Name: Charakterisieren Multiskalige Mechanische Eigenschaften von Gehirngewebe mittels Rasterkraftmikroskopie, Schlag Einrückungen und Rheometrie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: Erfahren Sie, wie viskoelastische Eigenschaften von Gehirngewebe mit Rasterkraftmikroskopie, Schlag-Einrückung und Rheometrie charakterisiert werden. Diese Methoden ermöglichen Untersuchungen von Einzelzellen bis zum ganzen Gehirn.

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Wir danken der National Multiple Sclerosis Society und dem Simons Center for the Social Brain für die Unterstützung dieser Arbeit. BQ bedankt sich für die Unterstützung durch das U.S. National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship-Programm.

<ol><li>van Dommelen, J. A. W., Hrapko, M., Peters, G. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+Properties+of+Brain+Tissue%3A+Characterisation+and+Constitutive+Modelling%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanosensitivity+of+the+Nervous+System%22%5BJournal%5D)">Mechanical Properties of Brain Tissue: Characterisation and Constitutive Modelling.</a> Mechanosensitivity of the Nervous System. , 249-281 (2009).</li>
<li>Liu, F., Tschumperlin, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-mechanical+characterization+of+lung+tissue+using+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Micro-mechanical characterization of lung tissue using atomic force microscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (54), e2911(2011).</li>
<li>Peaucelle, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AFM-based+mapping+of+the+elastic+properties+of+cell+walls%3A+at+tissue%2C+cellular%2C+and+subcellular+resolutions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">AFM-based mapping of the elastic properties of cell walls: at tissue, cellular, and subcellular resolutions.</a> Journal of Visualized Experiments. (89), e51317(2014).</li>
<li>Thomas, G., Burnham, N. A., Camesano, T. A., Wen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+mechanical+properties+of+living+cells+using+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Measuring the mechanical properties of living cells using atomic force microscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (76), e50497(2013).</li>
<li>Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. dM., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+relaxation+and+creep+on+living+cells+with+the+atomic+force+microscope%3A+a+means+to+calculate+elastic+moduli+and+viscosities+of+cell+components%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Stress relaxation and creep on living cells with the atomic force microscope: a means to calculate elastic moduli and viscosities of cell components.</a> Nanotechnology. 21, 445101(2010).</li>
<li>Desprat, N., Richert, A., Simeon, J., Asnacios, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creep+function+of+a+single+living+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Creep function of a single living cell.</a> Biophysical Journal. 88 (3), 2224-2233 (2005).</li>
<li>Lu, H., Wang, B., Ma, J., Huang, G., Viswanathan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+creep+compliance+of+solid+polymers+by+nanoindentation%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanics+Time-Dependent+Materials%22%5BJournal%5D)">Measurement of creep compliance of solid polymers by nanoindentation.</a> Mechanics Time-Dependent Materials. 7 (3/4), 189-207 (2003).</li>
<li>Cheng, L., Xia, X., Scriven, L. E., Gerberich, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spherical-tip+indentation+of+viscoelastic+material%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanics+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Spherical-tip indentation of viscoelastic material.</a> Mechanics of Materials. 37, 213-226 (2005).</li>
<li>Kalcioglu, Z., Qu, M., Van Vliet, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiscale+characterization+of+relaxation+times+of+tissue+surrogate+gels+and+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%227th+Army+Science+Conference+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Multiscale characterization of relaxation times of tissue surrogate gels and soft tissues.</a> 7th Army Science Conference Proceedings. , (2010).</li>
<li>Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. D., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+relaxation+microscopy%3A+Imaging+local+stress+in+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Stress relaxation microscopy: Imaging local stress in cells.</a> Journal of Biomechanics. 43 (2), 349-354 (2010).</li>
<li>Kalcioglu, Z. I., Qu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+impact+indentation+of+hydrated+biological+tissues+and+tissue+surrogate+gels%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Magazine%22%5BJournal%5D)">Dynamic impact indentation of hydrated biological tissues and tissue surrogate gels.</a> Philosophical Magazine. 91 (7-9), 1339-1355 (2011).</li>
<li>Kalcioglu, Z. I., Ra Mrozek, R. a, Mahmoodian, R., VanLandingham, M. R., Lenhart, J. L., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+mechanical+behavior+of+synthetic+organogels+as+biofidelic+tissue+simulants%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Tunable mechanical behavior of synthetic organogels as biofidelic tissue simulants.</a> Journal of Biomechanics. 46 (9), 1583-1591 (2013).</li>
<li>Janmey, P. A., Georges, P. C., Hvidt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Basic+rheology+for+biologists%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Cell+Biology%22%5BJournal%5D)">Basic rheology for biologists.</a> Methods in Cell Biology. 83, 3-27 (2007).</li>
<li>Miller, K., Kurtcuoglu, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMiller%2C+K+%22Biomechanics+of+the+Brain%22">Biomechanics of the Brain</a>. , Springer Science & Business Media. (2011).</li>
<li>Lévy, R., Maaloum, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+spring+constant+of+atomic+force+microscope+cantilevers%3A+thermal+fluctuations+and+other+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Measuring the spring constant of atomic force microscope cantilevers: thermal fluctuations and other methods.</a> Nanotechnology. 13 (1), 33-37 (2002).</li>
<li>Fuierer, R. Basic Operation Procedures for the Asylum Research MFP-3D Atomic Force Microscope. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFuierer%2C+R+%22MFP-3D+Procedureal+Operation+%22Manualette%22%22">MFP-3D Procedureal Operation "Manualette"</a>. , Asylum Research. (2006).</li>
<li>Elkin, B. S., Ilankovan, A., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Age-dependent+regional+mechanical+properties+of+the+rat+hippocampus+and+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Age-dependent regional mechanical properties of the rat hippocampus and cortex.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 132, 011010(2010).</li>
<li>Elkin, B. S., Azeloglu, E. U., Costa, K. D., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+heterogeneity+of+the+rat+hippocampus+measured+by+atomic+force+microscope+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Mechanical heterogeneity of the rat hippocampus measured by atomic force microscope indentation.</a> Journal of Neurotrauma. 24 (5), 812-822 (2007).</li>
<li>Lee, E. H., Radok, J. R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Contact+Problem+for+Visooelastic+Bodies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Mechanics%22%5BJournal%5D)">The Contact Problem for Visooelastic Bodies.</a> Journal of Applied Mechanics. 27 (3), 438-444 (1960).</li>
<li>Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+strategies+for+automated+AFM+force+curve+analysis--I.+Non-adhesive+indentation+of+soft%2C+inhomogeneous+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Robust strategies for automated AFM force curve analysis--I. Non-adhesive indentation of soft, inhomogeneous materials.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 129 (3), 430-440 (2007).</li>
<li>Constantinides, G., Kalcioglu, Z. I., McFarland, M., Smith, J. F., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+mechanical+properties+of+fully+hydrated+gels+and+biological+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Probing mechanical properties of fully hydrated gels and biological tissues.</a> Journal of Biomechanics. 41 (15), 3285-3289 (2008).</li>
<li>Shen, F., Tay, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modified+Bilston+Nonlinear+Viscoelastic+Model+for+Finite+Element+Head+Injury+Studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering+--+Transactions+of+the+ASME%22%5BJournal%5D)">Modified Bilston Nonlinear Viscoelastic Model for Finite Element Head Injury Studies.</a> Journal of Biomechanical Engineering -- Transactions of the ASME. 128 (5), 797-801 (2006).</li>
<li>van Dommelen, J. aW., vander Sande, T. P. J., Hrapko, M., Peters, G. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+brain+tissue+by+indentation%3A+Interregional+variation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of brain tissue by indentation: Interregional variation.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 3 (2), 158-166 (2010).</li>
<li>Rother, J., Nöding, H., Mey, I., Janshoff, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+force+microscopy-based+microrheology+reveals+significant+differences+in+the+viscoelastic+response+between+malign+and+benign+cell+lines%5BTitle%5D)+AND+%22Open+biology%22%5BJournal%5D)">Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines.</a> Open biology. 4 (5), 140046(2014).</li>
<li>Du, P., Lu, H., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+Young%27s+Relaxation+Modulus+of+PDMS+Using+Stress+Relaxation+Nanoindentation%5BTitle%5D)+AND+%22Symposium+DD+-+Microelectromechanical+Systems+-+Materials+and+Devices+III%22%5BJournal%5D)">Measuring the Young's Relaxation Modulus of PDMS Using Stress Relaxation Nanoindentation.</a> Symposium DD - Microelectromechanical Systems - Materials and Devices III. 1222 (c), (2009).</li>
<li>Elkin, B. S., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+the+P17+and+adult+rat+brain+from+indentation+in+the+coronal+plane%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of the P17 and adult rat brain from indentation in the coronal plane.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135, 114507(2013).</li>
<li>Brands, D. W., Bovendeerd, P. H., Peters, G. W., Wismans, J. S., Paas, M. H., van Bree, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+dynamic+behavior+of+brain+tissue+and+two+model+materials%5BTitle%5D)+AND+%2243rd+Stapp+Car+Crash+Conference+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Comparison of the dynamic behavior of brain tissue and two model materials.</a> 43rd Stapp Car Crash Conference Proceedings. , 313-320 (1999).</li>
<li>Hrapko, M., van Dommelen, J. A. W., Peters, G. W. M., Wismans, J. S. H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterisation+of+the+mechanical+behaviour+of+brain+tissue+in+compression+and+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Biorheology%22%5BJournal%5D)">Characterisation of the mechanical behaviour of brain tissue in compression and shear.</a> Biorheology. 45 (6), 663-676 (2008).</li>
<li>Pogoda, K., Chin, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compression+stiffening+of+brain+and+its+effect+on+mechanosensing+by+glioma+cells%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Compression stiffening of brain and its effect on mechanosensing by glioma cells.</a> New Journal of Physics. 16 (7), 075002(2014).</li>
<li>Peters, G. W. M., Meulman, J. H., Sauren, A. A. H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+applicability+of+the+time%2Ftemperature+superposition+principle+to+brain+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Biorheology%22%5BJournal%5D)">The applicability of the time/temperature superposition principle to brain tissue.</a> Biorheology. 34 (2), 127-138 (1997).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

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...

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 unterstützen die Antwort des Gehirns während Verletzungen zu imitieren, Vorhersage mechanischer Beschädigung zu erleichtern, und das Engineering von Schutzstrategien ermöglichen. Zusätzlich können solche Informationen verwendet werden Entwurfsziele für die Geweberegeneration zu betrachten und zu einer besseren strukturellen Veränderungen im Hirngewebe zu verstehen, die mit Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Autismus assoziiert sind. Here, wir beschreiben und verschiedene experimentelle Ansätze zeigen, dass die viskoelastischen Eigenschaften von mechanisch nachgiebigen Gewebe einschließlich Hirngewebe, auf der Mikro-, Meso- und Makroskalen zur Verfügung stehen zu charakterisieren. Am mikroskaligen führten wir Kriechen-Compliance und Relaxationsexperimente Kraft mit Rasterkraftmikroskop (AFM) -fähigen Einzug. Typischerweise wird AFM-fähige Vertiefung verwendet , um den Elastizitätsmodul (oder momentane Steifigkeit) zur Abschätzung einer Probe 2-4. Jedoch kann das gleiche Instrument auch zur Messung mikroskaligen viskoelastischen (zeit- oder geschwindigkeitsabhängig) Eigenschaften 5-10 verwendet werden. Das Prinzip dieser Experimente, die in 1 gezeigt, ist eine AFM - auskragenden Sonde in das Gehirngewebe einrücken, eine festgelegte Größe der Kraft oder Eindringtiefe, zu pflegen und die entsprechenden Änderungen in Eindringtiefe und Kraft messen, die jeweils über die Zeit. Mit Hilfe dieser Daten können wir die Kriechen comp berechnenliance J C und Entspannungsmodul G R. Am mesoskaliger führten wir Einfluss Einzug Experimente in Flüssigkeit getauchten Bedingungen, die die Gewebestruktur und Hydratationsniveaus, mit einem Pendel-basierten instrumentierten Nanoindentor halten. Der Versuchsaufbau ist in Figur 2 veranschaulicht. Da das Pendel mit dem Gewebe in Kontakt tritt, Sondenverdrängung als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird , bis die oszillierende Pendel im Gewebe zur Ruhe kommt. Aus der resultierenden gedämpften harmonischen Schwingungsbewegung der Sonde kann man die maximale Eindringtiefe x max, Energiedissipation Kapazität K und Verlustqualitätsfaktor Q des Gewebes 11,12 (die der Rate der Energieabgabe bezieht) berechnen. Im makroskopischen verwendeten wir eine parallele Platte-Rheometer der frequenzabhängigen Scherelastizitätsmoduln zu quantifizieren,der Speichermodul G bezeichnet &#39;und Verlustmodul G &quot;des Gewebes. In dieser Art von Rheometrie wenden wir einen harmonischen Winkelspannung (und Scherbeanspruchung entspricht) mit bekannten Amplituden und Frequenzen und messen die Reaktions - Drehmoment (und eine entsprechende Scherspannung) , wie in Abbildung 3 dargestellt. aus der resultierenden Amplitude und Phasenverzögerung des gemessenen Drehmoments und geometrischen Variablen des Systems, können wir G &#39;und G &quot;bei angelegten Frequenzen von Interesse 13,14 berechnen.

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

charakterisieren multiskalige mechanische eigenschaften von gehirngewebe mittels rasterkraftmikroskopie, schlag einrückungen und rheometrie

Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry

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&#39;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.

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)</stron...

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

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

To design and engineer materials inspired by the properties of the brain, whether for mechanical simulants or for tissue regeneration studies, the brain ...

Das übergeordnete Ziel dieser mechanischen Charakterisierungstechniken besteht darin, die viskoelastischen Eigenschaften biologischen Gewebes auf unterschiedlichen Längenskalen und bei verschiedenen Belastungsraten zu messen. Mithilfe dieser Methoden lassen sich zentrale Fragen der biologischen Ingenieurwissenschaft beantworten. Beispielsweise, wie sich das Gehirn unter sehr hohen Belastungsraten verformt, oder wie Krankheiten wie Multiple Sklerose oder Autismus die mechanischen Eigenschaften des Gehirngewebes beeinflussen.Der Hauptvorteil dieser Techniken liegt bei Materialien mit sehr geringer Steifigkeit und sehr hoher Hydratation, wie biologischem Gewebe, darin, dass sie über einen weiten Bereich von Belastungsbedingungen getestet werden können, und außerdem über einen weiten Bereich von Materialvolumina, von der Ebene einer einzelnen Zelle bis hin zur Ebene eines gesamten Gehirns. Die Bedeutung dieser Techniken erstreckt sich auf die Modellierung der Reaktion des Gehirns bei Verletzungen, was für die Entwicklung schützender Strategien wichtig ist. Obwohl diese Methode Einblicke in die mechanischen Eigenschaften des Gehirns ermöglicht, kann sie auch auf andere weiche biologische Gewebe, wie Herz und Leber, angewendet werden.Bei der mechanischen Charakterisierung weicher Gewebe ist die Herstellung eines geeigneten Kontakts zwischen der Messsonde und dem Gewebe entscheidend. Laden Sie vorsichtig eine AFM-Sonde mit einer nominalen Federkonstante von 0,03 Newton pro Meter und einer Borosilikat-Kugel mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern in den Sondenhalter ein. Platzieren Sie eine im Petrischale montierte Gehirnschnittprobe auf einer am AFM-Stage befestigten Heizung, die zuvor auf 37 Grad Celsius vorgewärmt wurde.Danach etwa zwei Milliliter vorgewärmtes Medium hinzufügen. Als Nächstes vorsichtig einen Tropfen Medium auf die AFM-Sonde geben, um sie vor dem Brechen durch Oberflächenspannung zu schützen, wenn sie in das Medium um den Gehirnschnitt abgesenkt wird. Danach den AFM-Kopf wieder auf den Objekttisch setzen und langsam absenken, bis er im Medium eingetaucht ist.Verwenden Sie das optische Mikroskop, um den Probentisch so zu bewegen, dass sich der interessierende Bereich unterhalb der kalibrierten AFM-Sonde befindet, und senken Sie anschließend die AFM-Sonde ab, bis sie Kontakt mit der Gewebeoberfläche herstellt. Um Kriechverformungsversuche durchzuführen, erstellen Sie im Funktionseditor der Software eine angelegte Kraftfunktion. Die Funktion besteht aus einer 0,1 Sekunden dauernden Rampe auf einen Sollwert von 5 Nanonewton, der 20 Sekunden lang gehalten wird, gefolgt von einer einsekündigen Rampe zurück auf null Nanonewton.Die Software zeichnet Daten über die Eindringtiefe der AFM-Sonde in das Gewebe während der angelegten Kraftfunktion auf. Führen Sie nach Durchführung des Kriechverformungsversuchs Spannungsrelaxationsversuche durch, indem Sie im Softwareprogramm eine angelegte Eindringfunktion erstellen. Führen Sie diese Funktion aus, während die Software Daten über die Kraft erfasst, die auf die AFM-Sonde wirkt, während sie in das Gewebe eindringt.Um die Eindruckversuche zu beginnen, bringen Sie eine kugelförmige Sonde mithilfe einer Pinzette am Pendel an. Befestigen Sie anschließend den geschmolzenen Quarz-Probenhalter auf der Platte und schrauben Sie die Platte in die Translationsstufe ein. Um dynamische Stoßversuche an hydratisiertem Hirngewebe durchführen zu können, führen Sie zunächst die Kalibrierung der Flüssigzelle durch.Gehen Sie im Softwaremenü zur Kalibrierung, wählen Sie Flüssigzelle aus und folgen Sie den Anweisungen der Software, um Kontakt mit der Schmelzquarzprobe herzustellen. Wählen Sie anschließend „Normal“ für den Eindringertyp und verwenden Sie den voreingestellten Wert von 0,05 Millinewton für die Eindringerkraft. Klicken Sie dann auf „Weiter“, um die Kalibrierung für die normale Eindringerkonfiguration durchzuführen.Bewegen Sie nun den Probenhalter um mindestens fünf Millimeter zurück und montieren Sie den Hebelarm. Wiederholen Sie die Kalibrierung der Flüssigzelle in der neuen Konfiguration, indem Sie Flüssigzelle als Eindringkörpertyp auswählen. Klicken Sie auf Weiter, um den Kalibrierfaktor für die Flüssigzelle zu erhalten.Als Nächstes erhöhen Sie den Abstand zwischen den Kondensatorplatten. Die Erhöhung des Abstands zwischen den Kondensatorplatten vergrößert die maximal messbare Tiefe, was notwendig ist, wenn hochelastische Materialien getestet werden. Drehen Sie mit einem Schraubenschlüssel die drei Muttern, die den Abstand zwischen den Kondensatorplatten steuern, in kleinen Schritten im Uhrzeigersinn.Nach jeder vollständigen Drehung im Uhrzeigersinn wählen Sie unter dem Menü „Wartung“ die Option „Brückenbox-Anpassung“ aus und führen einen geeigneten Pendeltest durch. Passen Sie die Muttern weiterhin langsam an, bis die Kalibrierung der ungefähren Tiefe einen Wert von 70.000 Nanometern pro Volt oder höher anzeigt.Danach einen neuen Anschlag am unteren Ende des Pendels positionieren, der über eine Stromversorgung ein- und ausgeschaltet werden kann. Den ursprünglichen Anschlag hinter dem Pendel zurückfahren, um eine mögliche Behinderung der Pendelbewegung zu vermeiden und höhere Aufprallgeschwindigkeiten sowie größere Eindringtiefen in deformierbare Proben zu ermöglichen. Die Stromversorgung für das Magnetventil einschalten und auf 10 Volt einstellen.Nun wechseln Sie zum Menü „Experiment“ und wählen Sie „Impact and Adjust Impulse Displacement“. Befolgen Sie die Softwareanweisungen, um den Schwenkweg des Pendels zu kalibrieren. Sobald die Einrichtung der Impulseindrückung vollständig abgeschlossen ist, saugen Sie das Medium ab und trocknen den Gehirnschnitt.Verwenden Sie dann eine dünne Schicht aus Cyanoacrylat-Klebstoff, um das geschnittene Gehirn an der Aluminium-Probenhalterung zu befestigen. Schieben Sie anschließend die Flüssigzelle über den zweiten O-Ring an der Probenhalterung und füllen Sie die Flüssigzelle mit fünf Millilitern kohlendioxidunabhängigem Medium, um das Gewebe vollständig zu umgeben. Bewegen Sie das Bad in negativer X-Richtung, bis die Spitze am Hebelarm korrekt über dem Bad positioniert ist.Bewegen Sie sich anschließend in positive Z-Richtung, bis die Spitze vollständig in das Bad eingetaucht ist und sich vor der Probe befindet. Stellen Sie mithilfe des Fensters „Sample Stage Control“ vorsichtig Kontakt her und ziehen Sie den Stößel dann um etwa 30 Mikrometer von der Probenoberfläche zurück. Wählen Sie im Menü „Experiment“ die Option „Impact“ und richten Sie ein Stoßexperiment ein.Wählen Sie eine bestimmte Impulsbelastung, die direkt mit der sich ergebenden Aufprallgeschwindigkeit aufgrund der Schwenkweg-Kalibrierung verknüpft ist. Führen Sie dann den geplanten Versuch durch. Wenn das Pendel zurückpendelt und die Probenoberfläche weiter in die Messposition bewegt wird, schalten Sie den unteren Grenzschalter aus.Die Verschiebung der Sonde als Funktion der Zeit wird von der Software aufgezeichnet. Befestigen Sie Schleifpapier an der Messsonde mit 25 Millimeter Durchmesser. Befestigen Sie anschließend das thermische System und montieren Sie die Sonde.Befestigen Sie abschließend ein weiteres Stück Schleifpapier an der unteren Platte, ausgerichtet mit der oberen Platte. Kalibrieren Sie das Rheometer gemäß den Anweisungen des Herstellers. Nullen Sie zunächst die Kraft auf dem Messfühler.Zweitens stellen Sie den Kontakt zwischen der Sonde und der unteren Platte her. Dann messen Sie die Trägheit der Sonde. Schließlich führen Sie eine Motoreinstellung durch.Senken Sie dann die Messplatte langsam ab. Wenn sich die Platte einen Millimeter über dem Gewebe befindet, senken Sie sie in 0,1-Millimeter-Schritten ab, bis die Platte vollständig mit der Oberfläche des Gewebes in Kontakt steht und die gemessene Normalkraft den gewünschten Wert erreicht hat. Geben Sie eine kleine Menge Medium an den Rändern der Probe ab, um die Hydratation während des Verfahrens aufrechtzuerhalten.Senken Sie die Wärmehaube ab. Klicken Sie anschließend auf Datei, Neu und wählen Sie unter dem Reiter Gel die Frequenzsweep-Funktion aus. Klicken Sie dann auf die Fenstermessung eines Frequenzsweeps und doppelklicken Sie auf das Oszillationsfeld.Geben Sie den Frequenzbereich, die Dehnung und die Anzahl der Punkte ein. Wählen Sie abschließend OK aus und klicken Sie auf Start, um den Frequenzsweep zu starten. Hier sind repräsentative Eindrückungs- und Kraft-Zeit-Antworten sowohl für Kriechverformungs- als auch für Spannungsrelaxationsversuche dargestellt.Mithilfe dieser Daten und der Geometrie des Systems können die Kriechflugfähigkeit und die Kraftrelaxationsmodule für verschiedene Bereiche des Gehirns berechnet werden. Die Impakt-Eindringprüfung misst die mechanischen Eigenschaften des Gewebes bei hohen Raten räumlich und zeitlich konzentrierter Belastung. Die resultierenden Parameter der Impaktantwort können bei verschiedenen Impaktgeschwindigkeiten quantifiziert werden, was eine Untersuchung der geschwindigkeitsabhängigen Eigenschaften des Gewebes ermöglicht.Die Rheologie misst die frequenzabhängigen viskoelastischen Eigenschaften von Gewebe im Makroskop in Form des Speicher- und Verlustmoduls. Der Speichermodul ist bei niedrigen Frequenzen um nahezu eine Größenordnung größer als der Verlustmodul, was darauf hinweist, dass die elastischen Eigenschaften das Verhalten des Gehirngewebes dominieren. Während des Durchführens dieses Verfahrens ist es wichtig, das Gewebe ausreichend hydratisiert zu halten oder in einer Flüssigkeit zu lagern, die dem Gewebe hilft, seine korrekte Struktur beizubehalten.Die Entwicklung dieser demonstrierten Techniken hat Materialforschern den Weg geebnet, synthetische Gele zu entwerfen und zu optimieren, die die mechanische Antwort des Gehirns nachahmen können. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die mit dem Rasterkraftmikroskop unterstützte Eindringprüfung, die Schlag-Eindringprüfung und die Rheologie verwendet werden, um die viskoelastischen mechanischen Eigenschaften von Gewebe zu charakterisieren. Wenn Sie die gesammelten Daten interpretieren, denken Sie daran, dass die zugrunde liegende Annahme gilt, dass das verformte Volumen des Gewebes strukturell homogen und elastisch isotrop ist.Dies gilt nicht zwangsläufig für alle biologischen Gewebe. Wenn Ihre Fragen zur Mechanik biologischer Gewebe präziser werden, können Sie ein oder mehrere dieser mechanischen Experimente auswählen, um die Frage auf der jeweils geeigneten Längen- oder Zeitskala zu beantworten.

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Charakterisieren Multiskalige Mechanische Eigenschaften von Gehirngewebe mittels Rasterkraftmikroskopie, Schlag Einrückungen und Rheometrie (Video) | JoVE Journal

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

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