Name: environmental dynamic mechanical analysis to predict the softening behavior of neural implants
Uploaded: 2019-03-01T14:30:00
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Die Autoren möchten Dr. Taylor Ware dafür danken, dass wir seine Umwelt DMA verwenden.
Diese Arbeit wurde durch das Büro des Assistant Secretary Of Defense for Health Affairs durch das Peer überprüft medizinische Forschungsprogramm [W81XWH-15-1-0607] unterstützt. Meinungen, Interpretationen, Schlussfolgerungen und Empfehlungen sind diejenigen der Autoren und nicht unbedingt durch das Department of Defense gebilligt.

1. Vorbereitung des Polymerproben für die Prüfung
<ol><li>Die Erweichung Thiol-ene Polymer nach früheren Protokollen innerhalb einer Abzugshaube zu synthetisieren. 1 , 2 , 4 , Mischen Sie 18 kurz quantitative Mengen an Thiol, Alken Monomere mit einer Gesamtfläche von 0,1 Gew.-% % Foto Initiator.<ol>
<li>Bereiten Sie eine 20 mL-Glasflasche für das Polymer zu mischen. Das Fläschchen in Al...

<ol>
	<li>Garcia-Sandoval, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+softening+spinal+cord+stimulation+arrays.">Chronic softening spinal cord stimulation arrays.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (4), 045002 (2018).</li><li>Ecker, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sterilization+of+Thiol-ene/Acrylate+Based+Shape+Memory+Polymers+for+Biomedical+Applications.">Sterilization of Thiol-ene/Acrylate Based Shape Memory Polymers for Biomedical Applications.</a> Macromolecular Materials and Engineering. 302 (2), 1600331 (2017).</li><li>Simon, D. 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K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanically-compliant+intracortical+implants+reduce+the+neuroinflammatory+response.">Mechanically-compliant intracortical implants reduce the neuroinflammatory response.</a> Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056014 (2014).</li><li>Ecker, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+Softening+Polymers+to+Multi-Material+Based+Bioelectronic+Devices.">From Softening Polymers to Multi-Material Based Bioelectronic Devices.</a> Multifunctional Materials. , (2018).</li><li>Hess, A. E., Potter, K. A., Tyler, D. J., Zorman, C. A., Capadona, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Environmentally-controlled+Microtensile+Testing+of+Mechanically-adaptive+Polymer+Nanocomposites+for+ex+vivo+Characterization.">Environmentally-controlled Microtensile Testing of Mechanically-adaptive Polymer Nanocomposites for ex vivo Characterization.</a> Journal of Visualized Experiments. (78), e50078 (2013).</li><li>Black, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro+compatibility+testing+of+thiol-ene/acrylate-based+shape+memory+polymers+for+use+in+implantable+neural+interfaces.">In vitro compatibility testing of thiol-ene/acrylate-based shape memory polymers for use in implantable neural interfaces.</a> Journal of Biomedical Materials Research Part A. 106 (11), 2891-2898 (2018).</li><li>Hassler, C., Boretius, T., Stieglitz, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymers+for+neural+implants.">Polymers for neural implants.</a> Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (1), 18-33 (2011).</li></ol>

Die Verwendung von ökologischen DMA ermöglicht die Untersuchung des Verhaltens von verschiedenen Polymeren verwendet als Substrate für neuronale Implantate19 oder andere biomedizinische Geräte in Lösung und die Bedingungen, in Vivo zu imitieren. Dies beinhaltet, aber beschränkt sich nicht auf Polyimid, Parylene-C, PDMS und SU-8. Hydrogele und extrazelluläre Matrix (ECM) Materialien können auch mit dieser Methode untersucht werden. Die Unterschiede der allgemeine Aufweichung des Po...

Eine neue Generation von Materialien als Substrate für neuronale Implantate umfasst Erweichung Form Speicher Polymere1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Diese Materialien sind steif genug während der Implantation, kritischen Knick Kräfte zu überwinden, aber sie werden bis zu drei Größenordnungen weicher nach der Implantation in einem Körper-Umfeld. Es wird prognostiziert, dass diese Materialien ein besseres Zusammenspiel der Gerät-Gewebe aufgrund der reduzierten Missverhältnis in Modul im Vergleich zu traditionellen Materialien in neuronale Implantate, wie Wolfram oder Silizium verwendet zeigen. Traditionelle, steife Geräte zeigen entzündliche Reaktion nach der Implantation, gefolgt von Gewebe Kapselung und Astroglial Narben, die oft in Gerät Fehler10,11Ergebnisse. Es ist eine allgemeine Annahme, dass weniger steif Geräte der Fremdkörper Antwort12,13,14minimieren. Die Steifigkeit eines Gerätes ist durch seine Querschnittsfläche und Elastizitätsmodul diktiert. Daher ist es wichtig, beide Faktoren zur Verbesserung der Gerät-Compliance und letztlich die Interaktion mit dem Gerät Gewebe zu reduzieren.
Die Arbeit an Polymeren erweichen wurde durch die Arbeit von Nguyen Et Al.15, inspiriert, hat gezeigt, dass mechanisch-konforme intracortical Implantate die schwere Reaktion reduzieren. Sie sind mechanisch adaptiven Poly(vinyl acetate)/Manteltier Zellulose Nanocrystal (tCNC) Nanokomposite (NC), früher gewordene konform nach der Implantation.
Die Voit-Lab nutzt auf der anderen Seite die hoch abstimmbaren Thiol-ene und Thiol-ene/Acrylat-Polymere. Diese Materialien sind von Vorteil, dass der Grad der Erweichung nach Exposition in Vivo Bedingungen leicht durch das Polymer-Design optimiert werden kann. Durch die Wahl der richtigen Polymerzusammensetzung und Crosslink-Dichte, die Glasübergangstemperatur und des Elastizitätsmoduls des Polymers kann sein2,4,5,6,8geändert. Die zugrunde liegenden die Erweichung bewirkt die Plastifizierung des Polymers in einer wässrigen Umgebung. Dass ein Polymer mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) über Körpertemperatur (der Staat während der Implantation) trocken, aber unter Körpertemperatur nach Wesen eintauchen in Wasser oder PBS, die daraus resultierende Steifigkeit/e-Modul des Polymers kann verschieben aus glasigen (steif) nach dem Trocknen gummiartig (weich) bei16implantiert.
Genaue und zuverlässige Messungen der Erweichung durch Plastifizierung und die Verlagerung der Tg von trocken zu nass Staaten wurden jedoch nicht in der Lage, in der Vergangenheit gemessen werden. Herkömmliche dynamische mechanische Analyse erfolgt in Luft oder inerten Gasen und lässt sich nicht für die Messung der thermomechanischen Eigenschaften von Polymeren in Lösung. In den vorhergehenden Studien haben die Polymere mit PBS-Puffer für verschiedene Mengen an Zeit eingetaucht. Geschwollene Proben wurden dann verwendet, um dynamische mechanische Analyse (DMA)6,7,8durchzuführen. Jedoch da das Verfahren eine Temperaturrampe beinhaltet, Proben beginnen, während der Messung zu trocknen und nicht repräsentativen Ertragsdaten. Dies gilt insbesondere, wenn der Stichprobenumfang kleiner wird. Um vorherzusagen, die Erweichung des neuronalen Sonden, wäre es notwendig, 5 bis 50 µm dünnen Polymerfolien, zu testen was nicht mit traditionellen DMA aufgrund der oben genannten Trocknung der Proben während der Messung möglich ist.
Hess Et Al.17 wurden entwickelt, ein Custom-Built Microtensile Prüfmaschine für die mechanischen Eigenschaften der mechanisch adaptiven Materialien mit einem ökologisch kontrollierten Verfahren zu bewerten. Sie haben zuvor ein Airbrush-System verwenden, um Spritzwasser auf Proben während der Messung, damit sie nicht austrocknen.
Jedoch erlaubt die Verwendung von ökologischen DMA (Abbildung 1), zur Messung von Polymerfolien in Lösungen, wie zum Beispiel Wasser und PBS, bei verschiedenen Temperaturen. Dies ermöglicht nicht nur die Messung der thermomechanischen Eigenschaften des Polymers im getränkt/erweicht Zustand, sondern auch die Messung der seine Erweichung Kinetik. Auch Zugversuche und Schwellung Messungen sind im Tauchbad dieser Maschine möglich. Dies ermöglicht genaue Studien über die Plastifizierung-induzierte Erweichung von Polymeren Substraten in Vivo Verhalten vorherzusagen.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>1,3,5-Triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6(1H,3H,5H)-trione (TATATO)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>114235-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenone (DMPA)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>196118-50G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2 laser Gravograph LS100</td>
			<td>Gravotech, Inc.</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning Large Glass Microscope Slides, 75 x 50mm</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>26005</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Environmental DMA: RSA-G2 Solids Analyzer</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ESD Safe Plastic Tweezer, Tips; Flat, Duckbill, 11.5 cm</td>
			<td>Cole Palmer</td>
			<td>EW-07387-17</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laurell WS-650-8B spin coater</td>
			<td>Laurell Technologies Corporation</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>liquid nitrogen</td>
			<td>Air gas</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBS, 1X Solution, Fisher BioReagents</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>BP243820</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SHEL LAB vacuum oven</td>
			<td>VWR International</td>
			<td>89409-484</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer</td>
			<td>University Wafer</td>
			<td></td>
			<td>Mechanical grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>The RSA-G2 Immersion System</td>
			<td>TA Instruments</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trimethylolpropane tris(3-mercaptopropionate) (TMTMP)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>381489-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UVP CL-1000 crosslinking chamber with 365 nm bulbs</td>
			<td>VWR International</td>
			<td>21474-598</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

environmental dynamic mechanical analysis to predict the softening behavior of neural implants

Wenn Sie dynamisch Erweichung Substrate für neuronale Implantate zu verwenden, ist es wichtig, eine zuverlässige in-vitro- Methode, um die Erweichung Verhalten dieser Materialien charakterisieren. In der Vergangenheit war es nicht zufriedenstellend messen die Erweichung von Dünnfilmen unter Bedingungen imitiert Körper Umgebung ohne erheblichen Aufwand möglich. Die Publikation präsentiert eine neue und einfache Methode, die dynamische mechanische Analyse (DMA) von Polymeren in Lösungen, wie Phosphat gepufferte Kochsalzlösung (PBS), ermöglicht, bei entsprechenden Temperaturen. Die Verwendung von ökologischen DMA ermöglicht Messung der Erweichung Auswirkungen von Polymeren durch Plastifizierung in unterschiedlichen Medien und Temperaturen, ermöglicht daher eine Vorhersage über das Verhalten von Materialien unter in-Vivo -Bedingungen.

Die Verwendung von ökologischen DMA ermöglicht die Analyse der Erweichung Kinetik und Erweichung Gesamtpotential von Polymeren. Mittels des Temperatur-Zeit-messen-Modus des Protokolls können die Erweichung Profile der verschiedenen Polymer Formulierungen miteinander (Abbildung 6) verglichen werden. Diese Methode kann auch verwendet werden, zu quantifizieren, Erweichung und Schwellungen Preise von Polymeren. Es ist in Abbildung 4</stron...

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Environmental Dynamic Mechanical Analysis to Predict the Softening Behavior of Neural Implants

Ökologische dynamische mechanische Analyse um die Erweichung Verhalten der neuronale Implantate

Um zuverlässige Prognosen für die Enthärtung von Polymeren Substraten für neuronale Implantate in einem Umfeld, in Vivo zu ermöglichen, ist es wichtig, eine zuverlässige in-vitro- Methode. Hier ist die Verwendung von dynamisch mechanische Analyse in Phosphat gepufferte Kochsalzlösung bei Körpertemperatur präsentiert.

When using dynamically softening substrates for neural implants, it is important to have a reliable in vitro method to characterize the softening behavior ...

Diese Methode hilft bei der Überwachung, wie sich die Materialeigenschaften implantierbarer Geräte beim Einsetzen in den Körper ändern können, insbesondere die Erweichung der Materialien. Der Hauptvorteil dieser Technik ist, dass sie eine einfache In-vitro-Methode bietet, die In-vivo-Bedingungen imitiert und somit den Bedarf an Tierversuchen minimiert. Diese Methode ist besonders interessant für die Prüfung der thermomechanischen Eigenschaften des Materials, das in implantierbaren Geräten im Allgemeinen verwendet wird und ist nicht auf die Bioelektronik beschränkt.Die Belastung der Probe und die Messung der Probe unter den nassen Bedingungen sind etwas schwierig und können zu unzuverlässigen Testergebnissen führen, wenn sie nicht ordnungsgemäß durchgeführt werden. Beginnen Sie mit dem Mischen quantitativer Mengen von Thiol zu Alkenmonomeren mit insgesamt 1 Gewicht Prozent Photoinitiator. Bedecken Sie eine 20-Milliliter-Glasflasche in Aluminiumfolie, um zu verhindern, dass einfallendes Licht die Monomerlösung anspricht, und verwenden Sie eine Entsorgungskunststoffpipette, um 50 Mol Prozent TATATO, 45 Molarenprozent TMTMP und fünf Molarenprozent TMICN in die Durchstechflasche zu geben.Fügen Sie dann 1 Gewichtsprozent des Photoinitiators DMPA in die Durchstechflasche und verwenden Sie das Mischen der Planetengeschwindigkeit, um den Inhalt der Durchstechflasche zu mischen, ohne die Lösung dem Licht auszusetzen. Wenn der Inhalt gründlich vermischt wurde, schichten Sie das resultierende Thiol-ene-Prepolymer-Gemisch in fünf 50-Mikrometer-dicken Folien in Glasmikroskopdias und übertragen Sie die Polymerfolien sofort auf das Trägersubstrat in einer Vernetzungskammer. Dann die Filme 60 Minuten unter 365-Nanometer-Ultraviolettlampen fotopolymerisieren, gefolgt von einer Nachhärtung in einem Vakuumofen für 24 Stunden bei 120 Grad Celsius, um die Umwandlung weiter abzuschließen.Wenn die Polymere vollständig ausgehärtet sind, verwenden Sie einen Kohlendioxidlaser, um die Folien für dynamische mechanische Tests in 4,5 Millimeter breite und 50 Millimeter lange Rechtecke zu schneiden. Um den dynamischen mechanischen Analysator einzurichten, statten Sie die Maschine mit der Tauchvorrichtung im Spannungsmodus aus. Schließen Sie den flüssigen Stickstoff an die Maschine an und ermöglichen Sie flüssigen Stickstoff in der Luft als Gasquelle für den Ofen.Schreiben Sie die Methode für die Trockenmessung mit der Maschinensoftware, einschließlich der Konditionierung, Schwingungstemperaturrampe und Konditionierung Ende der Testschritte. Dann schreiben Sie die Methode für die Tauchprüfung mit der Maschinensoftware, einschließlich der Konditionierung, Schwingungszeit, Schwingungstemperaturrampe und Konditionierung Ende der Testschritte. Wenn der Analysator bereit ist, verwenden Sie Sättel mit einer Genauigkeit von 001 Millimetern, um die tatsächliche Dicke der Polymerprobe für trockenin Lufttests zu messen, und geben Sie den Probennamen, die Beschreibung und die Probengeometrie in die Software ein.Stellen Sie den Ladeabstand auf 15 Millimeter ein, und laden Sie die Probe. Achten Sie darauf, die Probe zu zentrieren und auszurichten, bevor Sie die Klemmen anziehen. Schließen Sie dann den Ofen und starten Sie die Trockenmessung.Wenn die Messung beendet ist, öffnen Sie den Ofen, und entfernen Sie die Polymerprobe aus der Maschine. Um die tatsächliche Dicke der Polymerprobe für Dietsionstests zu messen, messen Sie zunächst die Probe mit Sätteln mit einer Genauigkeit von 001 Millimetern und geben Sie den Probennamen, die Beschreibung und die Probengeometrie in die Software ein. Bereiten Sie das Setup mit dem Tauchbecher vor, der mit einer Klemme am oberen Griff befestigt ist, und stellen Sie den Ladeabstand auf 15 Millimeter ein.Laden Sie die Probe, stellen Sie sicher, dass die Probe zentriert und ausgerichtet ist, und ziehen Sie die Klammern fest. Legen Sie das Tauchbad auf die Unterhalterung und sichern Sie das Bad fest. Dann füllen Sie das Bad mit Raumtemperatur PBS.Legen Sie den Deckel auf das Bad, schließen Sie den Ofen, und starten Sie sofort die Tauchmessung, um zu bestätigen, dass der Abfluss geschlossen ist. Es ist wichtig, die Messung so schnell wie möglich zu starten, nachdem der Becher mit dem PBS gefüllt wurde, um sicherzustellen, dass der gesamte Bereich der Enthärtung erfasst wird. Wenn die Messung beendet ist, öffnen Sie den Abfluss, um das PBS aus dem Tauchbad zu entfernen, und öffnen Sie den Ofen.Dann entfernen Sie den Deckel aus dem Becher, schrauben Sie den Tauchbecher ab und heben Sie ihn an, und entfernen Sie die Polymerprobe aus der Maschine. Mit dem Temperatur-Zeit-Messmodus des Protokolls können die Enthärtungsprofile verschiedener Polymerformulierungen verglichen werden. Die Kombination von trockenen dynamischen mechanischen Analysemessungen und Tauchmessungen in PBS ermöglicht die Beurteilung der wasserinduzierten Plastifiz ierung verschiedener Polymerformulierungen, wie die Vertiefung der Glasübergangstemperatur und die allgemeine Downshift der Modulkurven zeigen.Die Erweichung der Polymere für In-vivo-Anwendungen funktioniert am effektivsten, wenn das trockene Polymer eine Glasübergangstemperatur über der Körpertemperatur hat, aber unter der im nassen Zustand liegt. So fällt der Modul des Polymers beim Eintauchen unter physiologischen Bedingungen vom glasigen zu gummiartigen Modul. Wenn die Glasübergangstemperatur sowohl der trockenen als auch der nassen Zustände des Polymers deutlich über der Körpertemperatur liegt, wird das Polymer unter physiologischen Bedingungen nicht erweichen.Mit dieser Methode können Sie die PBS durch andere relevante Lösungen ersetzen, um das Verhalten von Biomaterialien in anderen Umgebungen nachzuahmen.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

Mikrofabrizierten Plattformen für Mechanisch Dynamische Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

Forschung

Biotechnik

Fabrication of Micropatterned Hydrogels for Neural Culture Systems using Dynamic Mask Projection Photolithography

Herstellung von mikrostrukturierten Hydrogele für Neural Kultur-Systeme mit Dynamic Mask Projektion Photolithographie

Increasingly, patterned cell culture environments are becoming a relevant technique to study cellular characteristics, and many researchers believe in the ...

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Entwurf eines zyklischen Druck Bioreaktor für die Ex Vivo Studium der Aorten-Herzklappen

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Correlative Microscopy for 3D Structural Analysis of Dynamic Interactions

Korrelative Mikroskopie für 3D-Strukturanalyse von dynamischen Wechselwirkungen

Cryo-electron tomography (cryoET) allows 3D visualization of cellular structures at molecular resolution in a close-to-physiological state1. However, ...

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Controlled Environment Mikrofluidik für dynamische Untersuchung der Aggregation roter Blutzellen

Blood, as a non-Newtonian biofluid, represents the focus of numerous studies in the hemorheology field. Blood constituents include red blood cells, white ...

In Situ Mapping of the Mechanical Properties of Biofilms by Particle-tracking Microrheology

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In-situ-Mapping der mechanischen Eigenschaften von Biofilmen durch Partikel-Tracking Mikrorheologie

Bacterial cells are able to form surface-attached biofilm communities known as biofilms by encasing themselves in extracellular polymeric substances ...

Microbiologically Induced Calcite Precipitation Mediated by Sporosarcina pasteurii

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Mikrobiologisch Induzierte Calcitausfällung Vermittelt durch<em&gt; Sporosarcina pasteurii</em

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Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...