Milieu dynamische mechanische analyse te voorspellen de verzachtende werking van neurale implantaten
Summary
Om betrouwbare voorspellingen van de verzachting van polymere substraten voor neurale implantaten in een in vivo -omgeving, is het belangrijk dat een betrouwbare in vitro -methode. Hier, wordt het gebruik van dynamische mechanische analyse, in fosfaatgebufferde zoutoplossing op lichaamstemperatuur gepresenteerd.
Abstract
Wanneer u dynamisch verzachtende substraten voor neurale implantaten, is het belangrijk dat een betrouwbare in vitro -methode om de verzachtende werking van deze materialen te karakteriseren. In het verleden, het niet mogelijk geweest om te meten op bevredigende wijze de verzachting van dunne lagen onder omstandigheden nabootsen van lichaam omgeving zonder aanzienlijke inspanning. Deze publicatie presenteert een nieuwe en eenvoudige methode waarmee dynamische mechanische analyse (DMA) van polymeren in oplossingen, zoals fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS), bij relevante temperaturen. Het gebruik van milieu DMA kunt meten van de verzachtende effecten van polymeren als gevolg van plasticization in diverse media en temperaturen, waardoor dus een voorspelling van het gedrag van materialen in vivo omstandigheden.
Introduction
Een nieuwe generatie materialen gebruikt als substraten voor neurale implantaten omvat verzachtende vorm geheugen polymeren1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Deze materialen zijn stijf genoeg tijdens implantatie te overwinnen van kritische knik krachten, maar ze worden maximaal drie ordes van grootte zachter na implantatie in de omgeving van een lichaam. Er wordt voorspeld dat deze materialen een betere interactie van het apparaat-weefsel als gevolg van de verminderde mismatch in modulus in vergelijking met traditionele materialen gebruikt in neurale implantaten, zoals wolfraam of silicium weergeven. Traditionele, stijve apparaten Toon inflammatoire respons na implantatie, gevolgd door weefsel inkapselen en astroglial littekens, wat vaak resulteert in apparaat mislukking10,11. Het is een gemeenschappelijke veronderstelling dat minder stijf apparaten de vreemd lichaam reactie12,13,14 minimaliseren. De stijfheid van een apparaat wordt bepaald door de oppervlakte van de dwarsdoorsnede en modulus. Daarom is het belangrijk om beide factoren ter verbetering van de naleving van de apparaat en, uiteindelijk, de interactie van de tissue apparaat.
Het werk op het ontharden van polymeren was geïnspireerd door het werk van Nguyen et al.15, die aangetoond dat mechanisch-compatibele intracortical implantaten de neuroinflammatoire reactie verminderen. Ze hebben eerder mechanisch-adaptieve poly(vinyl acetate)/manteldieren cellulose nanocrystal (tCNC) nanocomposieten (NC), die na implantatie compatibel worden gebruikt.
De Voit lab, aan de andere kant, gebruikt het hoogst afstembare systeem van thiol-Ono en thiol-Ono/acrylaat polymeren. Deze materialen zijn voordelig in die zin dat de mate van verzachten na blootstelling aan in vivo omstandigheden kan gemakkelijk worden afgestemd door het polymeer ontwerp. Door het kiezen van de juiste polymeer samenstelling en dichtheid van de dwarslijn, de temperatuur van de overgang glas en Youngs modulus van het polymeer kunnen worden gewijzigd van2,4,,5,,6,8. Het onderliggende effect van de verzachting is de plasticization van het polymeer in een waterige omgeving. Door met een polymeer met een glas overgang temperatuur (Tg) boven lichaamstemperatuur wanneer droog (de toestand tijdens de implantatie), maar onder de lichaamstemperatuur na te zijn ondergedompeld in water of PBS, de resulterende stijfheid/modulus van het polymeer kan verschuiven van glazig (stijve) ostand naar rubberachtige (zachte) wanneer geïmplanteerd16.
Nauwkeurige en betrouwbare metingen van de verzachting als gevolg van de plasticization en de verschuiving van Tg van de droge NAT Staten hebben echter niet in geslaagd te meten in het verleden. Traditionele dynamische mechanische analyse wordt uitgevoerd in de lucht of inerte gassen en staat niet toe voor het meten van de thermomechanische eigenschappen van polymeren in een oplossing. In eerdere studies, hebben de polymeren zijn ondergedompeld in PBS voor verschillende hoeveelheden van tijd. Gezwollen monsters werden vervolgens gebruikt voor het uitvoeren van dynamische mechanische analyse (DMA)6,7,8. Echter, aangezien de procedure een temperatuur oprit impliceert, monsters beginnen te droog tijdens de meting en representatieve gegevens opleveren. Dit geldt met name als de grootte van de steekproef kleiner wordt. Om te voorspellen de verzachting van neurale sondes, zou het nodig zijn voor het testen van 5 tot 50 µm-dunne polymeerlagen, die is niet mogelijk met traditionele DMA als gevolg van de bovengenoemde drogen van de monsters tijdens de meting.
Hess et al.17 hebben ontworpen een custom-built microtensile testen machine te beoordelen van de mechanische eigenschappen van mechanisch adaptieve materialen met behulp van een milieuvriendelijke gecontroleerde methode. Ze hebben vroeger een airbrush-systeem te spuiten van water op de monsters tijdens de meting om te voorkomen dat ze uitdrogen.
Het gebruik van milieu DMA (Figuur 1), voorziet echter in meting van polymeerlagen in oplossingen, zoals water en PBS, bij verschillende temperaturen. Hierdoor niet alleen de meting van het polymeer van thermomechanische eigenschappen in de Braziliaanse gedrenkt/verzacht, maar ook de meting van de verzachtende kinetiek. Zelfs trekproeven en zwelling metingen zijn mogelijk binnen de onderdompeling bad van deze machine. Dit zorgt voor exacte studies van de plasticization-geïnduceerde verzachting van polymeer substraten te voorspellen in vivo gedrag.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het gebruik van milieu DMA maakt de studie van het gedrag van verschillende polymeren gebruikt als substraten voor neurale implantaten19 of andere biomedische apparaten in de oplossing en om na te bootsen in vivo voorwaarden. Dit omvat, maar is niet beperkt tot, polyimide, parylene-C, PDMS en SU-8. Hydrogels en materialen van de extracellulaire matrix (ECM) kunnen ook worden onderzocht met behulp van deze methode. De verschillen van de algemene versoepeling van het polymeer, evenals zijn …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen bedanken Dr. Taylor Ware voor het toestaan van ons om het gebruik van DMA met zijn milieu.
Dit werk werd gesteund door het Bureau van de Assistant Secretary of Defense for gezondheid zaken via de Peer Reviewed medische Research Program [W81XWH-15-1-0607]. Adviezen, interpretaties, conclusies en aanbevelingen zijn die van de auteurs, en niet noodzakelijkerwijs onderschreven door het ministerie van defensie.
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).
