اختبار Microtensile التي تسيطر عليها بيئيا للميكانيكيا على التكيف nanocomposites والبوليمرات لل<em> خارج الحي</em> توصيف
Summary
ويناقش الطريقة التي يستخدمها<em> في الجسم الحي</emويتم رصد> السلوك الميكانيكي للمواد المحفزات التي تستجيب بوصفها وظيفة من الزمن. ويتم اختبار عينات<em> خارج الحي</em> باستخدام اختبار microtensile مع الضوابط البيئية لمحاكاة البيئة الفسيولوجية. يشجع هذا العمل المزيد من فهم<em> في الجسم الحي</em> سلوك حياتنا المادية.
Abstract
الأجهزة بالغة الصغر تزرع في الجسم تكتسب اهتماما كبيرا لعدة التطبيقات الطبية الحيوية 1-4. وقد بذلت هذه الأجهزة من مجموعة من المواد، كل تقدم مزاياه وأوجه القصور 5،6. وأبرزها، ويرجع ذلك إلى أبعاد الجهاز الميكروسكيل، مطلوب معامل عالية لتسهيل غرس في الأنسجة الحية. وعلى العكس، ينبغي أن تصلب الجهاز تطابق الأنسجة المحيطة بها لتقليل يسببها سلالة المحلية 7-9. لذلك، وضعنا مؤخرا فئة جديدة من مواد مستوحاة من الحيوي لتلبية هذه الاحتياجات من خلال الاستجابة للمؤثرات البيئية مع تغير في الخواص الميكانيكية 10-14. على وجه التحديد، بمركب متناهي في الصغر لدينا (خلات الفينيل) المستندة بولي (PVAc-NC) يعرض في الحد من تصلب عند تعرضه لدرجات حرارة مرتفعة والمياه (مثل درجة حرارة الجسم). للأسف، وجود عدد قليل من الطرق لقياس صلابة من المواد في الجسم الحي 15، والميكانيكيةاختبار anical خارج بيئة الفسيولوجية وغالبا ما يتطلب عينات كبيرة غير ملائمة للزرع. علاوة على ذلك، قد مواد المحفزات التي تستجيب يتعافى سريعا صلابة الأولي في الدقيقة explantation. لذلك، قمنا بتطوير الطريقة التي الخواص الميكانيكية للmicrosamples مزروع يمكن قياس فيفو السابقين، مع محاكاة الظروف الفسيولوجية المحافظة باستخدام الرطوبة والتحكم في درجة الحرارة 13،16،17.
وتحقيقا لهذه الغاية، تم تصميم اختبار microtensile مخصصة لاستيعاب عينات الميكروسكيل 13،17 مع نطاق واسع متفاوتة معاملات الرجوعية يونغ ل (المدى من 10 ميجا باسكال إلى 5 GPA). كما مصالحنا هي في تطبيق PVAc-NC باعتبارها بيولوجيا للتكيف العصبية الركيزة التحقيق، أداة قادرة على الخواص الميكانيكية للعينات في microscale كان ضروريا. وقد تم تكييف هذه الأداة لتوفير الرطوبة والتحكم في درجة الحرارة، والتي التقليل من عينة التجفيف والتبريد 17. ونتيجة لذلك، فإن ميكانيكيخصائص آل من العينة explanted تعكس عن كثب تلك من العينة فقط قبل explantation.
ويتمثل الهدف العام من هذا الأسلوب هو تقييم كمي لفي الخواص الميكانيكية في الجسم الحي، وتحديدا معامل يونغ، من المواد التي تستجيب للمؤثرات، ميكانيكيا على التكيف القائم على البوليمر. ويتم إنجاز هذا من خلال إنشاء أول الظروف البيئية التي من شأنها التقليل من تغير في الخواص الميكانيكية عينة بعد explantation دون أن تساهم في الحد من تصلب مستقلة عن تلك الناتجة عن الزرع. ثم يتم إعداد العينات للزرع، والمناولة، واختبار (الشكل 1A). يتم زرع كل عينة في قشرة الدماغ من الفئران، والذي تمثل هنا بمثابة دماغ الفئران explanted، لمدة محددة (الشكل 1B). عند هذه النقطة، يتم explanted العينة وتحميلها مباشرة إلى اختبار microtensile، ثم تعرض لاختبار الشد (الشكل1C). يوفر تحليل البيانات اللاحقة التبصر في السلوك الميكانيكي لهذه المواد المبتكرة في بيئة من القشرة الدماغية.
Protocol
Representative Results
Discussion
النهوض أنظمة ميكانيكية إلكترونية صغيرة تزرع في الجسم الحيوية الطبية (bioMEMS) للتفاعل مع النظم البيولوجية هو تحفيز تطوير مواد جديدة ذات خصائص عالية مصممة. وقد صممت بعض من هذه المواد لإظهار تغيير في خصائص المواد في استجابة لحافز وجدت في البيئة الفسيولوجية. واحد من الدرجة…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل قسم الهندسة الطبية الحيوية في جامعة كيس ويسترن ريزيرف من خلال كل من مختبر أموال بدء التشغيل (J. Capadona)، ومدترونيك زمالة دراسات عليا (K. بوتر). وأيد تمويل إضافي على هذا البحث في جزء من جبهة الخلاص الوطني منحة ECS-0621984 (C. Zorman)، وجمعية الخريجين حالة (C. Zorman)، وزارة شؤون المحاربين القدامى من خلال جائزة المراجعة الاستحقاق (B7122R)، وكذلك المتقدم مركز تكنولوجيا منصة (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 |
References
- 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).
