تميز خصائص متعددة النطاقات الميكانيكية للأنسجة المخ عن طريق مجهر القوة الذرية، تأثير المسافة البادئة، وRheometry

الهدف العام من تقنيات التوصيف الميكانيكي هذه هو قياس الخصائص اللزجة المرنة للأنسجة البيولوجية بمقاييس طول ومعدلات تحميل مختلفة. يمكن استخدام هذه الطرق للإجابة على الأسئلة الرئيسية في الهندسة البيولوجية. على سبيل المثال ، كيف يتشوه الدماغ في ظل معدلات عالية جدا من التحميل ، أو كيف تؤثر أمراض مثل التصلب المتعدد أو التوحد على الخصائص الميكانيكية لأنسجة المخ.

الميزة الرئيسية لهذه التقنيات هي بالنسبة للمواد ذات الصلابة المنخفضة جدا والترطيب العالي جدا ، مثل الأنسجة البيولوجية ، يمكنك الاختبار على مجموعة واسعة من ظروف التحميل ، ويمكنك أيضا اختبار مجموعة واسعة من أحجام المواد ، وصولا إلى مستوى خلية واحدة ، وحتى مستوى الدماغ بأكمله. تمتد الآثار المترتبة على هذه التقنيات نحو نمذجة استجابة الدماغ أثناء الإصابة ، وهو أمر مهم لاستراتيجيات الحماية الهندسية. على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر نظرة ثاقبة على الخصائص الميكانيكية للدماغ ، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضا على الأنسجة البيولوجية الأخرى المتوافقة ، مثل القلب والكبد.

أثناء التوصيف الميكانيكي للأنسجة المتوافقة ، يعد إنشاء اتصال مناسب بين مسبار القياس والأنسجة أمرا بالغ الأهمية. قم بتحميل مسبار AFM بعناية بثابت زنبركي اسمي يبلغ 0.03 نيوتن لكل متر وحبة بورسليكات قطرها 20 ميكرومتر في حامل المسبار. ضع شريحة دماغية مثبتة في طبق بتري على سخان AFM مثبت على المسرح تم تسخينه مسبقا إلى 37 درجة مئوية.

ثم أضف حوالي ملليلترين من الوسط الدافئ مسبقا. بعد ذلك ، أضف قطرة من الوسط بعناية إلى مسبار AFM لحمايته من الانكسار بسبب التوتر السطحي عند إنزاله في الوسط المحيط بشريحة الدماغ. ثم أعد وضع رأس AFM على المسرح ، وابدأ في خفض الرأس حتى يتم غمره في الوسط.

باستخدام المجهر البصري ، حرك المسرح بحيث تكون منطقة الاهتمام أسفل مسبار AFM المعاير ، ثم قم بخفض مسبار AFM للتلامس مع سطح الأنسجة. من أجل إجراء تجارب الامتثال للزحف ، قم بإنشاء وظيفة قوة مطبقة في محرر وظائف البرنامج. تتكون الوظيفة من منحدر مدته 0.1 ثانية إلى نقطة محددة تبلغ 5 نانونيوتن والتي يتم الاحتفاظ بها لمدة 20 ثانية متبوعة بمنحدر ثانية واحدة إلى صفر نانونيوتن.

سيقوم البرنامج بتسجيل البيانات المتعلقة بمسافة بادئة لمسبار AFM في الأنسجة أثناء وظيفة القوة المطبقة. بعد تشغيل تجربة الامتثال للزحف ، قم بإجراء تجارب استرخاء القوة عن طريق إنشاء وظيفة مسافة بادئة مطبقة في البرنامج. قم بتشغيل هذه الوظيفة بينما يقوم البرنامج بجمع البيانات حول القوة التي يتعرض لها مسبار AFM أثناء دخوله في الأنسجة.

لبدء اختبارات المسافة البادئة للصدمات ، قم بمطابقة مسبار كروي عن طريق تحريكه على البندول باستخدام الملقط. ثم قم بتوصيل عمود عينة الكوارتز المنصهر على اللوحة وقم بربط اللوحة في مرحلة الترجمة. لتمكين تجارب التأثير الديناميكي على أنسجة المخ الرطبة ، قم أولا بإجراء معايرة الخلايا السائلة.

انتقل إلى قائمة المعايرة في البرنامج ، وحدد Liquid Cell واتبع تعليمات البرنامج للاتصال بعينة الكوارتز المنصهرة. بعد ذلك ، حدد عادي لنوع Indenter ، واستخدم القيمة الافتراضية البالغة 0.05 مللي نيوتن لحمل Indenter. ثم انقر فوق متابعة لإجراء المعايرة لتكوين indenter العادي.

الآن حرك مرحلة العينة للخلف بمقدار خمسة ملليمترات على الأقل وقم بتركيب ذراع الرافعة. كرر معايرة الخلية السائلة في التكوين الجديد عن طريق تحديد Liquid Cell لنوع indenter. انقر فوق متابعة للحصول على عامل معايرة الخلية السائلة.

بعد ذلك ، قم بزيادة تباعد لوحة المكثف. ستؤدي زيادة تباعد لوحة المكثف إلى زيادة الحد الأقصى للعمق القابل للقياس وهو أمر ضروري عند اختبار المواد عالية التوافق. باستخدام مفتاح ربط ، أدر الصواميل الثلاثة التي تتحكم في تباعد لوحة المكثف في اتجاه عقارب الساعة بزيادات صغيرة.

بعد كل دورة كاملة في اتجاه عقارب الساعة، حدد ضبط صندوق الجسر ضمن قائمة الصيانة واحصل على اختبار البندول الجيد. استمر في ضبط الصواميل ببطء حتى تقرأ معايرة العمق التقريبية قيمة 70,000 نانومتر لكل فولت أو أعلى.

ثم ضع نقطة توقف حد جديدة في الجزء السفلي من البندول يمكن تشغيله وإيقاف تشغيله عبر مصدر طاقة. اسحب الحد الأصلي ، وتوقف عن الجلوس خلف البندول لإزالة العائق المحتمل لحركة البندول والسماح بسرعات تأثير أعلى بالإضافة إلى أعماق اختراق أعلى في العينات المتوافقة. قم بتشغيل مصدر الطاقة للملف اللولبي واضبطه على 10 فولت.

بعد ذلك ، انتقل إلى قائمة التجربة وحدد التأثير وضبط الإزاحة الدافعية. اتبع تعليمات البرنامج لمعايرة مسافة تأرجح البندول. عندما يكتمل إعداد المسافة البادئة للتأثير بالكامل ، قم بشفط الوسط وجفف شريحة الدماغ.

ثم استخدم طبقة رقيقة من مادة لاصقة cyanoacrylate لتثبيت الدماغ المقطع في عمود عينة الألومنيوم. ثم حرك الخلية السائلة فوق الحلقة O الثانية على عمود العينة ، واملأ الخلية السائلة بخمسة ملليلتر من الوسط المستقل عن ثاني أكسيد الكربون لغمر الأنسجة بالكامل. حرك الحمام في الاتجاه السالب X حتى يكون الطرف الموجود على ذراع الرافعة موجودا بشكل صحيح فوق الحمام.

بعد ذلك ، تحرك في الاتجاه الموجب Z حتى يتم غمر الطرف بالكامل في الحمام ويكون أمام العينة. باستخدام نافذة التحكم في مرحلة العينة ، قم بإجراء اتصال بعناية ، ثم قم بإعادة المسرح بعيدا عن سطح العينة بحوالي 30 ميكرومتر. ضمن قائمة التجربة، انقر على التأثير وقم بإعداد تجربة تأثير.

اختر حمولة نبضة محددة ترتبط مباشرة بسرعة التأثير الناتجة بناء على معايرة مسافة التأرجح. ثم قم بتشغيل التجربة المجدولة. عندما يتأرجح البندول للخلف ويستمر سطح العينة في التحرك إلى مستوى القياس ، قم بإيقاف تشغيل مفتاح الحد السفلي.

سيتم تسجيل إزاحة المسبار كدالة للوقت بواسطة البرنامج. قم بتوصيل ورق الرمل بمسبار القياس الذي يبلغ قطره 25 ملم. بعد ذلك ، قم بتوصيل النظام الحراري وتركيب المسبار.

أخيرا ، قم بإرفاق قطعة أخرى من ورق الرمل باللوحة السفلية المحاذاة للوحة العلوية. معايرة مقياس الريومتر حسب تعليمات الشركة المصنعة. أولا ، صفر القوة على المسبار.

ثانيا ، قم بإنشاء اتصال بين المسبار واللوحة السفلية. ثم قم بقياس القصور الذاتي للمسبار. أخيرا ، قم بإجراء تعديل المحرك.

ثم اخفض لوحة القياس ببطء. عندما تكون اللوحة في حدود ملليمتر واحد من الأنسجة ، قم بخفضها بزيادات قدرها 0.1 ملم حتى تتلامس اللوحة تماما مع السطح العلوي للأنسجة وتكون القوة الطبيعية المقاسة بالقيمة المطلوبة. ضع كمية صغيرة من الوسط على حواف العينة للحفاظ على الترطيب أثناء العملية.

اخفض غطاء المحرك الحراري. بعد ذلك ، انقر فوق ملف ، جديد ، وضمن علامة التبويب هلام ، حدد مسح التردد. ثم انقر فوق قياس النافذة ، ومسح تردد واحد ، وانقر نقرا مزدوجا فوق مربع التذبذب.

أدخل نطاق التردد والإجهاد وعدد النقاط. أخيرا ، حدد موافق وانقر فوق ابدأ لبدء مسح التردد. فيما يلي المسافة البادئة التمثيلية واستجابات القوة مقابل الوقت لكل من تجارب الامتثال للزحف واسترخاء القوة.

باستخدام هذه البيانات وهندسة النظام ، يمكن حساب امتثال الزحف ووحدات استرخاء القوة لمناطق مختلفة من الدماغ. تقيس المسافة البادئة الصدمية الخواص الميكانيكية للأنسجة بمعدلات عالية من التحميل المركز مكانيا وزمانيا. يمكن قياس معلمات استجابة التأثير الناتجة بسرعات تأثير مختلفة مما يوفر وسيلة لدراسة الخصائص المعتمدة على المعدل للأنسجة.

يقيس الريولوجيا الخصائص اللزجة المرنة المعتمدة على التردد للأنسجة السائبة من حيث وحدات التخزين والفقدان. معامل التخزين أكبر تقريبا من معامل الخسارة عند الترددات المنخفضة ، مما يشير إلى أن الخصائص المرنة تهيمن على سلوك أنسجة المخ. أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم الحفاظ على ترطيب الأنسجة بشكل كاف أو مغمورة في سائل يساعد الأنسجة في الحفاظ على بنيتها الصحيحة.

تطوير هذه التقنيات المثبتة الطريق لباحثي المواد لتصميم مواد هلامية اصطناعية محسنة يمكنها محاكاة الاستجابة الميكانيكية للدماغ. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تمكين مجهر القوة الذرية من المسافة البادئة ، والمسافة البادئة للصدمات ، والريولوجيا لتوصيف الخصائص الميكانيكية اللزجة المرنة للأنسجة. عند تفسير البيانات التي تم جمعها ، تذكر الافتراض الأساسي بأن الحجم المشوه للأنسجة متجانس هيكليا ومنظف مرنة.

هذا ليس صحيحا بالضرورة لجميع الأنسجة البيولوجية. عندما تصبح أسئلتك حول ميكانيكا الأنسجة البيولوجية محددة بشكل أفضل ، يمكنك اختيار واحدة أو أكثر من هذه التجارب الميكانيكية للإجابة على السؤال بمقياس الطول المناسب أو المقياس الزمني المناسب.