使用流变仪测量小鼠脑组织的黏弹性特性

摘要

来源：Canovic, E. P., 等. 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)

在本视频中，使用流变仪对脑组织施加受控的振荡旋转运动，以产生剪切应变，并评估组织的黏性和弹性特性。流变仪作为一种功能性工具，可为脑组织在损伤或神经退行性疾病过程中的力学行为提供 insights。

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. 流变学
   1. 根据制造商的说明设置并校准流变仪。
      1. 打开流变仪设备/控制面板以启动仪器。在控制面板选项卡中，点击“initialize”。
      2. 安装直径为25 mm的测量板（PP25）和热系统。
      3. （可选）为减少流变仪平板与组织之间的滑动，可裁剪与顶部流变仪平板形状相匹配的粘性砂纸片，并将砂纸粘附在顶部和底部平板上。
      4. 通过点击控制面板上的“set zero gap”使上板和下板接触。
      5. 通过点击“重置法向力”来校零法向力传感器。
      6. 在控制面板上打开服务选项卡，点击“测量系统”，然后点击“惯性测试”以进行惯性测试。记录新旧惯性值，并根据制造商提供的探头允许限值，确认惯性处于可接受范围内。
2. 将样品装入流变仪中。
   1. 收获组织后，将猪脑切成约 5 mm 厚的冠状切片，并置于冰上保存于 CO2 非依赖性培养基中。
   2. 将脑组织置于两块板之间。清除样品上下表面的大水滴，以防止滑动，但不要将样品弄干。
   3. 缓慢降低测量板，直至其与组织表面完全接触，并在5-10分钟的松弛期后，测得的法向力稳定在0.01 mN。
      1. 在控制面板中，依次在测量位置框内输入较低的高度值，然后点击“测量位置”以缓慢降低测量板。
      2. 当距离组织约1毫米时，以0.1毫米为增量逐步降低测量板，直至测量板完全接触组织上表面。确保在5–10分钟的松弛期后，测得的法向力稳定在0.01 mN。
      3. 记录初始测得的法向力。应在相同的压缩应力/应变条件下重复测量。
   4. 如果样本直径超过培养皿，需使用塑料刀片将其修剪。在样本边缘滴加少量培养基（约1-2 ml），以润湿组织。
   5. （可选）降下加热罩。在控制面板上将温度设置为 37 °C，然后点击“设置”。
3. 进行振幅扫描以确定材料的线性黏弹性范围（即， 发生剪切应变时的 G' 和 G'' 为常数）在所关注的频率范围内（例如， 1 rad/s
   1. 选择“文件/新建”。在凝胶选项卡下，选择“振幅扫描：LVE 范围”。选择窗口并点击“测量 1：振幅扫描”。双击振荡设置框。输入初始和最终应变（例如， 0.01 到 105），频率（例如， 1 弧度/秒），以及每十倍频程的点数（例如， 6 点/十倍频程）。选择“ok”并点击“Start”。
   2. 对多个切片重复此操作，并进行多次试验，以确保线性弹性范围的一致性。样品的轴向压缩应在各样品间保持恒定。
4. 在组织的线性黏弹性应变范围内对组织进行频率扫描例如， 1% 应变），并在感兴趣的频率范围内（例如，0.1-100 rad/sec。
   1. 点击“文件/新建”，在凝胶选项卡下选择“频率扫描”。点击窗口/测量1：频率扫描。双击振荡设置框。输入频率范围（例如，0.1 至 100 rad/sec），应变（例如，1% 应变）以及每十倍频程的点数（例如，6 个点/十倍频程）。选择“ok”，然后单击“Start”以开始频率扫描。
5. 重复频率扫描（步骤 1.4）两到三次。

查看流变仪自动计算并导出的数据：G' 和 G'' 随频率（频率扫描）或剪切应变（振幅扫描）的变化。注意：G' 和 G'' 是根据样品的（最大）响应扭矩振幅 T'0、旋转位移角（或偏转角）φ° 以及样品对施加的振荡应变响应的相位滞后 ϕ 计算得出的（图1）：

其中 R 和 h 分别为样品的半径和高度。

结果

图1．平行板流变仪实验示意图。（A）平行板流变仪实验的示意图及相关振荡剪切应变的定义。（B）随时间变化的典型施加应变与相应应力。剪切储能模量 G' 和剪切损耗模量 G" 通过应变振幅 φ°、扭矩振幅 T'0、相位滞后 ϕ、探针和样品半径 R 以及样品高度 h 计算得出。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
木丁碱	Lloyd Laboratoried		处方药
氯胺酮	AnaSed Injections		处方药
Hibernate-A 培养基	Gibco	A1247501	适用于成体组织的无 CO₂ 神经培养基
平行板流变仪 MCR501	Anton-Parr	-
PP25	Anton-Parr	-	直径 25 mm 的平面测量板
粘性砂纸	McMaster-Carr	4184A48	可使用其他供应商
乐泰 4013 瞬干胶	Henkel	20268	可使用其他供应商