Name: environmental dynamic mechanical analysis to predict the softening behavior of neural implants
Uploaded: 2019-03-01T14:30:00
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Gli autori vogliono ringraziare il Dr. Taylor Ware per averci permesso di utilizzare il suo DMA ambientale.
Questo lavoro è stato supportato dall'ufficio di assistente segretario della difesa per gli affari di salute attraverso il Peer Recensito il medico ricerca programma [W81XWH-15-1-0607]. Opinioni, interpretazioni, conclusioni e raccomandazioni sono quelle degli autori e non sono necessariamente condivise dal dipartimento della difesa.

1. preparazione dei campioni di polimero per il test
<ol><li>Sintetizzare il polimero di tiolo-ene rammollimento secondo i precedenti protocolli all'interno di una cappa aspirante. 1 , 2 , 4 , 18 mescolare brevemente, importi quantitativi di tiolo ai monomeri alchenico con un totale di iniziatore foto di 0,1 wt %.<ol>
<li>Preparare un flaconcino di vetro da 20 mL per la miscelazione di polime...

<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. 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=Design+and+demonstration+of+an+intracortical+probe+technology+with+tunable+modulus.">Design and demonstration of an intracortical probe technology with tunable modulus.</a> Journal of Biomedical Materials Research Part A. 105 (1), 159-168 (2017).</li><li>Do, D. -. H., Ecker, M., Voit, W. 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L., Voit, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Smart+Polymers+for+Neural+Interfaces.">Smart Polymers for Neural Interfaces.</a> Polymer Reviews. 53 (1), 108-129 (2013).</li><li>Ware, T., 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=Fabrication+of+Responsive,+Softening+Neural+Interfaces.">Fabrication of Responsive, Softening Neural Interfaces.</a> Advanced Functional Materials. 22 (16), 3470-3479 (2012).</li><li>Stiller, A. 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=Chronic+Intracortical+Recording+and+Electrochemical+Stability+of+Thiol-ene/Acrylate+Shape+Memory+Polymer+Electrode+Arrays.">Chronic Intracortical Recording and Electrochemical Stability of Thiol-ene/Acrylate Shape Memory Polymer Electrode Arrays.</a> Micromachines. 9 (10), 500 (2018).</li><li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays.">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Experimental Neurology. 195 (1), 115-126 (2005).</li><li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes.">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> Journal of Neuroscience Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li><li>Lacour, S. P., Courtine, G., Guck, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Materials+and+technologies+for+soft+implantable+neuroprostheses.">Materials and technologies for soft implantable neuroprostheses.</a> Nature Reviews Materials. 1 (10), 16063 (2016).</li><li>Stiller, 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=A+Meta-Analysis+of+Intracortical+Device+Stiffness+and+Its+Correlation+with+Histological+Outcomes.">A Meta-Analysis of Intracortical Device Stiffness and Its Correlation with Histological Outcomes.</a> Micromachines. 9 (9), 443 (2018).</li><li>Lecomte, A., Descamps, E., Bergaud, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+mechanical+considerations+for+chronically-implanted+neural+probes.">A review on mechanical considerations for chronically-implanted neural probes.</a> Journal of Neural Engineering. 15 (3), 031001 (2018).</li><li>Nguyen, J. 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>

L'uso di DMA ambientale permette lo studio del comportamento dei vari polimeri utilizzati come substrati per impianti neurali19 o altri dispositivi biomedicali in soluzione e di imitare in vivo le condizioni. Questo include, ma non è limitato a, polyimide, parylene-C, PDMS e SU-8. Idrogeli e matrice extracellulare (ECM) materiali possono essere studiate anche utilizzando questo metodo. Le differenze di rammollimento complessiva di polimero, come pure la sua cinetica di rammollimento poss...

Una nuova generazione di materiali utilizzati come substrati per impianti neurali comprende rammollimento forma memoria polimeri1,2,3,4,5,6,7 ,8,9. Questi materiali sono abbastanza rigidi durante l'impianto per superare le forze di deformazione critica, ma diventano fino a tre ordini di grandezza più morbidi dopo l'impianto in un ambiente di corpo. Si prevede che questi materiali mostrano una migliore interazione del dispositivo-tessuto a causa della mancata corrispondenza ridotta nel modulo rispetto ai materiali tradizionali utilizzati in impianti neurali, come il tungsteno o silicio. Dispositivi tradizionali, rigidi mostrano risposta infiammatoria dopo l'impianto, seguita da incapsulazione tissutale e astroglial cicatrici che spesso si traduce in dispositivo guasto10,11. È una supposizione comune che dispositivi meno rigide minimizzare il corpo estraneo risposta12,13,14. La rigidità di un dispositivo è dettata dalla sua sezione trasversale e modulo. Pertanto, è importante per ridurre entrambi i fattori per migliorare la conformità del dispositivo e, infine, l'interazione di tessuto del dispositivo.
Il lavoro sui polimeri di rammollimento è stato ispirato dal lavoro di Nguyen et al.15, che hanno dimostrato che gli impianti intracorticali meccanicamente compatibile con riducono la risposta neuroinfiammatorie. Hanno precedentemente usato meccanicamente-adaptive poly(vinyl acetate)/tunicato cellulosa nanocristallo (tCNC) nanocompositi (NC), che diventano conformi dopo l'impianto.
Il laboratorio di Voit, d'altra parte, usa il sistema altamente sintonizzabile di tiolo-ene e tiolo-ene/acrilato polimeri. Questi materiali sono vantaggiosi in quanto il grado di rammollimento dopo l'esposizione a condizioni in vivo può essere sintonizzato facilmente dal design polimero. Scegliendo la composizione polimerica giusto e la densità di reticolazione, la temperatura di transizione vetrosa e di elasticità del polimero può essere per volta2,4,5,6,8. L'effetto sottostante di rammollimento è la plastificazione del polimero in un ambiente acquoso. Per avere un polimero con una temperatura di transizione di vetro (Tg) superiore alla temperatura corporea una volta asciutto (lo stato durante l'impianto), ma sotto la temperatura corporea dopo essere stato immerso in acqua o PBS, il rigidità/modulo risultante del polimero può spostare da vetroso (rigido) quando asciutto per gommosa (morbido) quando impiantati16.
Tuttavia, misurazioni precise e affidabili di rammollimento a causa di plastificazione e lo spostamento del Tg da secco a umido gli Stati non sono in grado di essere misurato in passato. Analisi dinamico-meccanica tradizionale avviene in aria o gas inerti e non consente la misurazione delle proprietà termomeccaniche di polimeri all'interno di una soluzione. Negli studi precedenti, i polimeri sono stati immersi in PBS per vari periodi di tempo. Gonfiati campioni sono stati quindi utilizzati per eseguire analisi dinamico-meccanica (DMA)6,7,8. Tuttavia, poiché la procedura prevede una rampa di temperatura, campioni iniziano ad asciugare durante la misurazione e non danno dati rappresentativi. Questo è particolarmente vero se la dimensione del campione diventa più piccola. Al fine di prevedere l'ammorbidimento delle sonde neurale, sarebbe necessario testare 5 a 50 pellicole polimeriche µm-sottile, che non è possibile con tradizionale DMA dovuto la summenzionata essiccamento dei campioni durante la misurazione.
Hess et al.17 hanno progettato una fuoriserie microtensile macchina per valutare le proprietà meccaniche dei materiali meccanicamente adattivi utilizzando un metodo di ambiente controllato di prova. Essi sono utilizzati in precedenza un sistema aerografo per spruzzare acqua su campioni durante la misurazione per impedire loro di seccarsi.
L'uso di DMA ambientale (Figura 1), tuttavia, consente per la misurazione di film polimerici nelle soluzioni, quali acqua e PBS, a varie temperature. Questo consente non solo la misura delle proprietà di Termomeccanica del polimero nello stato bagnato/ammorbidito, ma anche misura della sua cinetica di rammollimento. Prove di trazione anche e gonfiore misure sono possibili all'interno della vasca di immersione di questa macchina. Questo permette studi esatti del rammollimento di plastificazione-indotta di substrati polimerici per predire i comportamenti in vivo .

<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

Quando si utilizza in modo dinamico rammollimento substrati per impianti neurali, è importante avere un metodo affidabile in vitro per caratterizzare il comportamento di rammollimento di questi materiali. In passato, non è possibile misurare in modo soddisfacente il rammollimento di film sottili sotto condizioni che imita ambiente corpo senza sforzo sostanziale. Questa pubblicazione presenta un metodo nuovo e semplice che permette analisi dinamico-meccanica (DMA) di polimeri in soluzioni, ad esempio tamponato fosfato salino (PBS), alle temperature pertinenti. L'uso di DMA ambientale permette la misura degli effetti rammollimento dei polimeri a causa di plastificazione in vari media e temperature, consentendo pertanto una previsione del comportamento di materiali in condizioni in vivo .

L'uso di DMA ambientale permette l'analisi di rammollimento cinetica e capacità complessive rammollimento dei polimeri. Utilizzando la modalità di misurazione di temperatura-tempo del protocollo, i profili di rammollimento delle formulazioni differenti polimeri possono essere paragonati a vicenda (Figura 6). Questo metodo può anche essere utilizzato per quantificare il rammollimento e gonfiore tariffe dei polimeri. Può essere visto nella <strong class="xf...

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

Analisi meccanica dinamica ambientale per predire il comportamento di rammollimento di impianti neurali

Per consentire previsioni affidabili di rammollimento di substrati polimerici per impianti neurali in un ambiente in vivo , è importante avere un metodo affidabile in vitro . Qui, l'uso di analisi dinamico-meccanica in tampone fosfato salino a temperatura corporea è presentato.

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

Questo metodo aiuta a monitorare come le proprietà del materiale dei dispositivi impiantabili possono cambiare al momento dell'inserimento nel corpo, in particolare l'ammorbidimento dei materiali. Il vantaggio principale di questa tecnica è che offre un semplice metodo in vitro che imita le condizioni in vivo e quindi riduce al minimo la necessità di test sugli animali. Questo metodo è particolarmente interessante per testare le proprietà termomeccaniche del materiale che verrà utilizzato nei dispositivi impiantabili in generale e non si limita alla bioelettronica.Il caricamento del campione e la misurazione del campione nelle condizioni di bagnato sono un po 'difficili e possono causare risultati di prova inaffidabili se non eseguiti correttamente. Inizia mescolando quantità quantitative di tiolo con monomeri alchene con un totale di fotoiniziatore percentuale di peso 1. Coprire una fiala di vetro da 20 millilitri in un foglio di alluminio per evitare che la luce incidente contatti la soluzione monomero e utilizzare una pipetta di plastica per lo smaltimento per aggiungere 50 mole percent TATATO, 45 molar percent TMTMP e cinque molare percento TMICN al flaconcino.Quindi aggiungere l'1% del peso del fotoiniziore DMPA al flaconcino e utilizzare la miscelazione della velocità planetaria per mescolare il contenuto del flaconcino senza esporre la soluzione alla luce. Quando il contenuto è stato accuratamente miscelato, girare rivestire la miscela di prepolimeri tiolo-ene risultante in vetrini al microscopio in cinque pellicole spesse 50 micrometri e trasferire immediatamente le pellicole polimeriche sul substrato portante in una camera di reticolo. Quindi foto-polimerizzare le pellicole per 60 minuti sotto i bulbi ultravioletti da 365 nanometri, seguite da post-polimerizzazione in un forno a vuoto per 24 ore a 120 gradi Celsius per completare ulteriormente la conversione.Quando i polimeri sono completamente polimerici, utilizzare un laser ad anidride carbonica per tagliare le pellicole in rettangoli lunghi 4,5 millimetri per rettangoli lunghi 50 millimetri per test meccanici dinamici. Per impostare l'analizzatore meccanico dinamico, dotare la macchina dell'apparecchio ad immersione in modalità tensione. Collegare l'azoto liquido alla macchina e consentire l'azoto liquido nell'aria come fonte di gas per il forno.Scrivi il metodo per la misurazione a secco con il software della macchina, inclusi il condizionamento, la rampa di temperatura di oscillazione e l'estremità del condizionamento delle fasi di prova. Quindi scrivi il metodo per il test di immersione con il software della macchina, inclusi il condizionamento, il tempo di oscillazione, la rampa di temperatura di oscillazione e la fine del condizionamento delle fasi di test. Quando l'analizzatore è pronto, utilizzare pinze con una precisione di 001 millimetri per misurare lo spessore effettivo del campione polimerico per il test dell'aria secca e inserire il nome del campione, la descrizione e la geometria del campione nel software.Impostare lo spazio di caricamento su 15 millimetri e caricare il campione. Assicurarsi di centrare e allineare il campione prima di stringere i morsetti. Quindi chiudere il forno e iniziare la misurazione a secco.Al momento della misurazione, aprire il forno e rimuovere il campione di polimero dalla macchina. Per misurare lo spessore effettivo del campione polimerico per il test ad immersione, misurare innanzitutto il campione con pinze con una precisione di 001 millimetri e inserire il nome del campione, la descrizione e la geometria del campione nel software. Preparare la configurazione con il becher ad immersione fissato con un morsetto all'impugnatura superiore e impostare lo spazio di carico su 15 millimetri.Caricare il campione, assicurandosi di centrare e allineare il campione e stringere i morsetti. Posizionare il bagno ad immersione sull'apparecchio inferiore e fissare saldamente il bagno. Quindi riempire il bagno con PBS a temperatura ambiente.Posizionare il coperchio sopra il bagno, chiudere il forno e iniziare immediatamente la misurazione dell'immersione, confermando che lo scarico è chiuso. È importante iniziare la misurazione il prima possibile dopo che il becher è stato riempito con il PBS per garantire che l'intera gamma dell'ammorbidimento venga catturata. Al fine della misurazione, aprire lo scarico per rimuovere il PBS dal bagno ad immersione e aprire il forno.Quindi rimuovere il coperchio dal becher, svitare e sollevare il becher ad immersione e rimuovere il campione di polimero dalla macchina. L'utilizzo della modalità di misurazione temperatura-tempo del protocollo consente di confrontare i profili ammorbidenti di diverse formulazioni polimeriche. La combinazione di misurazioni di analisi meccaniche dinamiche a secco e misurazioni dell'immersione in PBS consente la valutazione della plastificazione indotta dall'acqua di diverse formulazioni polimeriche, come illustrato dalla depressione della temperatura di transizione del vetro e dallo spostamento verso il basso complessivo delle curve del modulo.L'ammorbidimento dei polimeri per applicazioni in vivo funziona nel modo più efficace quando il polimero secco ha una temperatura di transizione del vetro superiore alla temperatura corporea ma inferiore a quella allo stato umido. Pertanto, il modulo del polimero scende dal modulo vetroso a quello gommoso al momento dell'immersione in condizioni fisiologiche. Quando la temperatura di transizione del vetro degli stati secco e umido del polimero è ben al di sopra della temperatura corporea, il polimero non si ammorbidirà in condizioni fisiologiche.Questo metodo consente di sostituire il PBS con altre soluzioni pertinenti per imitare il comportamento dei biomateriali in altri ambienti.

Research

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