利用压痕法评估小鼠脑组织的力学特性

摘要

来源：Canovic, E. P., et. al., 利用原子力显微镜、冲击压痕和流变学表征脑组织的多尺度力学特性。J. Vis. Exp. (2016)

该视频展示了利用压痕测试测量水合小鼠脑组织的机械性能，包括刚度、能量耗散和阻尼，通过分析探针的位移和速度来实现。

方案

所有涉及动物样本的操作均已经过适当的动物伦理审查委员会审核并批准。

1. 冲击压痕
   1. 根据制造商的说明，校准仪器化纳米压痕仪并调整默认设置，以在水合脑组织上进行动态冲击实验。
      1. 使用镊子将球形探针滑动安装到摆臂上。
      2. 将熔融石英样品用胶粘在样品柱上，该样品柱已旋入平移台中。
      3. 进入“校准”菜单，选择“液体池”，并按照软件提示与熔融石英样品接触。
      4. 选择“法向”作为压头类型，并使用0.05 mN的默认压头载荷值。点击“继续”以完成法向压头配置的校准。
      5. 将样品台向后移动至少5 mm。安装杠杆臂，使探针可降入液体池中，并在新配置下再次选择“液体池”作为压头类型，重复液体池校准。点击“继续”以获得液体池校准因子。
      6. 进入“实验”菜单并选择“特殊选项”，激活液体池软件功能。使用最新的校准值。
      7. 增大电容器极板间距，以获得更大的最大可测深度，这在测试高顺应性材料时是必要的。
         1. 在“系统”菜单下，选择“非保护设置”和“机器参数”，将摆臂测试载荷速率、零载荷速率和待机斜坡偏移分别设置为0.5 mN/sec、0.1 mN/sec和3 V。
         2. 使用扳手将控制电容器极板间距的三个螺母顺时针小幅旋转。
         3. 每次完整顺时针旋转后，在“维护”菜单下选择“桥箱调节”，并进行一次良好的摆臂测试，这可能需要将配重远离摆臂移动。
         4. 重复步骤1.1.7.2–1.1.7.3，直到近似深度校准读数达到70,000 nm/V或更高。
      8. 在摆臂底部安装一个新的限位挡块，该挡块可通过电源开关控制启停。将位于摆臂后方的原始限位挡块缩回，以消除对摆臂运动的潜在阻碍，从而允许更高的冲击速度以及在软样品中实现更大的穿透深度。
      9. 让仪器机柜达到热平衡（约需1小时）。
      10. 在机柜平衡期间，返回“系统”菜单并选择“非保护设置”和“机器参数”。将深度校准（dcal）接触速度设为1 µm/sec，主压痕接触速度设为3 µm/sec，超低载荷接触速度设为1 µm/sec。
      11. 在“校准”菜单下，对此新配置执行标准深度校准。
      12. 打开电磁铁电源并设置为10 V。进入“实验”菜单，选择“冲击”和“调整冲量位移”。按照软件提示（自动提示）校准摆臂的摆动距离。
2. 将小鼠脑组织安装在液体池中。
   1. 取出完整脑组织后，立即将其储存在冰上的成年神经组织专用的CO₂-非依赖性营养培养基中。
   2. 当冲击压痕装置完全准备就绪后，小心地将脑组织连同CO₂-非依赖性培养基一起转移至培养皿中。将脑组织切成厚度为6 mm、两侧表面平整的切片。
   3. 使用一层薄薄的氰基丙烯酸酯胶将切片组织粘附在铝制样品柱上。
   4. 将液体池滑过样品柱上的第二个O型圈，并向液体池中加入5 ml CO₂-非依赖性培养基，使组织完全浸没。然后将该样品柱小心地安装到仪器化纳米压痕仪内部的平移台上。
3. 测量脑组织的冲击响应。
   1. 如有必要，在不拆除杠杆臂的情况下，取下球形探针并更换为所需探针。
   2. 在“系统”菜单下，选择“非保护设置”和“机器参数”。将主冲击接触速度更改为5 µm/sec。
   3. 当样品浴处于低位（-z方向）且远离摆臂（+x方向）时，沿-x方向移动，直至杠杆臂尖端正确定位于浴槽上方。沿+z方向移动，直至尖端完全浸入浴液并位于样品前方。
   4. 通过样品台控制窗口小心接触样品表面，然后将样品台从样品表面后退约30 µm。
   5. 在“实验”菜单下，点击“冲击”以设置冲击实验。选择一个特定的冲量载荷，该载荷将根据摆动距离校准直接对应于最终的冲击速度。运行设定的实验。
   6. 当摆臂回摆且样品表面继续移向测量平面时，关闭底部限位挡块开关。
   7. 观察摆臂向前摆动以冲击样品的过程。软件将记录探针位移随时间的变化。
   8. 当xyz台窗口出现时，重新打开限位挡块开关。
   9. 重复步骤3.4–3.8，以测试所需数量的不同载荷和位置。
4. 使用定制的MATLAB脚本分析所获取的摆臂位移-时间响应，以确定最大穿透深度xmax、能量耗散能力K和耗散品质因子Q。
   1. 进入“分析”菜单，将数据导出为文本文件。
   2. 对位移曲线求时间导数，得到速度随时间的变化。将零位移定义为接触点xo1。
      注意：冲击速度vin是接触前瞬间的最大速度。xmax对应于探针速度首次降至零时的变形量。xo2（等同于xr）是下一周期中重新与变形样品接触所需的位置。回弹速度vout是位移为xr时的速度。
   3. 将K（无量纲）定义为样品耗散的能量与第一冲击周期中恢复和耗散能量之和的比值。基于摆臂的固有特性（如旋转刚度和阻尼系数）、xo1、xmax、xr、vin和vout计算K。
   4. 由于位移可描述为阻尼谐振振荡运动，因此将指数衰减函数拟合到位移-时间曲线的峰值上。
   5. 将Q（无量纲）计算为π乘以振幅衰减至原值1/e所需经历的周期数。Q值越高，表示能量耗散率越低。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Hibernate-A 培养基	Gibco	A1247501	适用于成体组织的二氧化碳非依赖型神经培养基
Cell-Tak	Corning	354240	源自贻贝的生物粘附剂
带仪器压痕仪，NanoTest Vantage	Micro Materials Ltd.		探针头需加工（钢制平冲头，直径 1 mm，长度 4–5 mm）
NanoTest 液体池	Micro Materials Ltd.