Charakterisieren Multiskalige Mechanische Eigenschaften von Gehirngewebe mittels Rasterkraftmikroskopie, Schlag Einrückungen und Rheometrie

Summary

Wir präsentieren eine Reihe von Techniken zur Charakterisierung der viskoelastischen mechanischen Eigenschaften des Gehirns auf der Mikro-, Meso- und Makroskala.

Abstract

Zu entwerfen und Ingenieur Materialien durch die Eigenschaften des Gehirns inspiriert, ob für mechanische simulants oder für die Geweberegeneration Studien sich das Hirngewebe gut sein müssen an verschiedenen Längen- und Zeitskalen charakterisiert. Wie viele biologische Gewebe weist Hirngewebe eine komplexe, hierarchische Struktur. Jedoch im Gegensatz zu den meisten anderen Geweben ist Gehirn sehr geringe mechanische Steifigkeit, mit Young'schen Elastizitätsmoduln E in der Größenordnung von 100 s von Pa. Diese geringe Steifigkeit Herausforderungen experimentellen Charakterisierung von Schlüssel mechanischen Eigenschaften darstellen kann. Hier zeigen wir einige mechanische Charakterisierung Techniken, die angepasst wurden, um die elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von hydriertem, konformen biologischen Materialien wie Hirngewebe zu messen, auf unterschiedlichen Längenskalen und Beladungsraten. Am mikroskaligen führen wir Kriechen-Compliance und Kraft Entspannung Experimente mit Rasterkraftmikroskop-fähigen Einzug. An den MesosCale, führen wir Experimente Auswirkungen Vertiefung ein Pendel-basierte instrumentierten Eindringkörper verwendet wird. Am makroskaligen führen wir Parallelplattenrheometrie die frequenzabhängigen Scherelastizitätsmodul zu quantifizieren. Wir diskutieren auch die Herausforderungen und Einschränkungen bei den einzelnen Methoden verbunden. Zusammen ermöglichen diese Techniken eine gründliche mechanische Charakterisierung von Hirngewebe, das besser genutzt werden kann, um die Struktur des Gehirns zu verstehen und bio-inspirierte Materialien zu konstruieren.

Introduction

Die meisten Weichteile biologische Organe umfassen, sind mechanisch und strukturell komplexen, von geringer Steifigkeit im Vergleich zu mineralisiertem Knochen oder technischen Materialien und weisen eine nichtlineare und zeitabhängige Verformung. Im Vergleich zu anderen Geweben im Körper, ist bemerkenswert Hirngewebe kompatibel ist , mit Elastizitätsmoduln E in der Größenordnung von 100 s von ¹ Pa. Das Hirngewebe zeigt strukturelle Heterogenität mit deutlichen und ineinandergreifenden grauen und weißen Substanz Regionen, die auch funktional unterscheiden. Verständnis Hirngewebe Mechanik wird in der Konstruktion von Materialien und Rechenmodelle u....

Protocol

Ethik-Statement: Alle Versuchsprotokolle, die vom Animal Research Committee von Boston Kinderkrankenhaus und im Einklang mit den National Institutes of Health Guide für die Pflege und Verwendung von Labortieren genehmigt.

1. Maus Gehirngewebe Acquisition Verfahren (für AFM-fähigen Vertiefung und Auswirkungen Vertiefung)

1. Bereiten Sie eine Ketamin / Xylazin-Mischung die Mäuse zu betäuben. Kombinieren 5 ml Ketamin (500 mg / ml), 1 ml Xylazin (20 mg / ml) und 7 ml einer 0,9% igen Kochsalzlösung.
2. Injizieren Maus (Rasse: TSC1; Syn-Cre; PLP-eGFP; Alter: p21, Geschlecht: männlich oder weiblich) mit 7 ul pro Gramm Körpergewich....

Results

Abbildung 4 zeigt repräsentative Vertiefung und Kraft gegenüber der Zeit Antworten (4B, E) für Kriechcompliance und Relaxationsexperimente zwingen, da eine angelegte Kraft oder Eindringtiefe (4A, D) sind. Unter Verwendung dieser Daten und der Geometrie des Systems, die Kriechnachgiebigkeit J _c (t) und Entspannungs Moduli Kraft G _R (t) für unterschiedliche Regionen des Gehirns (4C, F)

Discussion

Jede Technik, die in diesem Papier misst verschiedene Facetten der mechanischen Eigenschaften des Hirngewebes. Kriechnachgiebigkeit und Spannungsrelaxation Moduli sind ein Maß für zeitabhängige mechanische Eigenschaften. Die Speicher- und Verlustmodul repräsentieren geschwindigkeitsabhängigen mechanischen Eigenschaften. Schlag Einbuchtung misst auch geschwindigkeitsabhängigen mechanischen Eigenschaften, sondern im Rahmen der Energiedissipation. Wenn Gewebe mechanische Eigenschaften zu charakterisieren, sowohl AFM-fähige.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Xylazine	Lloyd Laboratoried		Verschreibungsmedikament
Ketamin	AnaSed Injektionen	Verschreibungsmedikament
Vibratome (vibrierendes Klingenmikrotom)	Leica	VT1200
Hibernate-A Medium	Gibco	A1247501	CO2unabhängiges neuronales Medium für adultes Gewebe
Rasterkraftmikroskop, MFP-3D-BIO		Asylforschung-Petrischale-Heizung
		Asylforschung-AFM-Sonde
, 0.03 N/m, 10  &Mikro; Borosilikatkugel mit m Radius	Novascan	PT.
Cell-Tak	Corning	354240	bioadhäsives
Natriumbicarbonat	Sigma-Aldrich	S5761	alternative Lieferanten können verwendet werden
Natriumhydroxid, 1 N	Sigma-Aldrich	59223C	alternative Lieferanten können verwendet werden
Instrumentierter Eindringkörper, NanoTest Vantage	Micro Materials Ltd.	-	Sondenspitze muss bearbeitet werden (Flachstempel aus Stahl, 1  mm Durchmesser, 4-5  mm Länge)
NanoTest Liquid Cell	Micro Materials Ltd.	-
Parallelplatten-Rheometer MCR501	Anton-Parr-PP25
	Anton-Parr-25		mm Durchmesser flache Messplatte
Selbstklebendes Schleifpapier	McMaster-Carr	4184A48	alternative Lieferanten können verwendet werden
Loctite 4013 Sekundenkleber	Henkel	20268	alternative Lieferanten können verwendet werden