אנליזה סביבתית של מכני דינמי כדי לחזות את ההתנהגות ריכוך של השתלת עצבים
Summary
כדי לאפשר תחזיות אמין של ריכוך של מצעים פולימריים עבור שתלים עצביים סביבה ויוו , זה חשוב שתהיה שיטה אמינה במבחנה . כאן מוצג השימוש של ניתוח מכני דינאמי בתוך תמיסת מלח פוספט buffered בטמפרטורת הגוף.
Abstract
כאשר משתמש סובסטרטים ריכוך באופן דינמי עבור שתלים עצביים, זה חשוב שתהיה שיטה אמינה במבחנה כדי לאפיין את ההתנהגות ריכוך של חומרים אלה. בעבר, לא היה אפשר למדוד באופן משביע רצון של ריכוך של סרטים רזה בתנאים לחקות סביבה הגוף ללא מאמץ ניכר. פרסום זה מציג שיטה חדשה ופשוטה המאפשרת ניתוח מכני דינמי (DMA) של פולימרים בתחום פתרונות, כגון פוספט buffered תמיסת מלח (PBS), בטמפרטורות הרלוונטיים. השימוש של DMA הסביבה מאפשרת מדידה של ההשפעות ריכוך של פולימרים עקב plasticization מדיה שונים, טמפרטורות, אשר ולכן מאפשר חיזוי של התנהגות חומרים בתנאים ויוו .
Introduction
דור חדש של החומרים המשמשים בשם דיאלקטריים עבור שתלים עצביים כוללת ריכוך צורה זיכרון פולימרים1,2,3,4,5,6,7 8, ,9. חומרים אלה הם מספיק קשים במהלך ההשתלה כדי להתגבר על כוחות קריטי קריסה, אך הם הופכים עד שלושה סדרי גודל רך יותר לאחר ההשתלה בסביבת הגוף. הוא ניבא כי חומרים אלה מראים של אינטראקציה רקמות מכשיר טוב יותר בשל ההתאמה מופחתת במודולוס לעומת חומרים מסורתיים המשמשים השתלת עצבים, כגון טונגסטן או סיליקון. מסורתי, נוקשות התקנים מראים תגובה דלקתית לאחר ההשתלה, ואחריו רקמות כימוס, astroglial צלקות אשר לעתים קרובות התוצאות התקן כשל10,11. זה הנחה נפוצה פחות נוקשות התקנים למזער את גוף זר תגובה12,13,14. הנוקשות של התקן מוכתב על ידי מודולוס ושטח חתך הרוחב שלה. לכן, חשוב להפחית שני גורמים כדי לשפר את התאימות של התקן ואינטראקציה, בסופו של דבר, את המכשיר רקמות.
העבודה על ריכוך פולימרים בהשראת עבודתו של נגוין ואח15, אשר הראו כי שתלים intracortical תואם מכנית-להפחית את התגובה neuroinflammatory. בעבר השתמשו poly(vinyl acetate) מסתגלת מכנית/מיתרני זנב תאית nanocrystal (tCNC) nanocomposites (NC), אשר הופכים תואם לאחר ההשתלה.
המעבדה Voit, מצד שני, משתמש במערכת מאוד tunable של פולימרים תיול-ene ו תיול-ene/אקרילט. חומרים אלה הם יתרון בכך מידת הריכוך לאחר חשיפה לתנאי ויוו ניתן לכוונן בקלות על ידי עיצוב פולימר. על ידי בחירת הרכב פולימר הנכון ואת צפיפות crosslink, את טמפרטורת המעבר זכוכית ועל האלסטיות של הפולימר יכולה להיות שונה2,4,5,6,8. השפעת הבסיסית ריכוך היא plasticization של הפולימר סביבה מימית. מאת פולימר עם טמפרטורת המעבר זכוכית (Tg) מעל טמפרטורת הגוף כאשר יבש (המדינה במהלך ההשתלה), אבל מתחת לטמפרטורת הגוף לאחר שהיה שקוע בתוך מים או PBS, וכתוצאה מכך הנוקשות/המודולוס של הפולימר באפשרותך להעביר מ מזוגגות (נוקשה) כאשר יבש כמו גומי (רכות) כאשר השתילו16.
עם זאת, מדידות מדויק ואמין של ריכוך בשל plasticization את המשמרת של Tg מתוך בסאונה היבשה להרטיב הברית לא הצליחו למדוד את העבר. ניתוח מכני דינמי מסורתי מתבצע אוויר או גזים אצילים, אינו מאפשר מדידה של המאפיינים thermomechanical של פולימרים בתוך פתרון. במחקרים קודמים, פולימרים צריך היה שקוע ב- PBS עבור כמויות שונות של זמן. דוגמאות נפוחות אז שימשו כדי לבצע ניתוח מכני דינמי (DMA)6,7,8. אולם, מאז הניתוח כרוך רמפה טמפרטורה, דגימות מתחיל להתייבש במהלך המדידה, לא תשואה נציג נתונים. הדבר נכון במיוחד אם גודל המדגם הופכת לקטנה. כדי לנבא את ריכוך של הגששים עצבית, זה יהיה צורך לבדוק 5 עד 50 סרטים פולימריים מיקרומטר-דק, וזה לא אפשרי עם DMA המסורתי בשל הנ ל הייבוש של הדגימות במהלך המדידה.
הס ואח17 עיצבו microtensile לפי הזמנה בודקים מכונת כדי להעריך את תכונות מכניות של חומרים גמישים באופן מכני באמצעות שיטת לסביבה מבוקרת. בעבר השתמשו מערכת airbrush לרסס מים על דגימות במהלך המדידה כדי למנוע ייבוש.
השימוש של הסביבה DMA (איור 1), לעומת זאת, מאפשרת מדידה של סרטים פולימריים בתחום פתרונות, כגון מים, PBS, בטמפרטורות שונות. פעולה זו מאפשרת לא רק מדידה של מאפיינים thermomechanical של הפולימר במדינה ספוג/מרוכך, אלא גם מדידה של קינטיקה ריכוך שלה. אפילו מתיחה בדיקות ומדידות נפיחות אפשריות בתוך האמבטיה טבילה של מחשב זה. זה מאפשר ללימודי המדויק plasticization-induced ריכוך של מצעים פולימריים לנבא התנהגויות ויוו .
Protocol
Representative Results
Discussion
השימוש של DMA סביבתיים מאפשר חקר ההתנהגות של פולימרים שונים השתמשו בשם דיאלקטריים עבור שתלים עצביים19 או התקנים ביו אחרים בפתרון, לחקות ויוו תנאים. זה כולל, אך אינו מוגבל ל, פוליאימיד, parylene-C, PDMS ו- SU-8. Hydrogels וחומרים מטריצה חוץ-תאית (ECM) יכולים גם לחקור את האירוע באמצעות שיטה זו. …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות ד ר טיילור וואר ומאפשר לנו לשימוש ב- DMA הסביבה שלו.
עבודה זו נתמכה על ידי המשרד של העוזר למזכיר ההגנה לענייני בריאות דרך עמית שנסקרו רפואי מחקר התוכנית [W81XWH-15-1-0607]. דעות, פרשנויות, מסקנות והמלצות הן אלו של המחברים, לא בהכרח שאושרה על ידי ההגנה.
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).
