Miljömässigt-kontrollerad Microtensile Test av Mekaniskt adaptiva Polymer Nanokompositer för<em> Ex vivo</em> Karakterisering
Summary
En metod diskuteras genom vilken<em> In vivo</em> Mekaniska beteendet av stimuli-responsiva materialen övervakas som en funktion av tiden. Prover testas<em> Ex vivo</em> Använda en microtensile testare med miljökontroll för att simulera den fysiologiska miljön. Detta arbete främjar ytterligare förstå<em> In vivo</em> Beteende vårt material.
Abstract
Implanterbara microdevices vinner betydande uppmärksamhet i flera biomedicinska tillämpningar 1-4. Sådana anordningar har skett från en rad olika material, alla med sina egna fördelar och brister 5,6. Mest framträdande, på grund av de mikroskala enhetens dimensioner, är en hög modul för att underlätta implantation i levande vävnad. Omvänt bör styvheten av anordningen matchar den omgivande vävnaden för att minimera inducerad lokal stam 7-9. Därför utvecklade vi nyligen en ny klass av bio-inspirerade material för att möta dessa krav genom att reagera på stimuli från omgivningen med en förändring av de mekaniska egenskaperna 10-14. Specifikt visar vår poly (vinylacetat)-baserad nanokomposit (PVAc-NC) en minskning i styvhet när de utsätts för vatten och förhöjda temperaturer (t.ex. kroppstemperatur). Tyvärr är det få metoder finns att kvantifiera styvheten av material in vivo 15, och mekanical testning utanför den fysiologiska miljön kräver ofta stora prover olämpligt för implantation. Vidare kan stimuli-responsiva material återhämta sig snabbt sin ursprungliga styvhet efter explantation. Därför har vi utvecklat en metod som de mekaniska egenskaperna hos implanterade microsamples kan mätas ex vivo, med simulerade fysiologiska förhållanden upprätthålls med hjälp av fukt-och temperaturkontroll 13,16,17.
För detta ändamål har en anpassad microtensile testare utformad för att rymma mikroskala prover 13,17 med mycket varierande Youngs moduler (intervallet 10 MPa till 5 GPa). Eftersom våra intressen är i tillämpningen av PVAc-NC som ett biologiskt anpassningsbar neural testsubstrat, ett verktyg som kan mekanisk karakterisering av prover på mikroskala var nödvändigt. Detta verktyg har anpassats för att ge fukt och temperaturkontroll, vilket minimerade prov torkning och kylning 17. Som ett resultat, mekanikernal egenskaper explanterad provet avspeglar nära de för provet strax före explantation.
Det övergripande målet med denna metod är att kvantitativt utvärdera in vivo mekaniska egenskaper, särskilt den Youngs modul, av stimuli-lyhörd, mekaniskt-adaptiva polymerbaserade material. Detta åstadkommes genom att först fastställa de miljöförhållanden som kommer att minimera en förändring i prov mekaniska egenskaper efter explantation utan att bidra till en minskad styvhet oberoende av det som följer av implantation. Prover framställs därefter för implantation, hantering, och testning (Figur 1A). Varje prov implanteras i hjärnbarken hos råttor, som representeras här som en explanterad råtta hjärna, under en viss tid (Figur 1B). Vid denna punkt, är provet explanterades och omedelbart laddas i microtensile testare, och utsattes sedan för dragprovning (Figur1C). Efterföljande analys av data ger en inblick i det mekaniska beteendet hos dessa innovativa material i miljön av hjärnbarken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Främjande av implanterbara biomedicinska mikroelektromekaniska system (bioMEMS) för att interagera med biologiska system är motiverande att utveckla nya material med högt skräddarsydda egenskaper. Några av dessa material är utformade för att uppvisa en förändring i materialegenskaper i svar på ett stimulus som finns i den fysiologiska miljön. En nyligen utvecklad klass av material reagerar på närvaron av väte bindningsbildande vätskor (t.ex. vatten) och förhöjda temperaturer för att minska el…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Institutionen för medicinsk teknik vid Case Western Reserve University genom både lab nystartade fonder (J. Capadona), och Medtronic Graduate Fellowship (K. Potter). Ytterligare finansiering på denna forskning stöds delvis av NSF bevilja ECS-0621984 (C. Zorman), Case Alumni Association (C. Zorman), Department of Veterans Affairs genom ett Merit Review Award (B7122R), samt Advanced Plattform 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 |
Referências
- 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).
