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 à différents taux de chargement. Ces méthodes peuvent être utilisées pour répondre à des questions clés en ingénierie biologique. Par exemple, comment le cerveau se déforme-t-il sous des taux de chargement très élevés, ou comment des maladies telles que la sclérose en plaques ou l'autisme affectent-elles les propriétés mécaniques du tissu cérébral ?

Le principal avantage de ces techniques réside dans l'analyse de matériaux présentant une très faible rigidité et une hydratation très élevée, comme les tissus biologiques : il est possible de réaliser des tests sous une large gamme de conditions de chargement, ainsi que sur une grande variété de volumes matériels, allant jusqu'au niveau d'une seule cellule, et jusqu'à celui d'un cerveau entier. Les conséquences de ces techniques s'étendent à la modélisation de la réponse du cerveau lors d'une lésion, ce qui est essentiel pour concevoir des stratégies de protection. Bien que cette méthode permette d'obtenir des informations sur les propriétés mécaniques du cerveau, elle peut également être appliquée à d'autres tissus biologiques souples, tels que le cœur et le foie.

Lors de la caractérisation mécanique de tissus souples, l'établissement d'un contact approprié entre la sonde de mesure et le tissu est crucial. Charger soigneusement une sonde de microscopie à force atomique (AFM) dotée d'une constante de raideur nominale de 0,03 newtons par mètre et d'une microbille en borosilicate de 20 micromètres de diamètre dans le porte-sonde. Placer une tranche de cerveau montée dans une boîte de Pétri sur un réchauffeur fixé sur la platine AFM, préalablement chauffé à 37 degrés celsius.

Ensuite, ajoutez environ deux millilitres de milieu préalablement réchauffé. Puis, ajoutez soigneusement une goutte de milieu sur la sonde de microscopie à force atomique (AFM) afin de la protéger contre la rupture due à la tension superficielle lorsqu'elle est abaissée dans le milieu entourant la tranche cérébrale. Replacez ensuite la tête de l'AFM sur la platine et commencez à abaisser la tête jusqu'à ce qu'elle soit immergée dans le milieu.

À l’aide du microscope optique, déplacez la platine de manière à ce que la région d’intérêt se trouve sous la sonde AFM étalonnée, puis abaissez la sonde AFM jusqu’au contact avec la surface du tissu. Pour réaliser les expériences de compliance en fluage, créez une fonction de force appliquée dans l’éditeur de fonctions du logiciel. Cette fonction comprend une rampe de 0,1 seconde jusqu’à une consigne de 5 nanonewtons, 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 effectué l'expérience de compliance en fluage, réalisez des expériences de relaxation de force en créant une fonction d'indentation appliquée dans le logiciel. Exécutez cette fonction pendant que le logiciel collecte les données sur la force subie par la sonde AFM lorsqu'elle s'indente dans le tissu.

Pour commencer les essais d'indentation par impact, fixez une sonde sphérique en la faisant glisser sur le pendule à l'aide de pinces. Ensuite, fixez le support en quartz fusionné sur la plaque et vissez la plaque sur le dispositif de translation. Pour permettre des expériences d'impact dynamique sur des tissus cérébraux hydratés, effectuez d'abord l'étalonnage de la cellule liquide.

Accédez au menu Étalonnage dans le logiciel, sélectionnez Cellule liquide et suivez les invites du logiciel pour établir le contact avec l'échantillon de quartz fondu. Ensuite, sélectionnez Normal pour le type d'indenteur et utilisez la valeur par défaut de 0,05 millinewton pour la charge de l'indenteur. Cliquez ensuite sur continuer pour effectuer l'étalonnage de la configuration de l'indenteur normal.

Déplacez maintenant la platine d'échantillonnage de cinq millimètres au moins vers l'arrière et fixez le bras de levier. Répétez l'étalonnage de la cellule liquide dans cette nouvelle configuration en sélectionnant Cellule liquide comme type d'indenteur. Cliquez sur Continuer pour obtenir le facteur d'étalonnage de la cellule liquide.

Ensuite, augmentez l'espacement entre les plaques du condensateur. L'augmentation de l'espacement entre les plaques du condensateur accroîtra la profondeur maximale mesurable, ce qui est nécessaire lors des tests sur des matériaux très souples. À l'aide d'une clé, tournez les trois écrous qui commandent l'espacement des plaques du condensateur dans le sens horaire, par petits incréments.

Après chaque tour complet dans le sens horaire, sélectionnez Réglage de la boîte Bridge dans le menu Maintenance et effectuez un bon test de pendule. Continuez à régler lentement les écrous jusqu'à ce que l'étalonnage de profondeur approximatif indique une valeur de 70 000 nanomètres par volt ou plus.

Ensuite, positionner une nouvelle butée à l'extrémité inférieure du pendule, qui peut être activée et désactivée à l'aide d'une alimentation électrique. Retracter la butée d'origine située derrière le pendule afin d'éliminer tout obstacle potentiel au mouvement du pendule et permettre des vitesses de choc plus élevées ainsi qu'une pénétration plus profonde dans les échantillons souples. Allumer l'alimentation électrique de l'électroaimant et la régler à 10 volts.

Ensuite, accédez au menu Expérience et sélectionnez Impact et Ajustement du Déplacement de l'Impulsion. Suivez les instructions du logiciel pour étalonner la distance d'oscillation du pendule. Une fois la configuration de l'indentation par impact entièrement terminée, aspirez le milieu et séchez la tranche de cerveau.

Ensuite, utilisez une fine couche d'adhésif cyanoacrylate pour fixer le cerveau sectionné sur le support d'échantillon en aluminium. Faites alors glisser la cellule liquide sur le second joint torique du support d'échantillon, et remplissez la cellule liquide avec cinq millilitres de milieu indépendant du dioxyde de carbone afin d'immerger complètement le tissu. Déplacez le bain dans la direction négative de l'axe X jusqu'à ce que l'extrémité du bras de levier soit correctement positionnée au-dessus du bain.

Ensuite, avancer dans le sens positif de l'axe Z 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 du porte-échantillon, établir le contact avec précaution, puis reculer le porte-échantillon d'environ 30 micromètres par rapport à la surface de l'échantillon. Dans le menu Expérience, cliquer sur Impact et configurer une expérience d'impact.

Choisissez une charge d'impulsion spécifique qui sera directement liée à la vitesse de choc résultante, en fonction de l'étalonnage de la distance de balancement. Ensuite, effectuez l'expérience prévue. Lorsque le pendule revient en arrière et que la surface de l'échantillon continue de se déplacer vers le plan de mesure, désactivez l'interrupteur de limite inférieur.

Le déplacement de la sonde en fonction du temps sera enregistré par le logiciel. Fixez du papier de verre sur 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 en l'alignant avec la plaque supérieure. Étalonner le rhéomètre conformément aux instructions du fabricant. Commencez par mettre à zéro la force sur la sonde.

Deuxièmement, établir le contact entre la sonde et la plaque inférieure. Ensuite, mesurer l'inertie de la sonde. Enfin, effectuer un réglage du moteur.

Abaissez ensuite lentement la plaque de mesure. Lorsque la plaque est à moins d’un millimètre du tissu, continuez à l’abaisser par incréments de 0,1 millimètre jusqu’à ce qu’elle soit entièrement en contact avec la surface supérieure du tissu et que la force normale mesurée atteigne la valeur souhaitée. Appliquez un petit volume de milieu sur les bords de l’échantillon afin de maintenir l’hydratation pendant la procédure.

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

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

À l’aide de ces données et de la géométrie du système, on peut calculer les modules de fluage et de relaxation de force pour différentes régions du cerveau. L’indentation par impact mesure les propriétés mécaniques du tissu à des taux élevés de chargement spatialement et temporellement concentrés. Les paramètres de réponse à l’impact peuvent être quantifiés à différentes vitesses de choc, ce qui permet d’étudier les propriétés du tissu dépendantes de la vitesse.

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

Le développement de ces techniques démontrées a ouvert la voie aux chercheurs en matériaux pour concevoir et optimiser des gels synthétiques capables d'imiter la réponse mécanique du cerveau. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment la microscopie à force atomique permettant l'indentation, l'indentation par impact et la rhéologie sont utilisées pour caractériser les propriétés mécaniques viscoélastiques des tissus. Lors de l'interprétation des données recueillies, n'oubliez pas l'hypothèse sous-jacente selon laquelle le volume déformé du tissu est structurellement homogène et élastiquement isotrope.

Cela n'est pas nécessairement vrai pour tous les tissus biologiques. À mesure que vos questions sur la mécanique des tissus biologiques deviennent plus précises, vous pouvez choisir une ou plusieurs de ces expériences mécaniques afin de répondre à la question à l'échelle de longueur ou de temps appropriée.