اختبار Microtensile التي تسيطر عليها بيئيا للميكانيكيا على التكيف nanocomposites والبوليمرات لل

ويناقش الطريقة التي يستخدمها في الجسم الحي السلوك الميكانيكي للمواد المحفزات التي تستجيب بوصفها وظيفة من الزمن. ويتم اختبار عينات خارج الحي باستخدام اختبار microtensile مع الضوابط البيئية لمحاكاة البيئة الفسيولوجية. يشجع هذا العمل المزيد من فهم في الجسم الحي سلوك حياتنا المادية.

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.

1. تحضير العينة

1. إعداد فيلم PVAc-NC من سمك في حدود 25-100 ميكرون باستخدام الصب حل وتقنية ضغط ^10-12.
2. التمسك الفيلم إلى رقاقة السيليكون عن طريق تسخين على طبق ساخن لمدة دقيقة عند 70 درجة مئوية (أعلى درجة حرارة التحول الزجاجي) لتعزيز اتصال حميم بين الفيلم والرقاقة. تضمن هذه الخطوة أن الفيلم لا يزال معدة مسطحة وثابتة إلى الرقاقة سي، وهو أمر ضروري لعمليات متناهي الصغر مستو.
3. نمط الفيلم في عينة اختبار هندستها بواسطة الليزر متناهي الصغر (VLS 3.50، VersaLASER). ضبط ₂ مباشرة والكتابة المعلمات متناهي الصغر ليزر ثاني أكسيد الكربون إلى 1.0٪ من الطاقة (0.5 W)، سرعة 4.0٪ (56 ملم / ثانية)، و 1،000 نبضات لكل بوصة ^13،16.
4. عينات النمط التي سيتم استخدامها لتهيئة الظروف البيئية ("عينات الإعداد") في هياكل على شكل dogbone مع الأبعاد وسادة الوحشي 1.5 × 1.5 مم ^2، وشعاع خافت الجانبيةensions 300 × 3،000 ميكرون ^2، مع سمك مطابقة أن من الفيلم في جميع أنحاء (الشكل 2).
5. نمط العينات لإجراء التجارب المجراة سابقا ("عينة زرع") في الحزم 300 ميكرون × 6 مم، مع سمك مطابقة أن من الفيلم.
6. الإفراج بعناية عينات من رقاقة باستخدام شفرة حلاقة وملاقط.
7. لمناولة العينات، وإعداد أصحاب الاكريليك مخصصة تشكيله مصممة لتكون بمثابة جزء من نظام قبضة في اختبار microtensile. تظهر علامات محفورا بالليزر محور من صاحب و 1.5 مم من نهاية المباراة. ضع كمية صغيرة من فورية الغراء لاصق ذو قاعدة الجل على محور من حامل الاكريليك والالتزام بعناية ملم طول 1.5 من عينة زرع لصاحب وتداخل محور ملحوظ (الشكل 3). يتطلب كل عينة زرع حامل الاكريليك واحد. كن حذرا للتأكد من أن هلام لاصق يبقى فقط على طول ملم طول 1.5 من PVAc-NC يجري انضمت إلى ACRحامل ylic. خلاف ذلك، يمكن للهلام لاصق تتداخل مع السلوك الميكانيكي للعينة.
8. إزالة الرطوبة من جميع العينات عن طريق وضعها في مجفف لمدة 24 ساعة على الأقل.
9. قياس الطول، العرض، والأبعاد سماكة من العينات باستخدام المجهر الضوئي.

2. تهيئة الظروف البيئية

1. تحميل عينة الإعداد الجافة في اختبار microtensile (انظر الشكل 4)، وتحامل الأول بين قبضة المحمول، ثم بين قبضة ثابتة.
2. شن فرشاة الهواء مع خزان مملوء بالمياه في موقف ثابت، مع فوهة موجهة نحو عينة microtensile. ربط فرشاة الهواء لضاغط الهواء عبر أنابيب من البلاستيك. مع فوهة فرشاة الهواء مغلقة تماما، تشغيل ضاغط الهواء.
3. يبدأ دوري microtensile إجراء الاختبار، بالتناوب بين سلالة الشد (سلالة إيجابية) وسلالة الضغط (سلالة السلبية) المطبقة على رانه عينة، وتبقى داخل المنطقة مرونة خطية من مؤامرة الإجهاد والانفعال. لPVAc-NC، هو من سلالة تطبيقها يقتصر على أقل من 2٪. في اختبار microtensile المخصصة المستخدمة في هذه التجارب، تمت السيطرة على معدل الضغط في حين تم قياس القوة المطلوبة لتحقيق تلك السلالة. بدلا من ذلك، يمكن إعداد مختلفة تنطوي على السيطرة على القوة المطبقة أثناء قياس الضغط الناتجة.
4. تدريجيا زيادة تدفق من فوهة فرشاة الهواء، ورصد المنحدر من مؤامرة الإجهاد والانفعال بوصفها وظيفة من كمية تدفق من فرشاة الهواء. الحد الأقصى التدفق الذي لا يسبب انخفاض كبير (> 10٪) في معامل يونغ على مدى فترة من 60 ثانية هو المستوى الذي سيتم استخدامه للتجارب المجراة سابقا. في هذه المرحلة، وظروف الرطوبة التي لن الرطب عينة الجافة (وبالتالي المساهمة في الحد من معامل يونغ)، وسيقلل أيضا كانت عينة تجفيف بعد التعرض لسوائل البيولوجية في الجسم الحي تهتblished.
5. قياس درجة الحرارة بالقرب من العينة. ومن شأن الإعداد المثالي تشمل الحرارية مع قراءات رقمية، وإجراء بينما البخاخة تعمل. تعيين كثافة ومسافة قريبة من مصدر مشع الحرارة مثل أن درجة حرارة عينة يقام إلى 37 درجة مئوية، لتتناسب مع الظروف الفسيولوجية.

3. قارن التحكم البيئي لمراقبة غير البيئية

1. عينات الإعداد غمر لمدة 30 دقيقة على الأقل في الفوسفات مخزنة المالحة. بعد هذا القدر من الوقت، مشبعة تماما العينة وخفضت إلى الحد الأدنى لها معامل يونغ عند درجة حرارة معينة.
2. تحميل بسرعة عينة في اختبار microtensile والبدء في اختبار microtensile دوري، مع فرشاة الهواء حالا، في حين يجف العينة. هذا وسوف يحدد كيفية بسرعة يجف عينة في ظل ظروف غير خاضعة للرقابة.
3. تحميل العينة الثانية إعداد PBS المشبعة في اختبار microtensile، والبدء في اختبار microtensile دوريمع فرشاة الهواء على. هذا وسوف يحدد كيفية بسرعة يجف عينة تحت الظروف البيئية للرقابة.

4. زرع التحقيق وExplantation

1. إرفاق عينة زرع إلى المشبك مياداة مجهرية وموقف متعامد إلى الأنسجة القشرية.
2. قبل الإدراج، والحفاظ على الأنسجة رطبة بما فيه الكفاية مع المياه المالحة لضمان تجانس ميكانيكا الأنسجة.
3. خفض عينة البوليمر في القشرة باستخدام عناصر التحكم يد مياداة مجهرية. ترك عينة في الأنسجة القشرية حتى وقت زرع الهدف، عادة بين 1 و 30 دقيقة. لمنع الأنسجة من تجفيف لنقاط زمنية أكثر من 5 دقائق، بخفة الداب الأنسجة كل 5 دقائق باستخدام مسحة القطن غارقة في المياه المالحة.
4. بينما يتم زرع التحقيق في القشرة، وإعداد اختبار microtensile لتحميل عينة مزروع حاليا عن طريق وضع قضيب حملة لموقف صفر تشريد 3.0 ملم من عينة المشبك ثابتة. أيضا، تعيين فوهة فرشاة الهواءإلى الإعداد تدفق ومصدر مشع الحرارة لشدة المناسبة تحديد في الخطوة 2.4.
5. في نهاية الوقت المحدد زرع، ورفع مسبار للخروج من القشرة باستخدام عناصر التحكم يد مياداة مجهرية. على الفور، وبعناية، وإزالة عينة من المشبك مياداة مجهرية وتحميله إلى اختبار microtensile، كما هو موضح بمزيد من التفصيل في الخطوة 5.2.

5. اختبار Microtensile من عينات الزرع

1. لتوفير الوقت بعد explantation، تأكد من أن تستر microtensile مستعدة تماما لقبول عينة زرع قبل الزرع، كما هو موضح في الخطوة 4.4.
2. مباشرة بعد explantation، تحميل عينة بين مجموعتين من المشابك اختبار microtensile. منذ يتم تحميل العينة إلى حامل الاكريليك مصممة لتكون بمثابة النصف العلوي من المشبك واحد، ضع عينة الجمعية زرع على قبضة المحمول، والجانب عينة أسفل. فمن المهم للتأكد من أن يتم تحميل عينة مثل تلك السلالة هو APPLالعبوات الناسفة فقط على طول من لجنة التحقيق لتجنب تطبيق عزم الدوران إلى عينة خلال الاختبار. على هذا النحو، يجب أن يتم تنظيمها العينة إلى مركز كل المشبك، ويجب أن تكون المشابك مستوى مع الاحترام لبعضهما البعض.
3. ضبط الموقف عينة من هذا القبيل أن المسافة بين المشابك هو 3.0 مم، ونهاية يوضع التحقيق في المشبك ثابتة. هذا مم طول 3.0 بين المشابك هو طول مقياس للعينة، وسيتم استخدامها في العمليات الحسابية في وقت لاحق لتحديد الضغط على العينة.
4. على الفور بعد الحصول على عينة بين كل من المشابك، وعلى بعد 2 دقيقة من explantation من الأنسجة العصبية، وتفعيل الحركية في اتجاه الشد إلى استطال العينة بمعدل ثابت (10 ميكرون / ثانية المستخدمة هنا)، بينما في وقت واحد قياس وتسجيل استطالة العينة (باستخدام مؤشر النزوح، Mitutoyu 543-561) والقوة المرتبطة بها (باستخدام خلية الحمل، وتقنيات محول MDB-2.5) المطلوبة لسلالة العينة.
5. وقف الاختبار microtensile على فشل الميكانيكية للعينة، أو عند الوصول إلى نهاية النطاق قضيب محرك الأقراص. تصدير البيانات التي تم جمعها، وإجراء تحليل البيانات.
6. تكرار الاختبار microtensile لكل عينة و / أو كل مجموعة من الشروط (أي وقت الإدراج).

6. تحليل البيانات

1. تحويل البيانات الخام إلى استطالة سلالة الهندسة تطبيقها على عينة زرع عن طريق قسمة المسافة من استطالة بواسطة طول قياس الأولي، كما هو موضح في المعادلة 1، حيث ε هو من سلالة تطبيقها، تي حان الوقت، d هو الإزاحة تقاس ميكرومتر مؤشر، وL ₀ هو طول قياس الأولي للعينة:
   (1)
2. تحويل البيانات الخام إلى قوة الضغط الهندسة على العينة عن طريق قسمة القوة (في نيوتن)، من قبل هيئة تنظيم الاتصالاتnsverse منطقة مستعرضة، كما هو موضح في المعادلة 2:
   (2)
   حيث σ هو الضغط على العينة، F هي القوة تقاس تحميل خلية (في نيوتن)، ث ₀ هو العرض الأولي للعينة، ور ₀ هو سمك الأولي للعينة.
3. رسم الإجهاد (σ [ر]) مقابل سلالة (ε [ر]) منحنى لكل عينة باستخدام برنامج كمبيوتر، مثل Microsoft Excel.
4. عزل جزء مرنة خطية من مؤامرة واستخدام البرمجيات القائمة على أدوات منحنى المناسب للعثور على أفضل خط مناسبا لهذا الجزء. المنحدر من أفضل خط مناسبا يتوافق مع معامل يونغ من العينة. ينبغي للجزء معزول من مؤامرة تشمل 10 نقطة على الأقل الإجهاد والانفعال، وينبغي أن تؤخذ من جزء من المؤامرة حيث المنحدر هو أعظم.
5. لاختبارات دوري، سوف تحتاج معامل يونغ ليتم تحديدها لكل دورة. هذا قد يكون آليا أو يدويا يؤديها.
6. لاختبارات دورية، مؤامرة معامل يونغ من كل دورة مقابل الوقت. هذا يشير إلى مدى التغييرات معامل قياس مع مرور الوقت، مما يدل على مدى سرعة عينة الإعداد يتم ترطيب أو تجفيف.
7. للحصول على عينات الزرع، كل عينة والوقت من زرع يتوافق مع دورة واحدة من التجارب دوري. قياس معامل يونغ باستخدام الإجراء الموضح أعلاه لكل عينة زرع.
8. رسم معامل يونغ مقابل الوقت الزرع. عند هذه النقطة، يمكن إجراء المقارنات لتحقيقات الفوق، الخ

الخواص الميكانيكية للجميع المواد البوليمرية تقريبا، بما في ذلك لدينا PVAc-NC، تعتمد على التعرض للظروف البيئية. وأبرزها، وهذه تشمل التعرض للحرارة والرطوبة. عندما يتم الملدن مادة نظرا لامتصاص الرطوبة، أو تخضع لعملية الانتقال الحراري، فإنه يعرض انخفاض في معامل يونغ. في إعداد رطوبة والبيئة التي تسيطر عليها درجة الحرارة لعينة توصيف فيفو الميكانيكية السابقين، فمن المهم التأكد من أن هناك تغيير في الحد الأدنى من محتوى الرطوبة في العينة أثناء تحميل عينة في اختبار microtensile، وكذلك أثناء الاختبارات الميكانيكية. يتم تقييم ذلك باستخدام عينة الإعداد السيطرة التجارب لضمان أن العينة لا تتأثر بالرطوبة التي تم إنشاؤها بواسطة فرشاة الهواء، كما أنها لا تجف بسرعة في البيئة الخارجية. يبين الشكل 5 مثال مؤامرة مما يدل على السلوك الميكانيكي للإعداد الجافة عينة خلال الجسم الهدبيكال اختبار الشد للبيئة الرطوبة فرشاة الهواء المناسب. أي تغيير في معامل يونغ أثناء تشغيل فرشاة الهواء على الحد الأدنى. هذا أمر مهم لأن البيئة الخارجية لا ينبغي أن تساهم في تخفيض أو زيادة في صلابة. عندما يتم تعيين تدفق من فرشاة الهواء عالية جدا، وسوف معامل يونغ من العينة تنخفض بشكل ملحوظ في غضون حوالي 60 ثانية.

يمكن السيطرة على بيئة الاختبار الميكانيكي أيضا التأكد من أن المواد لا تجف قبل الأوان. على سبيل المثال، استخدام بيئة الرطوبة لدينا رقابة يزيد من الوقت اللازم للحصول على عينة explanted لتجف واستعادة خصائص ما قبل الزرع الميكانيكية. الشكل (6) يوضح سلوك تجفيف عينتين الإعداد التحكم غارقة إلى التشبع ثم تعرض لاختبار الشد الدورية تحت الظروف البيئية للرقابة وغير خاضعة للرقابة على حد سواء. في ظل بيئة غير خاضعة للرقابة، وعينات استرداد معامل ويونغتتجاوز 400 ميجا باسكال في 150 ثانية تم خلالها تحميل عينة في اختبار microtensile. أدت زيادة هذا معامل يونغ المرات 20-40 أن من عينة المشبعة من التجفيف السريع للعينة ^13. تحت السيطرة البيئية، لا يقاس بزيادة ملحوظة في معامل يونغ حتى 240 ثانية بعد إزالة من الحمام الغمر. هذه الفترة الزمنية كافية لكلا تحميل العينة وإجراء ما يكفي من الاختبارات الميكانيكية لتمكين استخراج معامل يونغ.

تصميم لعينات زرع لاختبار فيفو السابقين (الشكل 3) تتضمن النظر في عدد من العوامل. أولا، تحتاج إلى عينات لزرعها في الأنسجة من الاهتمام، وهو قشرة الدماغ في هذا التحقيق. ونتيجة لذلك، يجب أن يكون عينة والهندسة المستوحاة من إبرة، والتي تتمثل في ضيق شعاع PVAc-NC. وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي تصميم العينة بالنسبة إلى القوة المطلوبة لPenetrate الأنسجة من الاهتمام دون التواء. يأخذ صيغة أويلر التواء في الاعتبار معامل يونغ للمادة، وكذلك الطول والعرض، وسمك شعاع لتوفير قوة حاسمة حيث من المتوقع تحقيق شعاع من نوع لربط حزام الأمان ^17. في هذه الدراسة، تم اختيار الأبعاد شعاع مثل هذا التحقيق سوف تخترق من خلال الأنسجة العصبية دون التعرض لخطر التواء. نظرا دراسات سابقة تظهر قوة الإدراج أقل من 15 مليون، وطولها اختيار مسبار من 4.5 مم إلى 3 مم تسمح لشعاع اختبار وملم طول 1.5 لتجتاح، وسماكة الفيلم المعروفة تزيد عن 75 ميكرون، ويمكن أن يحسب أن عرض التحقيق يجب أن يتجاوز 107 ميكرومتر. لضمان أقصى قدر من التكرار مع أداة الليزر متناهي الصغر، تم اختيار عرض من 300 ميكرون للعينات. نقطة إضافية من القلق هو التعامل مع من العينة المسبار الميكروي خلال الإدراج في الأنسجة وإزالة من الأنسجة. وكأنها شعاع بسيط يمكن أن تتلف أثناء المناولة وربط BEAم إلى بنية أكثر جوهرية (أي حامل الاكريليك) يتيح نقل أكثر أمانا لغرس والاختبارات الميكانيكية. وأخيرا، ينبغي أن يكون الأمثل هذه الجمعية للسماح للتحميل في اختبار الشد في أسرع وقت ممكن.

ويرد مؤامرة ممثل تبين منحنيات الإجهاد والانفعال لعينة الجافة وعينة الرطب التي تم زرعها في القشرة الفئران لمدة 30 دقيقة في الشكل 7. معامل يونغ، والتي تتطابق مع المنحدر من مؤامرة الإجهاد والانفعال في المنطقة مرونة الخطية، هو بوضوح أكبر بكثير بالنسبة للعينة جافة من لعينة مزروع. وتوترت كل من عينات لكسر. ومع ذلك، يتم اشتقاق معامل يونغ من الجزء مرونة خطية من المؤامرة التي يتم جمعها في اختبار الشد في وقت مبكر، قبل الدخول تشوه البلاستيك وفشل العينة، كما هو موضح في الشكل 8. الشكل 9 يوضح أنه بعد حوالي 5 دقائق من الزرع، من عينة DISيلعب تغيير يذكر في معامل يونغ، مما يدل على أن عينة تصل إلى التشبع والحد الأدنى صلابة خلال هذه الفترة من الزمن.

الشكل 1. نظرة عامة التخطيطي من المنهج التجريبي لتوصيف السلوك الميكانيكي في الجسم الحي من المحفزات التي تستجيب لل، ميكانيكيا على التكيف البوليمر المسبار الميكروي بمركب متناهي في الصغر. (أ) أولا، يتم إعداد عينة من الزخرفة الفيلم PVAc-NC في شعاع والتركيب على والاكريليك حامل. (B) ثم يتم زرعها التحقيق في القشرة الدماغية لفترة محددة من الوقت. (ج) وأخيرا، يتم explanted العينة وإخضاعها للتجربة microtensile باستخدام اختبار microtensile مبنية خصيصا.

الشكل 2. عينة الإعداد الليزر مجهريا PVAc-NC لتهيئة الظروف البيئية اللازمة للحفاظ على السلوك الميكانيكي في الجسم الحي من العينات زرع PVAc-NC بعد explantation.

الشكل (3). صور من عينة زرع، وتتألف من ليزر نقوش PVAc-NC شعاع شنت على حامل الاكريليك.

الشكل 4. منع مخطط للاختبار microtensile. يشد العينة بين المشبك المشبك الثابتة والمتنقلة التي تعلق على قضيب محرك الأقراص من piezomotor الخطية. يتم التحكم في معدل الضغط من piezomotor خطي ويتم قياس الضغط باستخدام مؤشر النزوح. الحمل اللازمة لسلالة العينة هو ليasured بواسطة خلية التحميل. يتم التحكم في الظروف البيئية في المنطقة المجاورة للعينة عن طريق فرشاة الهواء ومصباح الحرارة.

الشكل 5. معامل يونغ (E) بوصفها وظيفة من الزمن، كما تم قياسها خلال الاختبارات الدورية الشد لتحديد الإعدادات فرشاة الهواء الصحيح للسيطرة على الرطوبة في بيئة الاختبار. المنطقة المظللة هي المرة خلالها تم تحويل فرشاة الهواء على. في الإعدادات فرشاة الهواء المستخدمة، معامل يونغ لا يتغير بشكل ملحوظ مع مرور الوقت، مما يدل على أن كمية المياه التي تمتصها عينة الإعداد من فرشاة الهواء ليست كافية للمساهمة في الحد من تصلب.

الشكل (6). معامل يونغ (E) مقابل الوقت للsaturat المياهعينات إد في كل من الرطوبة بيئات اختبار الشد للرقابة وغير خاضعة للرقابة. انتعاش الأولي للمعامل يونغ هو أبطأ بكثير في بيئة تسيطر عليها.

الرقم 7. مثال على المؤامرات الإجهاد والانفعال للعينات PVAc-NC التي كانت جافة (مزروع أبدا) والرطب (فيفو السابقين، explanted من الأنسجة بعد 30 دقيقة في الجسم الحي).

الرقم 8. مجموعة إضافية من المؤامرات الإجهاد والانفعال لإثبات أن جزء مرنة خطية من مؤامرة عزل من مؤامرة الإجهاد والانفعال الشاملة (يسار)، واستخراج ويصلح لخط (يمين). لهذا القياس خاصة، والشابمعامل هو 16.8 ميجا باسكال. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

الشكل 9. معامل يونغ، E، مقابل زرع وقت لعينات PVAc-NC مزروع في القشرة. أشرطة الخطأ تمثل الخطأ المعياري مع n = 4، مع استثناء من الحد الأدنى زرع 5، مع n = 2.

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 التي وضعت مؤخرا من المواد يستجيب إلى وجود الهيدروجين السوائل السندات تشكيل (مثل الماء) ودرجات حرارة مرتفعة للحد من معامل يونغ، وهو مقياس لصلابة المواد، من خلال ثلاثة أوامر من حجم ^10،11،18. هذه المواد البوليمر بمركب متناهي في الصغر لديها مصفوفة البوليمر لينة (أي بولي (أسيتات الفينيل)) مع ألياف النانو السليلوز كمرحلة nanofiller. التفاعلات بين ألياف النانو السليلوز تملي الخواص الميكانيكية للمادة ككل، ويتم تشغيل "على" عندما تجف وتحول "OFF" عندما تكون رطبة. وبالإضافة إلى ذلك، والمياه plasticizes نا البوليمرnocomposite، مما يقلل من درجة حرارة التحول الزجاجي إلى أقل من درجة حرارة الجسم (37 درجة مئوية)، مما أدى إلى مزيد من خفض في معامل يونغ. تطبيق واحد لهذا النوع من المواد هو بمثابة الركيزة الحيوية على التكيف للتحقيقات intracortical إلى التواصل مع الخلايا العصبية الفردية ^13،17. ومع ذلك، فإن الفوائد المترتبة على المواد ميكانيكيا في التكيف لا تقتصر على التواصل مع الجهاز العصبي.

قدم هنا هو الطريقة التي السلوك الميكانيكي للمجهرية-NC-المستندة إلى PVAc يمكن تقييمها بعد الزرع في الأنسجة العصبية لفترة محددة من الزمن. باستخدام هذا الأسلوب، يمكن جمع البيانات السابقين فيفو الميكانيكية للمقارنة لدراسات الفوق. علاوة على ذلك، يمكن تقييم مقياس للتغيرات في الخواص الميكانيكية. ومراقبة البيئة مكنت من فرشاة الهواء الانضباطي للغاية وضبط الحرارة اشعاعا يوفر الآلية التي العينات مزروع يمكن اختبار فيفو السابقين مع مصغرةتغيير المال في الخواص الميكانيكية الناتجة عن التغير في البيئة. على هذا النحو، والسلوك في الجسم الحي من المواد التي يمكن أن يستدل، وتوفير المعلومات متفوقة مقارنة مع التجارب الفوق مع عينات مغمورة تماما في السائل النخاعي الاصطناعي (ACSF). مطالب البيئة الفسيولوجية المعقدة توافر مثل هذه الأساليب، ولكن الطرق التجريبية لهذا التقييم هي محدودة.

وهناك العديد من المزايا لدينا وسيلة لتوصيف الميكانيكية مزروع، ميكانيكيا على التكيف البوليمر عينات بمركب متناهي في الصغر. اختبار microtensile العرف هو مناسبة لاختبار عينات ذات أبعاد مماثلة لتحقيق العصبية نموذجي (1،5-8 طويلة مم، 50-500 على نطاق ميكرون، 15-100 ميكرون سميكة ^3،19-21). هي مناسبة أساليب توصيف الميكانيكية الأخرى إما ل، عينات مجمعة أكبر أو عينات النانو. باستخدام أداة الاختبار الميكانيكي للبمقياس رسم مناسب يزيل غير معروف من التدرجية الملكية. وبالإضافة إلى ذلك، اختبار microtensile لديه حق الوصول مفتوحة للعينة تحت الاختبار، مما يتيح التحكم في درجة الحرارة والرطوبة في بيئة الاختبار. علاوة على ذلك، حتى مع مراقبة البيئة، فمن الضروري أن يبدأ اختبار الشد بسرعة بعد إزالة عينة من الأنسجة العصبية. السابقين فيفو عينة التجفيف، وبالتالي تشنج، تم التقليل من هنا باستخدام عينة الاختبار والتصاميم اختبار microtensile التي تسهل السريع (عادة في غضون 120 ثانية) التحميل وبدء الاختبار الميكانيكي. وأخيرا، هذا اختبار microtensile يستوعب العينات التي ليس لديها منصات على كلا الطرفين، وتسهيل استخدام عينات مثل مسبار لاختبار الميكانيكية التي يمكن زرعها في الحيوانات بالطريقة متطابقة كما لتقييم البيولوجية.

إزالة من عينة الاختبار من الأنسجة العصبية يقدم بيئة جديدة، والتي يمكن أن تؤدي إلى تغييرات في السلوك الميكانيكي بعد explantation لأن السلوك المحفزات التي تستجيب للمواد هو عكسها علىالثانية يتصرف يحتمل أن تكون سريعة. عند استخدام هذه الطريقة التي تسيطر عليها بيئيا اختبار الشد لتقييم التغير في السلوك الميكانيكي بعد زرع عينة في الدماغ لفترة معينة من الزمن، وينبغي النظر في التناقضات المحتملة فيما يتعلق بذلك الفعلية معامل يونغ في الجسم الحي. أولا، عن طريق اختبار عينات خارج الحي، هم، بحكم التعريف، وإزالتها من البيئة الفسيولوجية والتعرض للبيئة بديلة. لعينة مع الخواص الميكانيكية تعتمد على الظروف البيئية، وإزالة عينة من البيئة يغير خصائصه الميكانيكية. مقياس الوقت الذي يحدث هذا التغيير يتوقف على أن خصائص المواد، فضلا عن الدرجة التي يتم التحكم في البيئة الخارجية.

هذا النهج لتوصيف وتقدير من السلوك الميكانيكي المحفزات التي تستجيب للهو الانسب للعينات مع ما يشبه الإبرة هندستها، ويبلغ طوله كبير من ذلك بكثيرR من عرض أو سمك الجهاز. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي النظر في صلابة من المواد والسيارات محددة وأقصى قوة لها عند اختيار أبعاد الجهاز. نظرا لمجموعة من الأبعاد عينة، وسوف مادة أكثر جمودا تتطلب أكبر سحب القوة لتطبيق نفس القدر من سلالة كمادة مع معامل أصغر يونغ. تقليل عرض و / أو سمك، أو زيادة طول العينة، وسوف تقلل من كمية القوة المطلوبة لاستطال العينة كمية معينة. عن العادة إعداد اختبار الشد، وpiezomotor خطي لديها قوة السحب القصوى من 6 N، والذي يسمح للعينات مع معامل يونغ من 5 برنامج العمل العالمي ومنطقة مستعرضة تصل إلى 24،000 ميكرومتر ² إلى أن توترت 5٪ دون التوصل إلى الحد الأقصى للسحب قوة المحرك. الخلية الحمل المستخدمة لقياس القوة في اختبار microtensile لديها قرار من أقل من 1 مليون، بحيث أصغر معامل يونغ التي يمكن قياسها في العينات المستخدمة في دراستنا (العرض 300ميكرون، وسمك 100 ميكرون) حوالي 1 ميجا باسكال. هذا الحد الأدنى ويمكن تخفيض إضافي مع استخدام عينات مع أكبر منطقة مستعرضة، ولكن. مؤشر النزوح لديها قرار من 0.5 ميكرون، وهو كاف للمحافظة على مواد مرنة مع سلوك تقتصر على سلالة 0.2٪ (مقابل طول الأولي 3 مم)، وهو أمر من بين حجم أصغر من المنطقة مرنة لPVAc- NC حتى في الحالة الجافة.

واحد على سبيل الحصر، هذا الأسلوب من توصيف فيفو السابقين هو أنه قد لا تكون فعالة بالنسبة للمواد جامدة جدا أو هشة. من الناحية العملية، كما العينة يجب أن يتم تنظيمها بسرعة في اختبار microtensile، وهي مادة هشة معرضة للخطر من كسر أثناء إجراء التركيب. بالإضافة إلى ذلك، عينات مثل شعاع (مع الأبعاد مطابقة تلك من تجاربنا) مع نهاية واحدة انضمت إلى حامل الاكريليك والطرف الآخر حر لا يمكن أن تستخدم لمواد تتجاوز ما يقرب من 2.5 جيغا باسكال باعتبارها القوة المطلوبة لسترافي العينة يفوق قوة من المشابك عقد العينة في المكان، مما أدى إلى انزلاق العينة من خلال المشابك ونتائج غير دقيقة. تم التغلب على هذه المشكلة مع استخدام عينات على شكل dogbone مع منصات على كل نهاية. هذا استخدام هذه الطريقة لقياس وتحليل السلوك في الجسم الحي الميكانيكية مجهرية لا يقتصر على فئة PVAc-NC من المواد. وتشمل التطبيقات المحتملة إضافية رصد معدل تدهور المواد القابلة للتحلل ²² وتوصيف السلوك الميكانيكي للالأنسجة البيولوجية ^23،24، وكذلك توصيف هياكل الميكروسكيل للتطبيقات غير البيولوجية. علاوة على ذلك، يمكن إضافة ضوابط بيئية إضافية (مثل درجة الحموضة، والطول الموجي للضوء المحيط، المجال الكهربائي، المجال المغناطيسي) للمواد التي تستجيب لمحفزات مختلفة ^25،26. واحدة من المزايا الرئيسية لهذا الأسلوب هو تنوعها وتطبيق لكثير من خواص المواد المختلفةLS والتطبيقات.

ليس لدينا شيء في الكشف عنها.

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).