تحليل الميكانيكية الحيوية البيئية للتنبؤ بسلوك تليين يزرع العصبية
Summary
للسماح لتنبؤات موثوق بها لتليين ركائز البوليمرية ليزرع العصبية في بيئة في فيفو ، من المهم أن يكون وسيلة يعول عليها في المختبر . ويرد هنا، استخدام تحليل الميكانيكية الحيوية في المحلول الملحي الفوسفات مخزنة في درجة حرارة الجسم.
Abstract
عند استخدام ركائز تليين ديناميكياً ليزرع العصبية، من المهم أن يكون وسيلة موثوق بها في المختبر لتوصيف تليين سلوك هذه المواد. في الماضي، لم يكن من الممكن قياس مرض تليين طبقات رقيقة تحت ظروف محاكاة البيئة الهيئة دون بذل جهد كبير. ويقدم هذا المنشور أسلوب جديد وبسيط يسمح تحليل الميكانيكية الحيوية (DMA) البوليمرات في الحلول، مثل الفوسفات مخزنة المالحة (PBS)، في درجات الحرارة ذات الصلة. يسمح استخدام DMA البيئية قياس الآثار تليين للبوليمرات بسبب بلاستيسيزيشن في مختلف وسائل الإعلام ودرجات الحرارة، ولذلك يسمح تنبؤ بسلوك المواد تحت الظروف في فيفو .
Introduction
جيل جديد من المواد التي تستخدم كركائز ليزرع العصبية تضم تليين الشكل الذاكرة البوليمرات1،2،3،4،،من56،7 ،،من89. هذه المواد قاسية ما فيه الكفاية خلال زرع التغلب على القوى التواء الحاسمة، لكنها أصبحت تصل إلى ثلاثة أوامر من حجم ليونة بعد زرع في بيئة جسم. ومن المتوقع أن تظهر هذه المواد إلى تفاعل أنسجة جهاز أفضل بسبب عدم تطابق انخفاض في معامل بالمقارنة مع المواد التقليدية المستخدمة في عملية زرع العصبية، مثل التنغستن أو السليكون. إظهار الأجهزة التقليدية، شديدة الاستجابة الالتهابية بعد زرع، متبوعاً بتغليف الأنسجة وتندب الذي غالباً ما يؤدي فشل الجهاز10،11أستروجليال. وافتراض الشائع أن الأجهزة أقل قاسية التقليل من جسم غريب استجابة12،،من1314. تصلب الجهاز تمليه منطقة مستعرضة ومعامل التحويل. ولذلك، من المهم للحد من العوامل معا لتحسين امتثال الجهاز، وفي نهاية المطاف، تفاعل الأنسجة الجهاز.
العمل على تليين البوليمرات مستوحاة من عمل نجوين et al.15، الذي أظهر أن يزرع إينتراكورتيكال ميكانيكيا متوافقة مع الحد من الاستجابة نيوروينفلاماتوري. واستخدمت سابقا ميكانيكيا التكيفية poly(vinyl acetate)/تونيكاتي السليلوز نانوكريستال (تكنك) نانومترى (كارولاينا الشمالية)، التي أصبحت متوافقة مع بعد زرع.
مختبر Voit، ومن ناحية أخرى، يستخدم النظام الانضباطي درجة عالية من البوليمرات ثيول-شرق وثيول-شرق/acrylate. هذه المواد مفيدة في ذلك درجة تليين بعد التعرض لظروف في فيفو يمكن ضبطها بسهولة بتصميم البوليمر. عن طريق اختيار تكوين البوليمر الحق وكثافة التشعب، درجة حرارة التحول الزجاجي ومعامل يونغ من البوليمر يمكن تعديل2،،من45،،من68. هو الأثر الأساسي لتليين بلاستيسيزيشن البوليمر في بيئة مائية. وجود بوليمر مع درجة حرارة التحول الزجاجي (تغ) فوق درجة حرارة الجسم عندما تجف (الدولة أثناء زرع)، ولكن تحت درجة حرارة الجسم بعد مغمورة في الماء أو في برنامج تلفزيوني، الناتجة عن التصلب/معامل التحويل من البوليمر يمكن التحول من زجاجي (قاسية) عندما تجف إلى مطاطي عند (الناعمة) مزروع16.
ومع ذلك، لم تكن القياسات الدقيقة والموثوق بها لتليين بسبب بلاستيسيزيشن وتحول تيز من الجاف الرطب الدول قادرة على أن تقاس في الماضي. تحليل الميكانيكية الحيوية التقليدية تتم في الهواء أو الغازات الخاملة، ولا تسمح بقياس خصائص حراري للبوليمرات داخل حل. في دراسات سابقة، كانت مغمورة البوليمرات في برنامج تلفزيوني لكميات مختلفة من الوقت. واستخدمت عينات منتفخة ثم القيام بتحليل الميكانيكية الحيوية (DMA)6،،من78. ومع ذلك، منذ الإجراء الذي ينطوي على منحدر درجة حرارة، عينات ابدأ لتجف أثناء أخذ القياس ولا تسفر عن بيانات تمثيلية. وهذا صحيح لا سيما إذا كان حجم العينة يصبح أصغر. بغية التنبؤ بتليين المجسات العصبية، سيكون من اللازم لاختبار 5 إلى 50 ميكرون رقيقة البوليمر الأفلام، التي ليس من الممكن مع DMA التقليدية بسبب تجفيف المذكورة أعلاه من العينات أثناء أخذ القياس.
وقد صممت هيس et al.17 ميكروتينسيلي مبنية اختبار الجهاز لتقييم الخواص الميكانيكية للمواد التكيفية ميكانيكيا باستخدام أسلوب بيئياً التي تسيطر عليها. واستخدمت سابقا نظام البخاخة لرش المياه على العينات أثناء أخذ القياس لمنعها من الجفاف.
ومع ذلك، يسمح استخدام DMA البيئية (الشكل 1)، لقياس أفلام البوليمر في الحلول، مثل المياه، وبرنامج تلفزيوني، عند درجات حرارة مختلفة. وهذا ما يسمح قياس خصائص حراري للبوليمر في الدولة غارقة خففت ليس فقط، بل أيضا قياس حركية تليين لها. تورم قياسات واختبارات الشد حتى يتم ممكن داخل الحمام الغمر لهذا الجهاز. هذا يسمح للدراسات الدقيقة لتليين الناجمة عن بلاستيسيزيشن من ركائز البوليمر للتنبؤ في فيفو السلوكيات.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح استخدام DMA البيئية دراسة سلوك مختلف البوليمرات المستخدمة كركائز ليزرع العصبية19 أو غيرها من الأجهزة الطبية الحيوية في الحل وتقليد في فيفو الظروف. وهذا يشمل، ولكن لا يقتصر على، بوليميد، باريليني-ج و PDMS وسو-8. الهلاميات المائية والمواد المصفوفة خارج الخلية (ECM) يمكن أيض?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أريد أن أشكر الدكتور تايلور ير على السماح لنا باستخدام DMA البيئية له.
وأيد هذا العمل المكتب لمساعد وزير الدفاع “الشؤون الصحية” عن طريق “الأقران استعرض الطبية برنامج البحوث” [W81XWH-15-1-0607]. الآراء والتفسيرات والاستنتاجات والتوصيات هي آراء المؤلفين وليس بالضرورة أقرتها وزارة الدفاع.
Materials
| 1,3,5-Triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO) | Sigma-Aldrich | 114235-100G | |
| 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA) | Sigma-Aldrich | 196118-50G | |
| CO2 laser Gravograph LS100 | Gravotech, Inc. | ||
| Corning Large Glass Microscope Slides, 75 x 50mm | Ted Pella | 26005 | |
| Environmental DMA: RSA-G2 Solids Analyzer | TA Instruments | ||
| ESD Safe Plastic Tweezer, Tips; Flat, Duckbill, 11.5 cm | Cole Palmer | EW-07387-17 | |
| Laurell WS-650-8B spin coater | Laurell Technologies Corporation | ||
| liquid nitrogen | Air gas | ||
| PBS, 1X Solution, Fisher BioReagents | Fisher Scientific | BP243820 | |
| SHEL LAB vacuum oven | VWR International | 89409-484 | |
| Silicon wafer | University Wafer | Mechanical grade | |
| The RSA-G2 Immersion System | TA Instruments | ||
| Trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) | Sigma-Aldrich | 381489-100ML | |
| UVP CL-1000 crosslinking chamber with 365 nm bulbs | VWR International | 21474-598 |
Referências
- Garcia-Sandoval, A., et al. Chronic softening spinal cord stimulation arrays. Journal of Neural Engineering. 15 (4), 045002 (2018).
- Ecker, M., et al. Sterilization of Thiol-ene/Acrylate Based Shape Memory Polymers for Biomedical Applications. Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 1600331 (2017).
- Simon, D. M., et al. Design and demonstration of an intracortical probe technology with tunable modulus. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 105 (1), 159-168 (2017).
- Do, D. -. H., Ecker, M., Voit, W. E. Characterization of a Thiol-Ene/Acrylate-Based Polymer for Neuroprosthetic Implants. ACS Omega. 2 (8), 4604-4611 (2017).
- Ware, T., et al. Thiol-ene/acrylate substrates for softening intracortical electrodes. Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials. 102 (1), 1-11 (2014).
- Ware, T., et al. Thiol-Click Chemistries for Responsive Neural Interfaces. Macromolecular Bioscience. 13 (12), 1640-1647 (2013).
- Ware, T., Simon, D., Rennaker, R. L., Voit, W. Smart Polymers for Neural Interfaces. Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).
- Ware, T., et al. Fabrication of Responsive, Softening Neural Interfaces. Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).
- Stiller, A. M., et al. Chronic Intracortical Recording and Electrochemical Stability of Thiol-ene/Acrylate Shape Memory Polymer Electrode Arrays. Micromachines. 9 (10), 500 (2018).
- Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays. Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).
- Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes. Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).
- Lacour, S. P., Courtine, G., Guck, J. Materials and technologies for soft implantable neuroprostheses. Nature Reviews Materials. 1 (10), 16063 (2016).
- Stiller, A., et al. A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes. Micromachines. 9 (9), 443 (2018).
- Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes. Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001 (2018).
- Nguyen, J. K., et al. Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014 (2014).
- Ecker, M., et al. From Softening Polymers to Multi-Material Based Bioelectronic Devices. Multifunctional Materials. , (2018).
- Hess, A. E., Potter, K. A., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Capadona, J. R. Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization. Journal of Visualized Experiments. (78), e50078 (2013).
- Black, B. J., et al. In vitro compatibility testing of thiol-ene/acrylate-based shape memory polymers for use in implantable neural interfaces. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 106 (11), 2891-2898 (2018).
- Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. Polymers for neural implants. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (1), 18-33 (2011).
