Ambiental análisis mecánico dinámico para predecir el comportamiento de ablandamiento de los implantes neurales

Resumen

Para permitir predicciones confiables de ablandamiento de sustratos poliméricos para implantes neuronales en un entorno en vivo , es importante tener un método confiable en vitro . Aquí, se presenta el uso de análisis mecánico dinámico en tampón fosfato salino a temperatura corporal.

Resumen

Al utilizar substratos dinámicamente ablandamiento para implantes neuronales, es importante tener un método confiable en vitro para caracterizar el comportamiento de ablandamiento de estos materiales. En el pasado, no ha sido posible medir satisfactoriamente el ablandamiento de películas delgadas en condiciones mímico el ambiente del cuerpo sin esfuerzo sustancial. Esta publicación presenta un método nuevo y sencillo que permite análisis mecánico dinámico (DMA) de polímeros de soluciones, tales como tamponada fosfato salino (PBS), a temperaturas correspondientes. El uso de DMA ambiental permite la medición de los efectos suavizantes de polímeros debido a la plastificación en diversos medios y temperaturas, que por lo tanto permite una predicción del comportamiento de materiales bajo condiciones en vivo .

Introducción

Una nueva generación de materiales utilizados como sustratos para implantes neuronales compone de ablandamiento forma memoria polímeros^{1,2,3,4,5,6,7 ,8,9}. Estos materiales son suficientemente rígidos durante la implantación para superar las fuerzas de pandeo crítico, pero llegan a ser hasta tres órdenes de magnitud más suave después de la implantación en un entorno de cuerpo. Se prevé que estos materiales presentan una mejor interacción de dispositivo-tejido debido a la menor coincidencia en módulo con respecto a los materiales tradicionales utilizados en implantes neuronales, como el tungsteno o silicio. Dispositivos tradicionales y rígidos muestran respuesta inflamatoria después de la implantación, seguida de tejido encapsulado y astroglial marcar con una cicatriz que a menudo resulta en dispositivo falla^10,11. Es una asunción común que dispositivos menos rígidos minimizan la respuesta de cuerpo extraño^12,13,14. Su área transversal y el módulo obedece a la rigidez de un dispositivo. Por lo tanto, es importante reducir ambos factores para mejorar el cumplimiento del dispositivo y, en definitiva, la interacción del tejido de dispositivo.

El trabajo de ablandamiento polímeros fue inspirado por el trabajo de Nguyen et al.¹⁵, quienes han demostrado que implantes intracortical mecánicamente compatible con reducen la respuesta de capensis. Se han utilizado previamente mecánicamente adaptable poly(vinyl acetate)/tunicado celulosa nanocrystal (tCNC) nanocompuestos (NC), que se convierten en obedientes después de la implantación.

El laboratorio de Voit, por el contrario, utiliza el sistema altamente armonioso de polímeros tiol-ene y tiol-ene/acrilato. Estos materiales son ventajosos en que el grado de ablandamiento después de la exposición a condiciones en vivo puede ajustarse fácilmente por el diseño del polímero. Al elegir la composición de polímero adecuado y la densidad de reticulación, la temperatura de transición vítrea y módulo de Young del polímero pueden ser modificadas^2,4,5,6,8. El efecto subyacente del ablandamiento es la plastificación del polímero en un medio acuoso. Por tener un polímero con una temperatura de transición vítrea (T_g) por encima de la temperatura corporal cuando está seco (el estado durante la implantación), pero por debajo de la temperatura del cuerpo después de ser sumergido en agua o PBS, el rigidez/módulo resultante del polímero puede cambiar de vidrioso (rígida) cuando seca a goma (suave) cuando implantaron¹⁶.

Sin embargo, mediciones exactas y confiables del ablandamiento debido a la plastificación y la transferencia de T_g de seco a mojado a los Estados no han sido capaces de medirse en el pasado. Análisis mecánico dinámico tradicional se realiza en el aire o gases inertes y no permite para la medición de las propiedades termomecánicas de los polímeros dentro de una solución. En estudios previos, los polímeros se han sumergido en PBS para diferentes cantidades de tiempo. Muestras de inflamación fueron utilizadas para realizar análisis mecánico dinámico (DMA)^6,7,8. Sin embargo, puesto que el procedimiento consiste en una rampa de temperatura, muestras comienzan a secarse durante la medición y no den datos representativos. Esto es especialmente cierto si el tamaño de muestra se hace más pequeño. Para predecir el ablandamiento de puntas de prueba de nervios, sería necesario probar películas de 5 a 50 μm-fina de polímero, que no es posible con DMA tradicional debido a la mencionada de secado de las muestras durante la medición.

Hess et al.¹⁷ han diseñado una medida microtensile máquina para evaluar las propiedades mecánicas de materiales mecánicamente adaptables utilizando un método de ambiente controlado de prueba. Previamente se ha utilizado un sistema de aerógrafo para rociar agua en las muestras durante la medición para evitar que se sequen.

El uso de DMA ambiental (figura 1), sin embargo, permite medición de películas de polímero soluciones, tales como agua y PBS, a varias temperaturas. Esto permite no sólo la medición de las propiedades termomecánicas del polímero en el estado empapado/suavizado sino también la medición de su cinética de ablandamiento. Hinchazón de mediciones y ensayos de tracción incluso es posibles dentro de la bañera de inmersión de esta máquina. Esto permite estudios exactos de ablandamiento inducido por la plastificación de sustratos de polímero para predecir comportamientos en vivo .

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Protocolo

1. preparación de muestras de polímero para la prueba

1. Sintetizar el polímero de tiol-ene ablandamiento según protocolos anteriores dentro de una campana de humos. ^{1 , 2 , 4 , 18} brevemente, mezclar cantidades cuantitativas de tiol a los monómeros de alqueno con un total de 0.1 iniciador de foto de % wt.
   1. Preparar un frasco de vidrio de 20 mL para la mezcla de polímero. Cubra el frasco en papel de aluminio para evitar que la luz incidente entre en contacto con la solución de monómero y mantener a temperatura ambiente (RT). Usar todos los productos químicos como recibido sin posterior purificación.
   2. De polímero totalmente ablandamiento, añadir 50 mol % 1.3.5-triallyl-1.3.5-triazina-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO) 45 mol % trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP) y 5% mol Tris [2-(3-mercaptopropionyloxy) etil] isocianurato (TMICN) a la cubre el frasco utilizando una pipeta de plástico desechable.
   3. Añadir 0,1% en peso de la photoinitiatior 2,2-dimetoxi-2-Fenilacetofenona (DMPA) a la solución de polímero.
   4. Homogeneizar el contenido dentro del frasco por velocidad planetaria mezcla sin exponer la solución a la luz.
      Nota: La solución de polímero es sensible a la luz y se iniciará polimerizar después de 45 a 60 min, aunque cubierto con papel de aluminio. Por lo tanto, utilizar una solución de polímero lo antes posible después de la mezcla.
2. Girar la capa de la solución de polímero preparada en el punto 1.1 como películas delgadas entre 5 y 50 μm de espesor en laminas de vidrio microscópicas o en obleas de silicio como sustrato portador según la curva de giro (figura 2). De 30 μm de espesor de película, gira a 600 rpm durante 30 s.
   Nota: Cuando se utiliza una formulación diferente de SMP, el centrifugado y el tiempo pueden variar dependiendo de la viscosidad de la solución de polímero.
3. Transferir las películas de polímero en el sustrato portador inmediatamente después de girar a la cámara de reticulación. Foto-polimerizar las películas de 60 minutos bajo bombillas nm UV 365 y cura después de 24 h en una estufa de vacío a 120 ° C a más completa la conversión.
4. Cortar las películas de polímero curado muestras rectangulares con anchos de 4,5 mm y longitudes de 50 mm para la prueba de la DMA. Espesores pueden variar de 5 a 50 μm. Las muestras se pueden traer en medición de geometría aplicando dos métodos diferentes (elegir paso 1.4.1 o 1.4.2).
   1. Las películas de polímero curado a cortar rectángulos usando un láser de CO₂ . Fijar el CO₂ láser micromecanizado parámetros a 5.0% potencia (2.0 W) y 10,0% velocidad (0.254 m/s) (Figura 3A).
   2. Definir las muestras DMA utilizando fotolitografía en una instalación de sala blanca de clase 10000 (figura 3B). Utilizar los sustratos SMP sobre cristal o de la oblea como los sustratos partidos en la sala limpia.
      1. Depósito de nitruro de silicio de baja temperatura para actuar como una máscara dura para el plasma siguiente procesos de la aguafuerte. Patrón del contorno/forma de dispositivo mediante técnicas de litografía estándar. Utilizar un desbastador de plasma con SF₆ y el O₂ plasma para quitar la máscara dura y la capa SMP, respectivamente.
      2. Después de la capa SMP es plasma grabada hasta el portaobjetos de vidrio/oblea, grabe la máscara duro de nitruro de silicio restantes en diluido 10:1 baño de HF.
5. Astillen los dispositivos de prueba de la diapositiva de vidrio/oblea sumergiéndolos en agua desionizada como el último paso.

2. configuración de la máquina

1. Utilice un analizador mecánico dinámico (DMA) con un sistema de inmersión. Equipar la máquina con el accesorio de la inmersión en el modo de tensión (figura 1). Conectan el nitrógeno líquido a la máquina y permiten LN2/aire como fuente de gas para el horno.
2. Escriba el método de medición seca con el software de la máquina, incluyendo los tres pasos siguientes: acondicionado, rampa de temperatura de oscilación y acondicionado final de prueba, luego configure los parámetros como sigue:
   1. Definir los siguientes parámetros para las opciones de acondicionamiento: modo = activa, seleccione "tensión", fuerza axial = 0.05 N, valor inicial ajustado en "on", sensibilidad = 0.0 N, fuerza proporcional = fuerza de seguimiento, compensar con módulo = en, seleccione "fuerza axial" y coloque fuerza dinámica a 25.0%, la fuerza axial mínima = 0.05 N, programada extensión debajo 0.0 Pa, el modo está activado, tensión ajustar = 0,05%, mínimo esfuerzo = 0.1%, tensión máxima = 0.5%, fuerza mínima = 0.05 N, fuerza máxima = 0.2 N.
   2. Definir los siguientes parámetros para la rampa de temperatura de oscilación: Inicio temperatura = 10 ° C, heredar consigna = apagado, tiempo de remojo = 0.0 s, espere la temperatura = en rampa = 2,0 ° C/min, temperatura final = 100 ° C, tiempo después de la rampa de remojo = 0.0 s, frecuencia de muestreo = 1 pts/s, compl n % = 0,275%, monopunto, frecuencia = 1 Hz.
   3. Definir los siguientes parámetros para el acondicionamiento final de prueba: control ambiental = off, regulación de la fuerza axial =, modo desactivado, transductor/motor = off.
3. Escriba el método de la inmersión de prueba con el software de la máquina, incluyendo los siguientes cuatro pasos: acondicionado, tiempo de oscilación, oscilación de temperatura rampa y acondicionado final de prueba, luego configure los parámetros como sigue:
   1. Definir los siguientes parámetros para las opciones de acondicionado: modo = activa, seleccione "tensión", fuerza axial = 0.05 N, valor inicial ajustado en "on", sensibilidad = 0.0 N, fuerza proporcional = fuerza de seguimiento, compensar con módulo = en, seleccione "fuerza axial" y establecer fuerza dinámica a 25.0%, la fuerza axial mínima = 0.05 N, programada extensión debajo 0.0 Pa, el modo está activado, tensión ajustar = 0,05%, mínimo esfuerzo = 0.1%, tensión máxima = 0.5%, fuerza mínima = 0.05 N, fuerza máxima = 0.2 N.
   2. Definir los siguientes parámetros para el tiempo de oscilación: temperatura = 39,5 ° C, heredar consigna = apagado, tiempo de remojo = 0.0 s, espere la temperatura = off, duración = 3600.0 s, frecuencia de muestreo = 1 pts/s, cepa % = 0,275%, monopunto, frecuencia = 1 Hz.
   3. Definir los siguientes parámetros para la rampa de temperatura de oscilación: Inicio temperatura = 10 ° C, heredar consigna = apagado, tiempo de remojo = 300.0 s, espere la temperatura = off, rampa = 2,0 ° C/min, temperatura final = 85 ° C, tiempo después de la rampa de remojo = 300.0 s, frecuencia de muestreo = 1 pts/s, s % de tren = 0,275%, monopunto, frecuencia = 1 Hz.
   4. Definir los siguientes parámetros para el acondicionamiento final de prueba: control ambiental = off, regulación de la fuerza axial =, modo desactivado, transductor/motor = off.

3. muestra de carga y descarga para las medidas secas

1. Medir el espesor real de la muestra de polímero para probar seca (en aire) con calibrador con precisión de 0,001 mm.
2. Introduzca el nombre de la muestra, Descripción y geometría de la muestra en el software.
3. Establece el espacio de carga en 15 mm y carga de la muestra. Asegúrese de que centrar y alinear el espécimen antes de que las abrazaderas se atornillan firmemente de la mano o utilizar una llave dinamométrica con 0.1 N (figura 3).
4. Cierre el horno y comenzar la medición mediante los métodos descritos en la sección 2.2.
5. Espere hasta que termine la medición. Abrir el horno y retire la muestra de polímero de la máquina.

4. muestra de carga y descarga para prueba de inmersión

1. Medir el espesor real de la muestra de polímero para inmersión en PBS con calibrador de prueba con precisión de 0,001 mm.
2. Introduzca el nombre de la muestra, Descripción y geometría de la muestra en el software.
3. Preparar la instalación con la taza de inmersión fijada con una abrazadera en la empuñadura superior (Figura 4AB).
4. Establece el espacio de carga en 15 mm y carga de la muestra (figura 4). Asegúrese de que centrar y alinear el espécimen (figura 5) antes de que las abrazaderas se atornillan firmemente de la mano o utilizar una llave dinamométrica con 0.1 N.
5. Colocar el baño de inmersión en el accesorio de la parte inferior y atorníllelo firmemente (figura 4). Llene la bañera con RT PBS (figura 4E), coloque la tapa en la parte superior (figura 4F), cerrar el horno (figura 4) y comenzar la medición inmediatamente usando los métodos descritos en la sección 2.3. Compruebe que el desagüe esté cerrado (figura 4 H).
6. Espere hasta que termine la medición. Retirar el PBS de los baños de inmersión con el desagüe. Abrir el horno, retire la tapa del vaso, desenrosque la taza de inmersión, levántela y retire la muestra de polímero de la máquina.
7. Limpie las abrazaderas y el vaso de precipitados de inmersión con agua de planchado para eliminar cualquier resto sal del PBS.

5. mediciones

1. Medir el polímero en el aire sin la taza de inmersión. Siga las instrucciones para la muestra de carga y descarga como se describe en la sección 3. Repita esta medición por lo menos 3 x para obtener resultados de relevancia estadística.
2. Medir el polímero dentro de la bañera de inmersión siguiendo los pasos descritos en la sección 4. Repita la medición por lo menos 3 x para obtener resultados de relevancia estadística.

6. interpretación de los datos

1. Abra la ficha de resultados del software de la máquina, donde pueden verse en un formato de tabla o graficados como un gráfico de los datos en bruto.
2. Trama de la primera parte de la medición de inmersión, la medida del tiempo de oscilación, como módulo de almacenamiento con el tiempo para evaluar la cinética de ablandamiento. La curva muestra cómo rápidamente el módulo del polímero disminuye con el tiempo mientras inmerso en PBS.
3. Tenga en cuenta el momento en que el módulo de niveles hacia fuera. Esto representa el tiempo de ablandamiento bajo condiciones fisiológicas.
4. Si el polímero no se ablande completamente después del tiempo de inmersión set de 1 hora, repetir la medición con el tiempo de inmersión mayor.
5. Mostrar las rampas de temperatura de oscilación de las mediciones en aire y PBS como módulo de almacenamiento de información en el eje izquierdo y tan delta en el eje de la derecha temperatura para mostrar las propiedades termomecánicas del polímero antes (seco) y después (en PBS) plastificación .
6. Parcela los datos para el secado (aire) y mediciones de PBS para mejor mostrar los cambios en propiedades termomecánicas por plastificación.
7. Tenga en cuenta el módulo de almacenamiento del material seco a 25 ° C y de la muestra empapada a 37 ° C, ya que estos son números relevantes para evaluar cuánto el polímero se ablanda durante la implantación.
8. Tenga en cuenta los cambios en tan delta-peak entre las muestras secas y remojadas.
9. Exportar los datos como un archivo .txt o .csv para posterior interpretación de los datos y conspirar con otro software.

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Resultados

El uso de DMA ambiental permite el análisis de la cinética y total capacidad de ablandamiento de polímeros de ablandamiento. Utilizando el modo de medición de temperatura y tiempo del Protocolo, los perfiles de ablandamiento de formulaciones de polímeros diferentes pueden compararse entre sí (figura 6). Este método también puede utilizarse para cuantificar ablandamiento e hinchamiento tipos de polímeros. Puede verse en la figura ...

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Discusión

El uso de DMA ambiental permite el estudio del comportamiento de diversos polímeros usados como sustratos para implantes neuronales¹⁹ u otros dispositivos biomédicos en solución y de imitar en vivo . Esto incluye, pero no se limita a, polyimide, parileno C, PDMS y SU-8. Hidrogeles y materiales de la matriz extracelular (ECM) pueden también ser investigados usando este método. Las diferencias de ablandamiento general del polímero, así como su cinética de ablandamiento se pueden com...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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