预测神经植入物软化行为的环境动力力学分析
Summary
为了能够可靠地预测在体内环境中植入神经的聚合物底物的软化情况, 重要的是要有一个可靠的体外方法。本文介绍了动态力学分析在常温条件下磷酸盐缓冲盐水的应用。
Abstract
当使用动态软化基板的神经植入物, 重要的是要有一个可靠的体外方法来表征这些材料的软化行为。过去, 在模仿身体环境的条件下, 如果不付出巨大的努力, 就不可能令人满意地测量薄膜的软化程度。该出版物提出了一种新的简单方法, 允许在相关温度下对溶液中的聚合物进行动态力学分析 (dma), 例如磷酸盐缓冲盐水 (pbs)。环境 dma 的使用可以测量聚合物在各种介质和温度下由于塑化而产生的软化效果, 从而能够预测材料在体内条件下的行为。
Introduction
用于神经植入物基板的新一代材料包括软化形状记忆聚合物1、2、3、4、5、6、7 ,8,9。这些材料在植入过程中足够坚硬, 可以克服临界屈曲力, 但在身体环境中植入后, 它们会变得柔软三个数量级。据预测, 与钨或硅等神经植入物中使用的传统材料相比, 这些材料在模量中的不匹配减少, 从而显示出更好的设备-组织相互作用。传统的僵硬设备在植入后表现出炎症反应, 其次是组织包封和星形胶质细胞疤痕, 往往导致设备衰竭10,11。这是一个常见的假设, 不那么硬的设备最大限度地减少异物反应 12,13,14。设备的刚度取决于其横截面面积和模量。因此, 减少这两个因素以提高设备的合规性, 并最终改善设备组织相互作用, 这一点很重要。
软化聚合物的工作灵感来自 nguyen 等人15 的工作, 他们证明了机械合规的腔内植入物可以减少神经炎症反应。他们以前使用机械自适应聚醋酸酯/优化纤维素纳米晶 (tcnc) 纳米复合材料 (nc), 在植入后变得符合。
另一方面, voit 实验室使用的是硫醇烯和硫醇-烯-丙烯酸酯聚合物的高度可调谐系统。这些材料是有利的, 因为暴露在体内条件后的软化程度可以很容易地通过聚合物设计进行调整。通过选择合适的聚合物组成和交联密度, 可以修正聚合物的玻璃过渡温度和杨氏模量 2、4、5、6、8。软化的潜在效果是聚合物在水环境中的塑化。通过使玻璃转变温度 (tg) 高于体温 (植入过程中的状态) 的聚合物, 但在浸入水或 pbs 后低于体温, 由此产生的聚合物硬化模量可以从玻璃 (硬) 时干燥时转移到橡胶 (软) 时植入 16。
然而, 由于塑化和tg 从干燥状态向潮湿状态的转移而导致的软化的精确和可靠的测量在过去是无法测量的。传统的动态力学分析是在空气或惰性气体中进行的, 不允许测量溶液中聚合物的热力学特性。在以前的研究中, 聚合物在 pbs 中浸泡了不同的时间。然后用肿胀的样品进行动态力学分析 (dma)6,7,8。但是, 由于该过程涉及温度坡道, 样品在测量过程中开始干燥, 不会产生具有代表性的数据。如果样本量变小, 则尤其如此。为了预测神经探针的软化, 有必要对5至50μm 薄膜进行测试, 这在传统的 dma 中是不可能的, 因为在测量过程中对样品进行了上述干燥。
hess 等人 17设计了一台定制的微拉伸试验机, 使用环境控制的方法评估机械自适应材料的机械性能。他们以前在测量过程中使用喷枪系统在样品上喷水, 以防止它们干燥。
然而, 环境 dma (图 1) 的使用允许在不同温度下测量水和 pbs 等溶液中的聚合物薄膜。这不仅可以测量聚合物在肥皂软化状态下的热力学特性, 还可以测量其软化动力学。即使是拉伸试验和膨胀测量是可能的, 在这台机器的浸入浴内。这使得对塑化引起的聚合物基板软化的精确研究能够在体内预测行为。
Protocol
Representative Results
Discussion
通过使用环境 dma, 可以研究在溶液中用作神经植入19或其他生物医学设备的底物的各种聚合物的行为, 并在体内模拟条件。这包括但不限于聚酰亚胺、乙烯基-c、pdms 和 su-8。利用该方法还可以研究氢凝胶和细胞外基质 (ecm) 材料。聚合物整体软化的差异及其软化动力学可以很容易地比较不同溶液之间的差异, 包括水、重水和 pbs。也可以测试不同的浸入温度或不同聚合物厚度?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者要感谢泰勒·瓦雷博士允许我们使用他的环境 dma。
这项工作得到了主管卫生事务助理部长办公室通过同行评审医学研究方案 [W81XWH-007] 提供的支持。意见、解释、结论和建议是作者的意见、解释、结论和建议, 不一定得到国防部的认可。
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 |
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