La caracterización de propiedades mecánicas Multiescala de tejido cerebral mediante microscopía de fuerza atómica, Impacto sangría, y Rheometría

Summary

Presentamos un conjunto de técnicas para caracterizar las propiedades mecánicas viscoelásticas del cerebro a escala micro, meso y macro.

Abstract

Diseñar e ingeniero de materiales inspirados en las propiedades del cerebro, ya sea para los simuladores mecánicos o para estudios de regeneración de tejidos, el tejido cerebral en sí debe estar bien caracterizado en diversas escalas de tiempo y longitud. Como muchos tejidos biológicos, el tejido cerebral presenta una estructura compleja, jerárquica. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los otros tejidos, el cerebro es de muy baja rigidez mecánica, con módulos de elasticidad E de Young del orden de 100s de Pa. Esta baja rigidez puede presentar desafíos para la caracterización experimental de las propiedades mecánicas clave. Aquí, demostramos varias técnicas de caracterización mecánica que han sido adaptados para medir las propiedades elásticas y viscoelásticas de materiales hidratados, que cumplen biológicos tales como el tejido cerebral, a diferentes escalas de longitud y velocidades de carga. En la microescala, llevamos a cabo experimentos de fluencia de incumplimiento y de relajación utilizando la fuerza de fuerza atómica hendidura microscopio habilitado. En los mesoscale, realizamos experimentos de impacto de indentación usando un indentador instrumentado a base de péndulo. En la macroescala, llevamos a cabo reometría de placas paralelas para cuantificar la función de la frecuencia de cizalla módulos elásticos. También se discuten los desafíos y las limitaciones asociadas con cada método. En conjunto, estas técnicas permiten una caracterización mecánica en profundidad del tejido cerebral que se puede utilizar para comprender mejor la estructura del cerebro y al ingeniero de materiales bio-inspirados.

Introduction

La mayoría-tejidos blandos que comprenden órganos biológicos son mecánicamente y estructuralmente compleja, de baja rigidez en comparación con el hueso mineralizado o materiales de ingeniería, y muestran la deformación no lineal y dependiente del tiempo. En comparación con otros tejidos en el cuerpo, el tejido cerebral es muy compatible, con módulos de elasticidad E del orden de 100s de ¹ Pa. El tejido cerebral exhibe heterogeneidad estructural con gris distinta y interdigitados y las regiones de la materia blanca que también difieren funcionalmente. mecánica de tejido cerebral entendimiento ayudar en el diseño de materiales y modelos computaciona....

Protocol

Declaración de Ética: Todos los protocolos experimentales fueron aprobados por el Comité de Investigación Animal del Hospital Infantil de Boston y cumplen con los Institutos Nacionales de Salud de Guía para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio.

1. Los procedimientos de adquisición de cerebro de ratón tisular (AFM para el sangrado habilitado y la sangría de impacto)

1. Preparar una mezcla de ketamina / xilazina para anestesiar a los ratones. Combinar 5 ml de ketamina (500 mg / ml), 1 ml de xilazina (20 mg / ml) y 7 ml de 0,9% de solución salina.
2. Inyectar ratón (Raza: TSC1; Syn-Cre; PLP-eGFP; Edad: p21; Sexo: Mascul....

Results

La figura 4 muestra la sangría representativa y la fuerza frente a respuestas de tiempo (Figura 4 B, E) para el cumplimiento de la fluencia y la fuerza de relajación experimentos, dada una fuerza aplicada o profundidad de la deformación (Figura 4 A, D), respectivamente. El uso de estos datos y de la geometría del sistema, la deformación por fluencia J _c (t) y fuerza de relajación módulos G _R (t) se.......

Discussion

Cada técnica presentada en este documento mide diferentes facetas de las propiedades mecánicas del tejido cerebral. deformación por fluencia y el estrés módulos de relajación son una medida de las propiedades mecánicas dependientes del tiempo. Los módulos de almacenamiento y pérdida de propiedades mecánicas representan dependiente de la frecuencia. indentación Impact también mide propiedades mecánicas dependiente de la frecuencia, pero en el contexto de la disipación de energía. En la caracterización de las propiedades .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Xylazine	Lloyd Laboratoried		droga de prescripción
Ketamina	AnaSed Inyecciones de		prescripción
droga Vibratome (micrótomo de cuchilla vibratoria)	Leica	VT1200
Hibernate-A Medium	Gibco	A1247501	CO2-independent neural medium para tejido adulto
Microscopio de fuerza atómica, MFP-3D-BIO	Asylum	Research-Calentador
plato de Petri	Asylum	Research-AFM
0.03 N / m, 10  y micro; Esfera de borosilicato de radio m	Novascan	PT. GS
Hidróxido de sodio, 1 N	Sigma-Aldrich	59223C	pueden utilizar proveedores alternativos
Indenter instrumentado, NanoTest Vantage	Micro Materials Ltd.	-	La punta de la sonda debe mecanizarse (punzón plano de acero, 1  mm de diámetro, 4-5  mm de longitud)
NanoTest Liquid Cell	Micro Materials Ltd.	-
Reómetro de placa paralela MCR501	Anton-Parr-PP25
	Anton-Parr-Placa	de	medición plana de 25 mm de diámetro
Papel de lija adhesivo	McMaster-Carr	4184A48	se pueden utilizar proveedores
alternativos Loctite 4013 Adhesivo instantáneo	Henkel	20268	se pueden utilizar proveedores alternativos