אפיון תכונות מכאניות Multiscale של רקמת המוח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, שפעת זחה, ו Rheometry

המטרה הכוללת של טכניקות אפיון מכניות אלו היא למדוד את התכונות הויסקו-אלסטיות של רקמה ביולוגית בקנה מידה שונה באורך ובקצבי העמסה שונים. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי לענות על שאלות מפתח בהנדסה ביולוגית. לדוגמה, כיצד המוח מתעוות תחת שיעורי עומס גבוהים מאוד, או כיצד מחלות כמו טרשת נפוצה או אוטיזם משפיעות על התכונות המכניות של רקמת המוח.

היתרון העיקרי של הטכניקות הללו הוא שעבור חומרים בעלי קשיחות נמוכה מאוד ולחות גבוהה מאוד, כמו רקמה ביולוגית, ניתן לבדוק על פני מגוון רחב של תנאי העמסה, וניתן לבדוק גם על פני מגוון רחב של נפחי חומר, עד לרמה של תא בודד, ועד לרמה של מוח שלם. ההשלכות של טכניקות אלה, משתרעות לכיוון מידול של תגובת המוח במהלך פציעה, החשובה להנדסת אסטרטגיות הגנה. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובנה לגבי תכונות מכניות של המוח, ניתן ליישם אותה גם על רקמות ביולוגיות תואמות אחרות, כגון לב וכבד.

במהלך האפיון המכני של רקמות תואמות, יצירת מגע מתאים בין בדיקת המדידה לרקמה היא קריטית. טען בזהירות בדיקת AFM עם קבוע קפיץ נומינלי של 0.03 ניוטון למטר וחרוז בורוסיליקט בקוטר 20 מיקרומטר לתוך מחזיק הבדיקה. הנח פרוסת מוח המותקנת בצלחת פטרי על תנור חימום המותקן על במת AFM שחומם מראש ל-37 מעלות צלזיוס.

לאחר מכן מוסיפים כשני מיליליטר של מדיום מחומם מראש. לאחר מכן, הוסף בזהירות טיפת מדיום על בדיקת ה-AFM כדי להגן עליה מפני שבירה עקב מתח פנים כאשר היא מורידה לתוך המדיום המקיף את פרוסת המוח. לאחר מכן מקם מחדש את ראש ה-AFM על הבמה, והתחל להוריד את הראש עד שהוא שקוע במדיום.

בעזרת המיקרוסקופ האופטי, הזז את השלב כך שאזור העניין יהיה מתחת לבדיקת ה-AFM המכוילת, ולאחר מכן הורד את בדיקת ה-AFM כדי ליצור מגע עם פני הרקמה. על מנת לבצע את ניסויי תאימות הזחילה, בנה פונקציית כוח מופעל בעורך הפונקציות של התוכנה. הפונקציה מורכבת מרמפה של 0.1 שניות לנקודת הגדרה של 5 ננו-ניוטון המוחזקת למשך 20 שניות ואחריה רמפה של שנייה אחת עד לאפס ננו-ניוטון.

התוכנה תרשום נתונים על הכניסה של בדיקת ה-AFM לרקמה במהלך פונקציית הכוח המופעל. לאחר הפעלת ניסוי תאימות הזחילה, ערוך ניסויי הרפיית כוח על ידי יצירת פונקציית הזחה יישומית בתוכנה. הפעל פונקציה זו בזמן שהתוכנה אוספת נתונים על הכוח שחווה בדיקת AFM כשהיא נכנסת לתוך הרקמה.

כדי להתחיל בבדיקות כניסת השפעה, התאם בדיקה כדורית על ידי החלקתה על המטוטלת באמצעות פינצטה. לאחר מכן חבר את הקוורץ הממוזג ampעמוד על הצלחת והברג את הצלחת לשלב התרגום. כדי לאפשר ניסויי השפעה דינמיים על רקמות מוח מיובשות, בצע תחילה את כיול התאים הנוזליים.

עבור אל כיול בתפריט בתוכנה, בחר תא נוזלי ופעל לפי הנחיות התוכנה כדי ליצור קשר עם הקוורץ הממוזגtagamp. לאחר מכן, בחר רגיל עבור סוג Indenter, והשתמש בערך ברירת המחדל של 0.05 מילי-ניוטון עבור Indenter Load. לאחר מכן לחץ על המשך כדי לבצע את הכיול עבור תצורת הכניסה הרגילה.

כעת הזז את שלב הדגימה לאחור בחמישה מילימטרים לפחות והתקן את זרוע המנוף. חזור על כיול התא הנוזלי בתצורה החדשה על-ידי בחירה באפשרות תא נוזלי עבור סוג הכניסה הפנימית. לחץ על המשך כדי לקבל את גורם הכיול של תא הנוזל.

לאחר מכן, הגדל את מרווח לוחית הקבלים. הגדלת מרווח לוחות הקבלים תגדיל את העומק המרבי הניתן למדידה הדרוש בעת בדיקת חומרים תואמים ביותר. בעזרת מפתח ברגים, סובב את שלושת האומים השולטים במרווח לוחית הקבל בכיוון השעון במרווחים קטנים.

לאחר כל סיבוב מלא בכיוון השעון, בחר התאמת תיבת גשר תחת תפריט תחזוקה וקבל בדיקת מטוטלת טובה. המשך לכוונן לאט את האומים עד שכיול העומק המשוער קורא ערך של 70, 000 ננומטר לוולט ומעלה.

לאחר מכן מקם עצירת גבול חדשה בתחתית המטוטלת הניתנת להפעלה וכיבוי באמצעות ספק כוח. החזר את עצירת הגבול המקורית היושבת מאחורי המטוטלת כדי להסיר חסימה פוטנציאלית של תנועת המטוטלת ולאפשר מהירויות פגיעה גבוהות יותר כמו גם עומק חדירה גבוה יותר לדגימות תואמות. הפעל את ספק הכוח לסולנואיד והגדר אותו ל -10 וולט.

לאחר מכן, עבור לתפריט ניסוי ובחר השפעה והתאם תזוזה של דחף. עקוב אחר הוראות התוכנה כדי לכייל את מרחק הנדנדה של המטוטלת. כאשר הגדרת כניסת ההשפעה הושלמה במלואה, שאפו את המדיום וייבשו את פרוסת המוח.

לאחר מכן השתמש בשכבה דקה של דבק ציאנואקרילט כדי להדק את המוח הפרוס לעמוד דגימת האלומיניום. לאחר מכן החלק את התא הנוזלי מעל טבעת ה-O השנייה בעמוד הדגימה, ומלא את התא הנוזלי בחמישה מיליליטר של מדיום שאינו תלוי בפחמן דו חמצני כדי לטבול את הרקמה במלואה. הזז את האמבטיה בכיוון X השלילי עד שהקצה על זרוע הידית ממוקם כראוי מעל האמבטיה.

לאחר מכן, זז בכיוון Z החיובי עד שהקצה שקוע במלואו באמבטיה ונמצא מול הדגימה. באמצעות חלון בקרת ה-Sample Stage, צור קשר בזהירות ולאחר מכן החזר את ה-stage הרחק ממשטח הדגימה בכ-30 מיקרומטר. בתפריט ניסוי, לחץ על השפעה והגדר ניסוי השפעה.

בחר עומס דחף ספציפי שיתייחס ישירות למהירות הפגיעה המתקבלת בהתבסס על כיול מרחק הנדנדה. ואז להריץ את הניסוי המתוכנן. כאשר המטוטלת מתנדנדת לאחור ומשטח הדגימה ממשיך לנוע למישור המדידה, כבה את מתג הגבול התחתון.

תזוזה של הגשושית כפונקציה של זמן תירשם על ידי התוכנה. חבר נייר חול לבדיקת המדידה בקוטר 25 מילימטר. לאחר מכן, חבר את המערכת התרמית והרכיב את הגשושית.

לבסוף, חבר פיסת נייר חול נוספת לצלחת התחתונה המיושרת עם הצלחת העליונה. כייל את הריאומטר לפי הוראות היצרן. ראשית, אפס את הכוח על הגשושית.

שנית, צור מגע בין הגשושית לצלחת התחתונה. לאחר מכן מדוד את האינרציה של הגשושית. לבסוף, בצע התאמה מוטורית.

לאחר מכן הורד לאט את לוחית המדידה. כאשר הצלחת נמצאת בטווח של מילימטר מהרקמה, הורד אותה במרווחים של 0.1 מילימטר עד שהצלחת נמצאת במגע מלא עם המשטח העליון של הרקמה והכוח הנורמלי הנמדד הוא בעל הערך הרצוי. צנרת נפח קטן של מדיום בשולי הדגימה כדי לשמור על לחות במהלך ההליך.

הורד את מכסה המנוע התרמי. לאחר מכן, לחץ על קובץ, חדש, ותחת הכרטיסיה ג'ל בחר ניקוי תדירות. לאחר מכן לחץ על מדידת חלון טאטא תדר אחד ולחץ פעמיים על תיבת התנודה.

הזן את טווח התדירות, המתח ומספר הנקודות. לבסוף, בחר אישור ולחץ על התחל כדי להתחיל את סריקת התדרים. להלן תגובות כניסה וכוח מול זמן מייצגות הן לתאימות לזחילה והן לניסויי הרפיית כוח.

באמצעות נתונים אלה והגיאומטריה של המערכת, ניתן לחשב את מודולי תאימות הזחילה והרפיית הכוח עבור אזורים שונים במוח. כניסת השפעה מודדת את התכונות המכניות של הרקמה בשיעורים גבוהים של העמסה מרוכזת מרחבית וזמנית. ניתן לכמת את פרמטרי תגובת ההשפעה המתקבלים במהירויות השפעה שונות, מה שמספק אמצעי לחקור את המאפיינים תלויי הקצב של הרקמה.

ריאולוגיה מודדת את התכונות הויסקו-אלסטיות התלויות בתדר של רקמות בתפזורת במונחים של מודולי האחסון והאובדן. מודול האחסון גדול כמעט בסדר גודל ממודול האובדן בתדרים נמוכים, מה שמצביע על כך שתכונות אלסטיות שולטות בהתנהגות רקמת המוח. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לשמור על לחות מספקת של הרקמה או שקועה בנוזל המסייע לרקמה לשמור על המבנה התקין שלה.

פיתוח הטכניקות המודגמות הללו סלל את הדרך לחוקרי חומרים לתכנן ג'לים סינתטיים אופטימליים שיכולים לחקות את התגובה המכנית של המוח. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד מיקרוסקופ כוח אטומי איפשר כניסה, כניסת פגיעה וריאולוגיה משמשים לאפיון התכונות המכניות הויסקו-אלסטיות של הרקמה. בעת פירוש הנתונים שנאספו, זכור את ההנחה הבסיסית שהנפח המעוות של הרקמה הוא הומוגני מבחינה מבנית ואיזוטרופי אלסטית.

זה לא בהכרח נכון לגבי כל הרקמות הביולוגיות. ככל שהשאלות שלך על מכניקה של רקמות ביולוגיות מוגדרות טוב יותר, אתה יכול לבחור אחד או יותר מהניסויים המכניים הללו כדי לענות על השאלה בסולם האורך או בסולם הזמן המתאים לעניין.