılmaktadır hangi<em> In vivo</emUyarı-duyarlı malzemelerin> mekanik davranışı, zamanın bir fonksiyonu olarak izlenir. Numuneler test edilir<em> Ex vivo</em> Fizyolojik ortamında simüle etmek için çevre kontrolleri ile bir Mikrogerilim test cihazı kullanarak. Bu çalışma daha da anlamak teşvik<em> In vivo</emBizim malzeme> 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
Representative Results
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 sip…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma hem laboratuvar start-up fonları (J. Capadona) ve Medtronic Yüksek Lisans Bursu (K. Potter) ile Case Western Reserve Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü tarafından desteklenmiştir. Bu araştırma ek finansman tarafından kısmen desteklenmiştir NSF hibe ECS-0621984 (C. Zorman), Kasa Mezunlar Derneği (C. Zorman), Bir Başarı Değerlendirme Ödülü (B7122R) ile Gazi İşleri Bakanlığı, hem de Gelişmiş Platform Teknoloji Merkezi (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).
