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

L’objectif général de ces techniques de caractérisation mécanique est de mesurer les propriétés viscoélastiques des tissus biologiques à différentes échelles de longueur et taux de charge. Ces méthodes peuvent être utilisées pour répondre à des questions clés en génie biologique. Par exemple, comment le cerveau se déforme-t-il sous des taux de charge très élevés, ou comment des maladies comme la sclérose en plaques ou l’autisme affectent-elles les propriétés mécaniques du tissu cérébral.

Le principal avantage de ces techniques est que pour les matériaux de très faible rigidité et d’hydratation très élevée, comme un tissu biologique, vous pouvez tester sur une large gamme de conditions de charge, et vous pouvez également tester sur une large gamme de volumes de matériaux, jusqu’au niveau d’une seule cellule et jusqu’au niveau d’un cerveau entier. Les implications de ces techniques s’étendent à la modélisation de la réponse du cerveau lors d’une lésion, ce qui est important pour l’ingénierie des stratégies de protection. Bien que cette méthode puisse donner un aperçu des propriétés mécaniques du cerveau, elle peut également être appliquée à d’autres tissus biologiques conformes, tels que le cœur et le foie.

Lors de la caractérisation mécanique des tissus conformes, il est crucial d’établir un contact approprié entre la sonde de mesure et le tissu. Chargez avec précaution une sonde AFM avec une constante de ressort nominale de 0,03 newtons par mètre et une perle de borosilicate de 20 micromètres de diamètre dans le support de sonde. Placez une tranche de cerveau montée dans une boîte de Pétri sur un radiateur monté sur la scène AFM qui a été préchauffé à 37 degrés Celsius.

Ajoutez ensuite environ deux millilitres de milieu préchauffé. Ensuite, ajoutez soigneusement une goutte de milieu sur la sonde AFM pour la protéger contre la rupture due à la tension superficielle lorsqu’elle est abaissée dans le milieu entourant la tranche de cerveau. Ensuite, repositionnez la tête AFM sur la platine et commencez à abaisser la tête jusqu’à ce qu’elle soit immergée dans le fluide.

À l’aide du microscope optique, déplacez la platine de manière à ce que la région d’intérêt se trouve sous la sonde AFM calibrée, puis abaissez la sonde AFM pour entrer en contact avec la surface du tissu. Afin de mener les expériences de conformité au fluage, construisez une fonction de force appliquée dans l’éditeur de fonctions du logiciel. La fonction consiste en une rampe de 0,1 seconde jusqu’à un point de consigne de 5 nanonewtons, qui est maintenue pendant 20 secondes, suivie d’une rampe d’une seconde jusqu’à zéro nanonewton.

Le logiciel enregistrera les données sur l’indentation de la sonde AFM dans le tissu pendant la fonction de force appliquée. Après avoir exécuté l’expérience de conformité au fluage, effectuez des expériences de relaxation de force en créant une fonction d’indentation appliquée dans le logiciel. Exécutez cette fonction pendant que le logiciel collecte des données sur la force subie par la sonde AFM lorsqu’elle s’enfonce dans le tissu.

Pour commencer les tests d’indentation par impact, associez une sonde sphérique en la faisant glisser sur le pendule à l’aide d’une pince à épiler. Fixez ensuite le poteau d’échantillonnage en quartz fondu sur la plaque et vissez la plaque dans l’étage de translation. Pour permettre des expériences d’impact dynamique sur des tissus cérébraux hydratés, effectuez d’abord l’étalonnage des cellules liquides.

Allez dans le menu Étalonnage du logiciel, sélectionnez Cellule liquide et suivez les instructions du logiciel pour entrer en contact avec l’échantillon de quartz fondu. Ensuite, sélectionnez Normal pour le type de pénétrateur et utilisez la valeur par défaut de 0,05 millinewton pour la charge du pénétrateur. Cliquez ensuite sur continuer pour effectuer le calibrage pour la configuration normale du pénétrateur.

Reculez maintenant l’étage d’échantillonnage d’au moins cinq millimètres et montez le bras de levier. Répétez l’étalonnage de la cellule liquide dans la nouvelle configuration en sélectionnant Cellule liquide pour le type de pénétrateur. Cliquez sur Continuer pour obtenir le facteur d’étalonnage de la cellule liquide.

Ensuite, augmentez l’espacement des plaques de condensateur. L’augmentation de l’espacement des plaques de condensateur augmentera la profondeur maximale mesurable nécessaire lors des tests de matériaux hautement conformes. À l’aide d’une clé, tournez les trois écrous qui contrôlent l’espacement des plaques du condensateur dans le sens des aiguilles d’une montre par petits incréments.

Après chaque tour complet dans le sens des aiguilles d’une montre, sélectionnez Réglage de la boîte de pont dans le menu Maintenance et obtenez un bon test de pendule. Continuez à ajuster lentement les écrous jusqu’à ce que l’étalonnage de la profondeur approximative indique une valeur de 70 000 nanomètres par volt ou plus.

Positionnez ensuite une nouvelle butée de fin de course au bas du pendule qui peut être activée et désactivée via une alimentation électrique. Rétractez la butée d’origine située derrière le pendule pour éliminer une obstruction potentielle du mouvement du pendule et permettre des vitesses d’impact plus élevées ainsi que des profondeurs de pénétration plus élevées dans les échantillons conformes. Allumez l’alimentation du solénoïde et réglez-la sur 10 volts.

Ensuite, allez dans le menu Expérience et sélectionnez Impact et Ajuster le déplacement d’impulsion. Suivez les instructions du logiciel pour calibrer la distance d’oscillation du pendule. Lorsque la configuration de l’indentation d’impact est entièrement terminée, aspirez le milieu et séchez la tranche de cerveau.

Ensuite, utilisez une fine couche d’adhésif cyanoacrylate pour fixer le cerveau tranché au poteau d’échantillonnage en aluminium. Faites ensuite glisser la cellule liquide sur le deuxième joint torique du poteau d’échantillon et remplissez la cellule liquide avec cinq millilitres de milieu indépendant du dioxyde de carbone pour immerger complètement le tissu. Déplacez le bain dans la direction X négative jusqu’à ce que la pointe du bras de levier soit correctement située au-dessus du bain.

Ensuite, déplacez-vous dans la direction Z positive jusqu’à ce que la pointe soit complètement immergée dans le bain et se trouve devant l’échantillon. À l’aide de la fenêtre de contrôle de l’étage d’échantillonnage, établissez soigneusement le contact, puis éloignez l’étage de la surface de l’échantillon d’environ 30 micromètres. Dans le menu Expérience, cliquez sur Impact et configurez une expérience d’impact.

Choisissez une charge d’impulsion spécifique qui sera directement liée à la vitesse d’impact résultante en fonction de l’étalonnage de la distance d’oscillation. Exécutez ensuite l’expérience planifiée. Lorsque le pendule pivote vers l’arrière et que la surface de l’échantillon continue de se déplacer vers le plan de mesure, désactivez l’interrupteur de fin de course inférieure.

Le déplacement de la sonde en fonction du temps sera enregistré par le logiciel. Fixez du papier de verre à la sonde de mesure de 25 millimètres de diamètre. Ensuite, fixez le système thermique et montez la sonde.

Enfin, fixez un autre morceau de papier de verre sur la plaque inférieure alignée avec la plaque supérieure. Calibrez le rhéomètre selon les instructions du fabricant. Tout d’abord, mettez à zéro la force sur la sonde.

Deuxièmement, établissez un contact entre la sonde et la plaque inférieure. Mesurez ensuite l’inertie de la sonde. Enfin, effectuez un réglage du moteur.

Abaissez ensuite lentement la plaque de mesure. Lorsque la plaque se trouve à moins d’un millimètre du tissu, abaissez-la par incréments de 0,1 millimètre jusqu’à ce que la plaque soit complètement en contact avec la surface supérieure du tissu et que la force normale mesurée soit de la valeur souhaitée. Versez un petit volume de milieu sur les bords de l’échantillon pour maintenir l’hydratation pendant la procédure.

Abaissez le capot thermique. Ensuite, cliquez sur Fichier, Nouveau, et sous l’onglet Gel, sélectionnez Balayage de fréquence. Cliquez ensuite sur la mesure de la fenêtre un balayage de fréquence et double-cliquez sur la boîte d’oscillation.

Entrez la plage de fréquences, la déformation et le nombre de points. Enfin, sélectionnez OK et cliquez sur Démarrer pour lancer le balayage de fréquence. Voici des réponses représentatives d’indentation et de force en fonction du temps pour les expériences de conformité au fluage et de relaxation de la force.

À l’aide de ces données et de la géométrie du système, les modules de compliance au fluage et de relaxation de la force peuvent être calculés pour différentes régions du cerveau. L’indentation par impact mesure les propriétés mécaniques du tissu à des taux élevés de charge concentrée dans l’espace et dans le temps. Les paramètres de réponse à l’impact qui en résultent peuvent être quantifiés à différentes vitesses d’impact, ce qui permet d’étudier les propriétés du tissu en fonction de la vitesse.

La rhéologie mesure les propriétés viscoélastiques dépendantes de la fréquence des tissus en vrac en termes de modules de stockage et de perte. Le module de stockage est presque d’un ordre de grandeur supérieur au module de perte aux basses fréquences, ce qui indique que les propriétés élastiques dominent le comportement du tissu cérébral. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de garder le tissu suffisamment hydraté ou immergé dans un liquide qui aide le tissu à maintenir sa bonne structure.

Le développement de ces techniques démontrées a ouvert la voie aux chercheurs en matériaux pour concevoir des gels synthétiques optimisés capables d’imiter la réponse mécanique du cerveau. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon dont le microscope à force atomique a permis l’indentation, l’indentation par impact et la rhéologie sont utilisés pour caractériser les propriétés mécaniques viscoélastiques des tissus. Lors de l’interprétation des données recueillies, rappelez-vous l’hypothèse sous-jacente selon laquelle le volume déformé du tissu est structurellement homogène et élastiquement isotrope.

Ce n’est pas nécessairement vrai pour tous les tissus biologiques. Au fur et à mesure que vos questions sur la mécanique des tissus biologiques deviennent mieux définies, vous pouvez choisir une ou plusieurs de ces expériences mécaniques pour répondre à la question à l’échelle de longueur ou à l’échelle de temps d’intérêt appropriée.