Caractériser Propriétés Multiscale mécaniques des tissus de cerveau en utilisant la microscopie à force atomique, Impact indentation et Rheometry

Summary

Nous présentons un ensemble de techniques pour caractériser les propriétés mécaniques viscoélastiques du cerveau aux échelles micro, méso et macro.

Abstract

Pour concevoir et ingénieur des matériaux inspirés par les propriétés du cerveau, que ce soit pour les simulants mécaniques ou pour les études de régénération des tissus, les tissus du cerveau lui-même doit être bien caractérisé à différentes échelles de longueur et de temps. Comme beaucoup de tissus biologiques, les tissus du cerveau présente une structure hiérarchique complexe. Cependant, contrairement à la plupart des autres tissus, le cerveau est de très faible rigidité mécanique, avec élastique des modules E de Young de l'ordre de 100s de Pa. Cette faible rigidité peut présenter des défis à la caractérisation expérimentale des propriétés mécaniques clés. Ici, nous démontrons plusieurs techniques de caractérisation mécaniques qui ont été adaptés pour mesurer les propriétés élastiques et viscoélastiques, les matériaux hydratés conformes biologiques tels que les tissus du cerveau, à différentes échelles de longueur et les taux de chargement. Au micrométrique, nous effectuons fluage-conformité et de relaxation de la force des expériences utilisant microscope à force atomique activé indentation. Au mesoscale, nous effectuons des expériences d'indentation d'impact en utilisant un pénétrateur instrumenté basé pendule. À l'échelle macroscopique, nous effectuons des plaques parallèles rhéométrie pour quantifier la fréquence dépendant de modules de cisaillement élastique. Nous discutons également les défis et les limites associées à chaque méthode. Ensemble, ces techniques permettent une caractérisation mécanique en profondeur du tissu cérébral qui peut être utilisé pour mieux comprendre la structure du cerveau et à l'ingénieur des matériaux bio-inspirés.

Introduction

La plupart des tissus mous comprenant des organes biologiques sont mécaniquement et structurellement complexes, de faible rigidité par rapport à l'os minéralisé ou de matériaux d'ingénierie, et présentent une déformation non linéaire et dépendant du temps. Par rapport à d' autres tissus dans le corps, le tissu cérébral est remarquablement compatible avec les modules d' élasticité E de l'ordre de 100s de ¹ Pa. Le tissu cérébral présente hétérogénéité structurelle de gris distincte et interdigitée et les régions de la substance blanche qui diffèrent également fonctionnellement. la mécanique des tissus cérébraux aideront à la comp....

Protocol

Déclaration éthique: Tous les protocoles expérimentaux ont été approuvés par le Comité de recherche animale de l'Hôpital pour enfants de Boston et sont conformes aux National Institutes of Health Guide pour le soin et l'utilisation des animaux de laboratoire.

1. Souris cerveau Procédures d'acquisition de tissus (pour l'indentation de l'AFM-permis et l'impact indentation)

1. Préparer un mélange kétamine / xylazine pour anesthésier les souris. Combiner 5 ml de kétamine (500 mg / ml), 1 ml de xylazine (20 mg / ml) et 7 ml de 0,9% de solution saline.
2. Injecter souris (Race: TSC1; Syn-Cre; plp-eGFP, Âge: p21; Sexe: Mâle ou fem....

Results

La figure 4 montre l' indentation et représentant la force en fonction des temps de réponse (figure 4B, E) pour la compliance de fluage et de relaxation des expériences de force, compte tenu de la force appliquée ou la profondeur de pénétration (figure 4A, D), respectivement. À partir de ces données et de la géométrie du système, la compliance de fluage J _c (t) et la force de relaxation modules G _R.......

Discussion

Chaque technique présentée dans cet article mesure les différentes facettes de propriétés mécaniques des tissus cérébraux. respect Creep et la relaxation des contraintes des modules sont une mesure de propriétés mécaniques en fonction du temps. Le stockage et la perte des modules représentent des propriétés mécaniques taux dépendant. L'impact indentation mesure également les propriétés mécaniques dépendant du débit, mais dans le contexte de la dissipation d'énergie. Lorsque la caractérisation des propriétés méca.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Xylazine	Lloyd Laboratoried		médicament d’ordonnance
Kétamine	AnaSed Injections	médicament d’ordonnance
Vibratome (Microtome à lame vibrante)	Leica	VT1200
Hibernate-A Medium	Gibco	A1247501	CO2-indépendant pour tissu adulte
Microscope à force atomique, MFP-3D-BIO	Asylum	Research-Chauffage
boîte de Petri	Asylum	Research-Sonde
AFM, 0,03 N/m, 10  ; et micro ; sphère borosilicate de rayon m	Novascan	PT. GS
Cell-Tak	Corning	354240	bioadhésif dérivé de moules
Bicarbonate de sodium	Sigma-Aldrich	S5761	d’autres fournisseurs peuvent être utilisés
Hydroxyde de sodium, 1 N	Sigma-Aldrich	59223C	d’autres fournisseurs peuvent être utilisés
Indenteur instrumenté, NanoTest Vantage	Micro Materials Ltd.	-	La pointe de la sonde doit être usinée (poinçon plat en acier, 1  ; mm de diamètre, 4-5  ; NanoTest
Liquid Cell	Micro Materials Ltd.	-
Rhéomètre à plaques parallèles MCR501	Anton-Parr-PP25
;	Anton-Parr-25		mm de diamètre plaque de mesure plate
Papier de verre adhésif	McMaster-Carr	4184A48	d’autres fournisseurs peuvent être utilisés
Loctite 4013 Adhésif instantané	Henkel	20268	d’autres fournisseurs peuvent être utilisés