Name: אפיון תכונות מכאניות Multiscale של רקמת המוח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, שפעת זחה, ו Rheometry (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: חקור אפיון תכונות מכאניות ויסקואלסטיות של רקמת מוח בקנה מידה רב-סקאלי באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, שפעת זחה וריאומטריה. שיטות אלו מאפשרות למדוד תכונות מכאניות בתנאי עומס שונים ולהבין כיצד מחלות משפיעות על מכניקת המוח.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

אנו מודים על תמיכתם בעבודה זו על ידי האגודה הלאומית לטרשת נפוצה ומרכז סימונס למוח החברתי. BQ מודה על התמיכה מתוכנית המלגות לתואר שני במדע והנדסה של ההגנה הלאומית של ארה"ב.

<ol><li>van Dommelen, J. A. W., Hrapko, M., Peters, G. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+Properties+of+Brain+Tissue%3A+Characterisation+and+Constitutive+Modelling%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanosensitivity+of+the+Nervous+System%22%5BJournal%5D)">Mechanical Properties of Brain Tissue: Characterisation and Constitutive Modelling.</a> Mechanosensitivity of the Nervous System. , 249-281 (2009).</li>
<li>Liu, F., Tschumperlin, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-mechanical+characterization+of+lung+tissue+using+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Micro-mechanical characterization of lung tissue using atomic force microscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (54), e2911(2011).</li>
<li>Peaucelle, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AFM-based+mapping+of+the+elastic+properties+of+cell+walls%3A+at+tissue%2C+cellular%2C+and+subcellular+resolutions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">AFM-based mapping of the elastic properties of cell walls: at tissue, cellular, and subcellular resolutions.</a> Journal of Visualized Experiments. (89), e51317(2014).</li>
<li>Thomas, G., Burnham, N. A., Camesano, T. A., Wen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+mechanical+properties+of+living+cells+using+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Visualized+Experiments%22%5BJournal%5D)">Measuring the mechanical properties of living cells using atomic force microscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (76), e50497(2013).</li>
<li>Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. dM., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+relaxation+and+creep+on+living+cells+with+the+atomic+force+microscope%3A+a+means+to+calculate+elastic+moduli+and+viscosities+of+cell+components%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Stress relaxation and creep on living cells with the atomic force microscope: a means to calculate elastic moduli and viscosities of cell components.</a> Nanotechnology. 21, 445101(2010).</li>
<li>Desprat, N., Richert, A., Simeon, J., Asnacios, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Creep+function+of+a+single+living+cell%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Creep function of a single living cell.</a> Biophysical Journal. 88 (3), 2224-2233 (2005).</li>
<li>Lu, H., Wang, B., Ma, J., Huang, G., Viswanathan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+creep+compliance+of+solid+polymers+by+nanoindentation%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanics+Time-Dependent+Materials%22%5BJournal%5D)">Measurement of creep compliance of solid polymers by nanoindentation.</a> Mechanics Time-Dependent Materials. 7 (3/4), 189-207 (2003).</li>
<li>Cheng, L., Xia, X., Scriven, L. E., Gerberich, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spherical-tip+indentation+of+viscoelastic+material%5BTitle%5D)+AND+%22Mechanics+of+Materials%22%5BJournal%5D)">Spherical-tip indentation of viscoelastic material.</a> Mechanics of Materials. 37, 213-226 (2005).</li>
<li>Kalcioglu, Z., Qu, M., Van Vliet, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiscale+characterization+of+relaxation+times+of+tissue+surrogate+gels+and+soft+tissues%5BTitle%5D)+AND+%227th+Army+Science+Conference+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Multiscale characterization of relaxation times of tissue surrogate gels and soft tissues.</a> 7th Army Science Conference Proceedings. , (2010).</li>
<li>Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. D., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress+relaxation+microscopy%3A+Imaging+local+stress+in+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Stress relaxation microscopy: Imaging local stress in cells.</a> Journal of Biomechanics. 43 (2), 349-354 (2010).</li>
<li>Kalcioglu, Z. I., Qu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+impact+indentation+of+hydrated+biological+tissues+and+tissue+surrogate+gels%5BTitle%5D)+AND+%22Philosophical+Magazine%22%5BJournal%5D)">Dynamic impact indentation of hydrated biological tissues and tissue surrogate gels.</a> Philosophical Magazine. 91 (7-9), 1339-1355 (2011).</li>
<li>Kalcioglu, Z. I., Ra Mrozek, R. a, Mahmoodian, R., VanLandingham, M. R., Lenhart, J. L., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+mechanical+behavior+of+synthetic+organogels+as+biofidelic+tissue+simulants%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Tunable mechanical behavior of synthetic organogels as biofidelic tissue simulants.</a> Journal of Biomechanics. 46 (9), 1583-1591 (2013).</li>
<li>Janmey, P. A., Georges, P. C., Hvidt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Basic+rheology+for+biologists%5BTitle%5D)+AND+%22Methods+in+Cell+Biology%22%5BJournal%5D)">Basic rheology for biologists.</a> Methods in Cell Biology. 83, 3-27 (2007).</li>
<li>Miller, K., Kurtcuoglu, V. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMiller%2C+K+%22Biomechanics+of+the+Brain%22">Biomechanics of the Brain</a>. , Springer Science & Business Media. (2011).</li>
<li>Lévy, R., Maaloum, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+spring+constant+of+atomic+force+microscope+cantilevers%3A+thermal+fluctuations+and+other+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Measuring the spring constant of atomic force microscope cantilevers: thermal fluctuations and other methods.</a> Nanotechnology. 13 (1), 33-37 (2002).</li>
<li>Fuierer, R. Basic Operation Procedures for the Asylum Research MFP-3D Atomic Force Microscope. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFuierer%2C+R+%22MFP-3D+Procedureal+Operation+%22Manualette%22%22">MFP-3D Procedureal Operation "Manualette"</a>. , Asylum Research. (2006).</li>
<li>Elkin, B. S., Ilankovan, A., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Age-dependent+regional+mechanical+properties+of+the+rat+hippocampus+and+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Age-dependent regional mechanical properties of the rat hippocampus and cortex.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 132, 011010(2010).</li>
<li>Elkin, B. S., Azeloglu, E. U., Costa, K. D., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+heterogeneity+of+the+rat+hippocampus+measured+by+atomic+force+microscope+indentation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurotrauma%22%5BJournal%5D)">Mechanical heterogeneity of the rat hippocampus measured by atomic force microscope indentation.</a> Journal of Neurotrauma. 24 (5), 812-822 (2007).</li>
<li>Lee, E. H., Radok, J. R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Contact+Problem+for+Visooelastic+Bodies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Applied+Mechanics%22%5BJournal%5D)">The Contact Problem for Visooelastic Bodies.</a> Journal of Applied Mechanics. 27 (3), 438-444 (1960).</li>
<li>Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Robust+strategies+for+automated+AFM+force+curve+analysis--I.+Non-adhesive+indentation+of+soft%2C+inhomogeneous+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Robust strategies for automated AFM force curve analysis--I. Non-adhesive indentation of soft, inhomogeneous materials.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 129 (3), 430-440 (2007).</li>
<li>Constantinides, G., Kalcioglu, Z. I., McFarland, M., Smith, J. F., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+mechanical+properties+of+fully+hydrated+gels+and+biological+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Probing mechanical properties of fully hydrated gels and biological tissues.</a> Journal of Biomechanics. 41 (15), 3285-3289 (2008).</li>
<li>Shen, F., Tay, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modified+Bilston+Nonlinear+Viscoelastic+Model+for+Finite+Element+Head+Injury+Studies%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering+--+Transactions+of+the+ASME%22%5BJournal%5D)">Modified Bilston Nonlinear Viscoelastic Model for Finite Element Head Injury Studies.</a> Journal of Biomechanical Engineering -- Transactions of the ASME. 128 (5), 797-801 (2006).</li>
<li>van Dommelen, J. aW., vander Sande, T. P. J., Hrapko, M., Peters, G. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+properties+of+brain+tissue+by+indentation%3A+Interregional+variation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Mechanical+Behavior+of+Biomedical+Materials%22%5BJournal%5D)">Mechanical properties of brain tissue by indentation: Interregional variation.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 3 (2), 158-166 (2010).</li>
<li>Rother, J., Nöding, H., Mey, I., Janshoff, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+force+microscopy-based+microrheology+reveals+significant+differences+in+the+viscoelastic+response+between+malign+and+benign+cell+lines%5BTitle%5D)+AND+%22Open+biology%22%5BJournal%5D)">Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines.</a> Open biology. 4 (5), 140046(2014).</li>
<li>Du, P., Lu, H., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measuring+the+Young%27s+Relaxation+Modulus+of+PDMS+Using+Stress+Relaxation+Nanoindentation%5BTitle%5D)+AND+%22Symposium+DD+-+Microelectromechanical+Systems+-+Materials+and+Devices+III%22%5BJournal%5D)">Measuring the Young's Relaxation Modulus of PDMS Using Stress Relaxation Nanoindentation.</a> Symposium DD - Microelectromechanical Systems - Materials and Devices III. 1222 (c), (2009).</li>
<li>Elkin, B. S., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+the+P17+and+adult+rat+brain+from+indentation+in+the+coronal+plane%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of the P17 and adult rat brain from indentation in the coronal plane.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135, 114507(2013).</li>
<li>Brands, D. W., Bovendeerd, P. H., Peters, G. W., Wismans, J. S., Paas, M. H., van Bree, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+the+dynamic+behavior+of+brain+tissue+and+two+model+materials%5BTitle%5D)+AND+%2243rd+Stapp+Car+Crash+Conference+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Comparison of the dynamic behavior of brain tissue and two model materials.</a> 43rd Stapp Car Crash Conference Proceedings. , 313-320 (1999).</li>
<li>Hrapko, M., van Dommelen, J. A. W., Peters, G. W. M., Wismans, J. S. H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterisation+of+the+mechanical+behaviour+of+brain+tissue+in+compression+and+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Biorheology%22%5BJournal%5D)">Characterisation of the mechanical behaviour of brain tissue in compression and shear.</a> Biorheology. 45 (6), 663-676 (2008).</li>
<li>Pogoda, K., Chin, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compression+stiffening+of+brain+and+its+effect+on+mechanosensing+by+glioma+cells%5BTitle%5D)+AND+%22New+Journal+of+Physics%22%5BJournal%5D)">Compression stiffening of brain and its effect on mechanosensing by glioma cells.</a> New Journal of Physics. 16 (7), 075002(2014).</li>
<li>Peters, G. W. M., Meulman, J. H., Sauren, A. A. H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+applicability+of+the+time%2Ftemperature+superposition+principle+to+brain+tissue%5BTitle%5D)+AND+%22Biorheology%22%5BJournal%5D)">The applicability of the time/temperature superposition principle to brain tissue.</a> Biorheology. 34 (2), 127-138 (1997).</li>
</ol>

למחברים אין מה לחשוף.

טכניקה כל המוצג במאמר זה מודד היבטים שונים של תכונות מכניות של המוח רקמות. תאימות זחילה ו moduli הרפית המתח הם מידה של תכונות מכאניות תלוי זמן. Moduli האחסון והאובדן מייצג תכונות מכאניות תלוי שיעור. כניסת שפעת גם מודדת תכונות מכאניות תלוי מקום, אבל בהקשר של פיזור אנרגיה. כאשר ואפיון תכונות מכניות רקמות, הן הזחה AFM מאופשר ו rheology משמשים שיטות נפוצות. כניסת AFM מאופשר חשובה מאוד מכיוון בנוסף לספק תכונות חומר תלוי זמן, פרמטרים ניסיוניים שונים ניתן להשתמש כדי למדוד תא מודולוס אלסט...

רוב הרכות-רקמות המרכיבות איברים ביולוגיים הן מכאניות מבני מורכב, של קשיחות נמוכה לעומת עצם mineralized או חומרים מהונדסים, ולהציג שאינו ליניארי תלוי זמן עיוות. בהשוואה לרקמות אחרות בגוף, רקמת המוח הוא תואם להפליא, עם E moduli אלסטי על סדר 100s של אבא 1. מוח רקמות מפגין ההטרוגניות מבנית עם אפור ברור interdigitated ואזורי חומר לבנים כי גם נבדלים מבחינה תפקודית. מכניקת רקמת מוח הבנה תסייע בעיצוב של חומרי מודלים חישוביים לחקות את התגובה של המוח במהלך פציעה, להקל חיזוי של ניזק מכאני, ולאפשר הנדסה של אסטרטגיות הגנה. בנוסף, ניתן להשתמש במידע זה כדי לשקול מטרות עיצוב לשחזור רקמות, וכדי להבין טוב יותר שינויים מבניים ברקמת מוח הקשורים למחלות כמו טרשת נפוצה ואוטיזם. Here, אנו מתארים ולהפגין כמה גישות ניסיוניות הזמינים לאפיין את מאפייני viscoelastic של רקמות תואמות מכאני כולל רקמת המוח, על מייקרו, meso-, ו-קשקשי מאקרו. באותו microscale, ערכנו שרץ-ציות ולאלץ ניסויי הרפיה באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) זחה שבהם מופעלת. בדרך כלל, כניסת מאופשר AFM משמשת להעריך את מודולוס האלסטיות (או נוקשות מיידיות) של מדגם 2-4. עם זאת, אותו המכשיר יכול לשמש גם כדי למדוד viscoelastic microscale (הזמן- או שיעור תלוי) נכסי 5-10. העיקרון של ניסויים אלה, שמוצגים באיור 1, הוא להגביה AFM משתלח בדיקה לתוך רקמת המוח, לשמור על גודל שצוין בכוח או עומק הזחה, ולמדוד את השינויים המתאימים לעומק הפנמת כוח, בהתאמה, לאורך זמן. בעזרת נתונים אלה, אנו יכולים לחשב את השרץ compliance J C מודולוס הרפיה G R, בהתאמה. באותו mesoscale, ערכנו ניסויים זחים השפעה בתנאים שקוע נוזל כי לשמור על המבנה רקמת ורמות לחות, באמצעות nanoindenter instrumented מבוסס מטוטלת. הגדרת הניסוי מתוארת באיור 2. כפי מטוטלת נדנדות במגע עם הרקמות, לחקור עקירה נרשמת כפונקציה של זמן עד מטוטלת הנדנוד מגיעה לנוח בתוך הרקמה. מתוך תנועה תנודתית הרמוני דיכא וכתוצאה מכך של החללית, נוכל לחשב את מקסימום x עומק החדירה המקסימלי, K קיבולת בזבוז אנרגיה, ו- Q גורם פיזור איכות (המתייחס לשיעור בזבוז אנרגיה) של הרקמה 11,12. באותו macroscale, השתמשנו rheometer צלחת במקביל לכמת את moduli אלסטי תלויה בתדירות גזירה,כינת מודולוס מודולוס G &#39;ואובדן האחסון G &quot;, של הרקמה. בסוג זה של rheometry, אנחנו מיישמים זן זוויתי הרמוני (מקביל זן גזירה) בשעה אמפליטודות ותדרים ידועים למדוד מומנט reactional (מקביל מאמץ גזירה) , כפי שמוצג באיור 3. מתוך בפיגור המשרעת והפאזה וכתוצאה מכך של המומנט הנמדד ומשתנים גיאומטריים של המערכת, נוכל לחשב G &#39;ו-ז&#39; &quot;בתדרים היישומית עניין 13,14.

<table><tbody><tr><td>קסילזין</td><td>לויד מעבדה</td><td></td><td>תרופת מרשם</td></tr><tr><td>קטמין</td><td>אנאסד זריקות תרופת</td><td></td><td>מרשם</td></tr><tr><td>ויברטום (מיקרוטום להב רוטט)</td><td>Leica</td><td>VT1200</td><td></td></tr><tr><td>Hibernate-A בינוני</td><td>Gibco</td><td>A1247501</td><td>CO2 מדיום עצבי בלתי תלוי לרקמות בוגרות</td></tr><tr><td>מיקרוסקופ כוח אטומי, MFP-3D-BIO</td><td>Asylum</td> <td>Research-Petri</td><td></td></tr> <tr><td>Tool</td><td>Heater Asylum</td> <td>Research-AFM</td> Probe, <td></td></tr><tr><td>0.03 N/m, 10&nbsp; ומיקרו; m רדיוס כדור בורוסיליקט</td><td>Novascan</td><td>PT. </td><td></td>GS</tr><tr><td>Cell-Tak</td><td>Corning</td><td>354240</td><td>דבק ביולוגי שמקורו בצדפות</td></tr><tr><td>נתרן ביקרבונט</td><td></td><td>S5761</td><td>ניתן להשתמש בספקים חלופיים</td></tr><tr><td>נתרן הידרוקסיד, 1 N</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>59223C</td><td>ספקים חלופיים ניתן להשתמש ב-Instrumented</td></tr><tr><td>Indenter, NanoTest Vantage</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td>יש לעבד את קצה הבדיקה (אגרוף שטוח מפלדה, 1&nbsp; קוטר מ"מ, 4-5&nbsp; אורך מ"מ)</td></tr> <tr><td>NanoTest תא נוזלי</td><td>מיקרו חומרים בע"מ</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>ריאומטר צלחת מקביל MCR501</td><td>אנטון-פאר-PP25</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>ניתן להשתמש בלוח מדידה שטוח בקוטר 25 מ"מ</td>של <td>Anton-Parr-25</td><td></td> מ"מ</tr><tr><td>נייר זכוכית דבק</td><td>McMaster-Carr</td><td>4184A48</td><td>ספקים חלופיים</td></tr><tr><td>Loctite 4013 Instant Adhesive</td><td>Henkel</td><td>20268</td><td>ניתן להשתמש בספקים חלופיים</td></tr></tbody></table>

אפיון תכונות מכאניות multiscale של רקמת המוח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, שפעת זחה, ו rheometry

Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry

כדי לעצב מהנדס חומרים בהשראת המאפיינים של המוח, אם עבור simulants המכאני או ללימודי התחדשות רקמות, רקמות המוח עצמו חייבים להתאפיין גם בסקאלות אורך וזמן שונה. כמו רקמות ביולוגיות רבות, רקמת המוח מפגינה מבנה מורכב והיררכי. אולם בניגוד למרבית ברקמות האחרות, המוח הוא של נוקשות מכאניות נמוכות מאוד, עם E moduli אלסטי של יאנג על סדר 100s של אבא. קשיחות הנמוכה כאלו יכול להוות אתגרי אפיון ניסיוני של תכונות מכאניות מפתח. הנה, אנחנו מדגימים כמה טכניקות אפיון מכאניות כי הותאמו כדי למדוד את תכונות אלסטיות viscoelastic של התייבשות, חומרים ביולוגיים תואמים כגון רקמת המוח, בסקאלות אורך שונה ושיעורי טעינה. באותו microscale, אנו עורכים ניסויים השרץ-ציות כוח הרפיה באמצעות הזחה מאופשר מיקרוסקופ כוח אטומי. באותו mesosקייל, אנחנו עורכים ניסויים זחים השפעה באמצעות indenter instrumented מבוסס מטוטלת. באותו macroscale, אנו עורכים rheometry צלחת במקביל לכמת את moduli אלסטי הגזירה התדיר תלויה. אנו גם לדון באתגרים ומגבלות המשויכות לכל אמצעי. יחד טכניקות אלה מאפשרות אפיון מעמיק מכני של רקמת המוח, שניתן להשתמש בהם כדי להבין טוב יותר את מבנה המוח ואת מהנדס חומרים-בהשראה ביולוגית.

איור 4 מראה הפנמת כוח נציג לעומת תגובות זמן (איור 4 ב &#39;, ה) לתאימות שרץ ולאלץ ניסויי הרפיה, בהתחשב כוח שימושי או עומק הזחה (איור 4 א, ​​ד), בהתאמה. בעזרת נתונים אלה ואת הגיאומטריה של המערכת, ג J השרץ הציות (t) ולאלץ הרפיה moduli G R (t) ניתן לחשב עבור אזורים שונים של המוח (איור 4C, F). בעוד שמחקרים קודמים הראו הבדל בין moduli אלסטי של אזו...

אנו מציגים סט של טכניקות לאפיון התכונות המכניות הויסקו-אלסטיות של המוח בקנה מידה מיקרו, מזו ומקרו.

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

To design and engineer materials inspired by the properties of the brain, whether for mechanical simulants or for tissue regeneration studies, the brain ...

המטרה הכוללת של טכניקות אפיון מכני אלו היא למדוד את התכונות הוויסקו-אלסטיות של רקמה ביולוגית בסבילי מימדים שונים ובקצבי העמסה שונים. ניתן להשתמש בשיטות אלו כדי לענות על שאלות מפתח בהנדסה ביולוגית. לדוגמה, כיצד המוח מעוות תחת קצבי העמסה גבוהים מאוד, או כיצד מחלות כמו טרשת נפוצה או אוטיזם משפיעות על התכונות המכניות של רקמת המוח.היתרון המרכזי של טכניקות אלו הוא עבור חומרים בעלי קשיחות נמוכה מאוד ומידת הידרציה גבוהה מאוד, כגון רקמה ביולוגית; ניתן לבחון אותם תחת מגוון רחב של תנאי העמסה, וכן לבחון מגוון רחב של נפחי חומר, החל מרמה של תא בודד ועד לרמה של מוח שלם. המשמעויות של טכניקות אלו נשתרעות עד למידול התגובה של המוח במהלך פגיעה, דבר החשוב לתכנון אסטרטגיות הגנה. למרות ששיטה זו יכולה לספק תובבנות לגבי התכונות המכניות של המוח, ניתן להחילה אותה גם על רקמות ביולוגיות גמישות אחרות, כגון הלב והכבד.במהלך האפיון המכני של רקמות גמישות, קביעת מגע הולם בין גשש המדידה לרקמה היא קריטית. טענו בזהירות למחזיק הגשש גשש AFM בעל קבוע קפיץ נומינלי של 0.03 newtons per meter וחרוז בורוסיליקט בקוטר 20 micrometer. הניחו פרוסת מוח המותקנת בצלחת פטרי על גבי מחמם המותקן על במה של AFM, אשר חומם מראש ל-37 degrees celsius.לאחר מכן, הוסיפו כ-two milliliters של מדיום שחומם מראש. בשלב הבא, הוסיפו בזהירות טיפה של מדיום על גשושית ה-AFM כדי להגן עליה משבירה עקב מתח פשטי בעת הורדתה אל המדיום הסובב את פרוסת המוח. לאחר מכן, החזירו את ראש ה-AFM למקומו על הבמה, והתחילו להוריד את הראש עד שיהיה טבול במדיום.באמצעות המיקרוסקופ האופטי, הזזו את השולחן כך שסביבת העניין תהיה מתחת לחוד ה-AFM המכויל, ולאחר מכן הורידו את חוד ה-AFM עד למגע עם פני הרקמה. על מנת לבצע את ניסויי הציות לזחילה (creep compliance), הגדירו פונקציית כוח מופעל בעורך הפונקציות של התוכנה. הפונקציה מורכבת מעלייה הדרגתית (ramp) של 0.1 שניות עד לנקודת יעד (set point) של 5 nanonewton, שנשמרת למשך 20 שניות, ולאחריה ירידה הדרגתית של שנייה אחת עד לאפס nanonewton.התוכנה תתעד נתונים על חדירת גשושית ה-AFM אל תוך הרקמה במהלך פונקציית הכוח המופעל. לאחר הרצת ניסוי של פתיית זחילה (creep compliance), בצע ניסויי הרפיית כוח על ידי יצירת פונקציית חדירה מופעלת בתוכנה. הרץ פונקציה זו בעוד התוכנה אוספת נתונים על הכוח שחווה גשושית ה-AFM בעת חדירתה אל תוך הרקמה.כדי להתחיל את בדיקות ההחתרה באימפקט (impact indentation tests), התאימו גשש כדורי על ידי החלקתו על המטוטלת באמצעות פינצטה. לאחר מכן, חברו את מוט דגימת הקוורץ המותך ללוח והבריגו את הלוח אל הבמה התרגלית (translational stage). כדי לאפשר ניסויי אימפקט דינמיים על רקמות מוח הידרטריות, בצעו תחילה את כיול תא הנוזל.עברו לתפריט כיול (Calibration) בתוכנה, בחרו בתא נוזלי (Liquid Cell) ועקבו אחר הנחיות התוכנה כדי ליצור מגע עם דגימת הקוורץ המותה. לאחר מכן, בחרו ב"SNormal" עבור סוג המזהה (Indenter Type), והשתמשו בערך ברירת המחדל של 0.05 millinewtons עבור עומס המזהה (Indenter Load). לאחר מכן לחצו על "המשך" (continue) כדי לבצע את הכיול עבור תצורת המזהה הנורמלית.כעת העבירו את במת הדגימה לאחור בלפחות חמישה מילימטרים והרכיבו את זרוע המנוף. חזרו על כיול תא הנוזלים בתצורה החדשה על ידי בחירת Liquid Cell עבור סוג המדחף (indenter). לחצו על Continue כדי לקבל את מקדם כיול תא הנוזלים.בשלב הבא, הגדילו את המרווח בין לוחות הקבל. הגדלת המרווח בין לוחות הקבל תגדיל את העומק המקסימלי שניתן למדוד, דבר הנחוץ בעת בדיקה של חומרים בעלי גמישות גבוהה. בעזרת מפתח ברגים, סובבו עם השעון במרווחים קטנים את שלושת האומים השולטים על המרווח בין לוחות הקבל.לאחר כל סיבוב מלא עם כיוון השעון, בחרו ב-Bridge Box Adjustment תחת תפריט ה-Maintenance ובצעו בדיקת מטוטלת (pendulum test) תקינה. המשיכו לכוון את האומים באיטיות עד שערך ה-Approx. Depth Calibration יהיה 70,000 nanometers per volt או גבוה יותר.לאחר מכן, מקמו מעצור גבול חדש בתחתית המטוטלת שניתן להפעיל ולכבות באמצעות ספק כוח. הסירו את מעצור הגבול המקורי השבוע מאחורי המטוטלת כדי להסיר חסימה פוטנציאלית של תנועת המטוטלת ולאפשר מהירויות פגיעה גבוהות יותר וכן עומקי חדירה גדולים יותר לדגימות גמישות. הפעילו את ספק הכוח עבור הסולנואיד וכוון אותו ל-10 volts.לאחר מכן, עבור לתפריט Experiment ובחר ב-Impact and Adjust Impulse Displacement. פעל לפי הנחיות התוכנה כדי לכוון את מרחק התנודה של המטוטלת. כאשר הגדרת חרירי ההשפעה הושלמה במלואה, שאב את המדיום ויבש את פרוסת המוח.לאחר מכן, השתמש בשכבה דקה של דבק ציאנואקרילט כדי לקבע את נתחי המוח לעמוד הדגימה מאלומיניום. לאחר מכן, החלק את תא הנוזלים מעל טבעת ה-O השנייה שעל עמוד הדגימה, ומלא את תא הנוזלים ב-five milliliters של מצע שאינו תלוי carbon-dioxide כדי להטביע את הרקמה באופן מלא. הזז את האמבט בכיוון X השלילי עד שקצה זרוע המנוף ימוקם כראוי מעל האמבט.בשלב הבא, נעו בכיוון Z החיובי עד שהחוד יהיה טבול לחלוטין באמבט ויניח מול הדגימה. באמצעות חלון בקרת במה הדגימה (Sample Stage Control), צרו מגע בזהירות, ולאחר מכן הסיטו את הבמה מהרחקה של כ-30 micrometers מפני שטח הדגימה. בתפריט הניסוי (Experiment), לחצו על פגיעה (Impact) והגדירו ניסוי פגיעה.בחרו עומס דחף ספציפי שיהיה קשור באופן ישיר למהירות הפגיעה הנובעת מכיול מרחק התנודה. לאחר מכן, הריצו את הניסוי המתוכנן. כאשר המטוטלת נעה חזרה ופני השטח של הדגימה ממשיכים לנוע לעבר מישור המדידה, כבו את מפסק הגבול התחתון.התוכנה תתעד את תזוזת הגשוש כפונקציה של הזמן. הדביקו נייר זכוכית לגשוש המדידה בקוטר 25 מילימטר. לאחר מכן, חברו את המערכת התרמית והתקינו את הגשוש.לבסוף, הדבק פיסת נייר זכוכית נוספת לפלטה התחתונה, כך שתהיה מיושרת עם הפלטה העליונה. כייל את הרהאומטר לפי הוראות היצרן. ראשית, אפס את הכוח על הגשושית.שנית, צרו מגע בין הגשושית ללוח התחתון. לאחר מכן, מדדו את האינרציה של הגשושית. לבסוף, בצעו כיול של המנוע.לאחר מכן, הורד lang="he" באיטיות את לוח המדידה. כאשר הלוח נמצא במרחק של מילימטר מהרקמה, הורד אותו במרווחים של 0.1 מילימטר עד שהלוח יהיה במגע מלא עם פני השטח העליונים של הרקמה והכוח הנורמלי הנמדד יהיה בערך הרצוי. טפטף כמות קטנה של מדיום לשולי הדגימה כדי לשמור על הידרציה במהלך ההליך.הורד את מכסה הבידוד התרמי. לאחר מכן, לחץ על File, New, ובלשונית Gel בחר ב-Frequency Sweep. לאחר מכן, לחץ על window measurement one frequency sweep ולחץ פעמיים על תיבת האוסילציה (oscillation box).הזינו את טווח התדרים, הזן, ומספר הנקודות. לבסוף, בחרו ב-OK ולחצו על Start כדי להתחיל את סריקת התדרים. להלן תגובות מייצגות של שקיעה וכוח כפונקציה של זמן עבור ניסויי צמיגות זחילה והרפיית כוח.באמצעות נתונים אלו וגאומטריית המערכת, ניתן לחשב את תאיות הזחילה (creep compliance) ואת מודולי הרפיית הכוח עבור אזורים שונים במוח. הזחה באימפקט (Impact indentation) מודדת את התכונות המכניות של הרקמה בקצבים גבוהים של עומס מרוכז מרחבית וזמנית. ניתן לכמת את פרמטרי תגובת האימפקט הנובעים מכך במהירויות אימפקט שונות, מה שמהווה אמצעי לבחינת התכונות התלויות-קצב של הרקמה.ריאולוגיה מודדת את התכונות הוויסקו-אלסטיות התלויות בתדר של רקמה במסה, במונחים של מודולי האגירה והאיבדוד. מודול האגירה גדול כמעט בסדר גודל אחד ממודול האיבדוד בתדרים נמוכים, מה שמעיד על כך שתכונות אלסטיות הן הדומיננטיות בהתנהגות של רקמת מוח. בעת ביצוע פרוצדורה זו, חשוב לשמור על הרקמה הידרטציה נאותה או להטביעה בנוזל המסייע לרקמה לשמור על מבנהה התקין.פיתוחן של טכניקות מוכחות אלו סלל את הדרך לחוקרי חומרים לתכנן ולבצע אופטימיזציה של ג'לים סינתטיים שיכולים לחקות את התגובה המכנית של המוח. לאחר צפייה בסרטון זה, תהיה לכם הבנה טובה של האופן שבו בדיקת שקיעה (indentation) באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, בדיקת שקיעה עקב אימפקט וריאולוגיה משמשים לאפיון התכונות המכניות הוויסקו-אלסטיות של רקמה. בעת פרשנות הנתונים שנאספו, זכרו את ההנחה הבסיסית לפיה הנפח המעוות של הרקמה הוא הומוגני מבחינה מבנית ואיזוטרופי מבחינה אלסטית.דבר זה אינו נכון בהכרח עבור כל הרקמות הביולוגיות. ככל שהשאלות שלכם בנוגע למכניקה של רקמות ביולוגיות יגבשו הגדרה מדויקת יותר, תוכלו לבחור באחד או יותר מהניסויים המכניים הללו כדי לענות על השאלה בקנה המידה המרחבי או בלוח הזמנים הרלוונטיים.

characterizing-multiscale-mechanical-properties-brain-tissue-using

Research

JoVE Journal

Neuroscience

מדעי המוח

הנוקשות של מטריקס תאיים משפיעה התנהגויות רבות של תאים חסיד. קשיחות מטריקס משתנה מרחבית ברחבי רקמה, ועוברת שינוי בתנאי מחלה שונים. כאן אנו לפתח שיטות כדי לאפיין שינויים מרחביים קשיחות ברקמה נורמלית fibrotic ריאות עכבר באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי microindentation.

מיקרו מכונות אפיון רקמת הריאה באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי

מקור: Canovic, E. P., et al. אפיון תכונות מכניות רב-ממדיות של רקמת המוח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, הזחת פגיעה וריאומטריה. J. Vis. Exp. (2016)סרטון זה מדגים את השימוש במיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) למדידת התכונות הויסקו-אלסטיות של רקמת המוח, כאשר שלוחה עם בדיקה כדורית מקיימת אינטראקציה עם הרקמה ומתכופפת תחת כוחות מופעלים. קרן לייזר המוסטת על גבי גלאי עוקבת אחר השלוחה כדי למדוד את עומק השקע והרפיית הכוח, מה שמאפשר לאפיין את התכונות המכניות של הרקמה.

אפיון התכונות המכניות של רקמת מוח של עכבר באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי

מקור: Canovic, E. P., et. al., אפיון תכונות מכניות רב-ממדיות של רקמת המוח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, הזחת פגיעה וריאומטריה. J. Vis. Exp. (2016)הסרטון מדגים שימוש בהזחת פגיעה כדי למדוד את התכונות המכניות של רקמת מוח של עכבר מיובש, כולל נוקשות, פיזור אנרגיה ושיכוך, באמצעות תזוזה של בדיקה וניתוח מהירות.

כניסת השפעה להערכת התכונות המכניות של רקמת מוח של עכבר

מקור: Canovic, E. P., et al. אפיון תכונות מכניות רב-ממדיות של רקמת המוח באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, הזחת פגיעה וריאומטריה. J. Vis. Exp. (2016)בסרטון זה, נעשה שימוש בריאומטר כדי להחיל תנועה סיבובית תנודתית מבוקרת על רקמת המוח כדי ליצור מתח גזירה ולהעריך את התכונות הצמיגות והאלסטיות של הרקמה. הריאומטר, ככלי פונקציונלי, הוא מספק תובנות לגבי מכניקת המוח במהלך פציעה או מחלות ניווניות.

מדידת התכונות הויסקו-אלסטיות של רקמת מוח של עכבר באמצעות ראומטריה

מסמך זה מדגים פרוטוקול כדי לאפיין את התכונות מכאניות של תאי חיים באמצעות microindentation באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM).

מדידת התכונות המכאניות של תאי חיים באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי

פרוטוקול ניסיוני זה מתאר כיצד ניתן להשתמש במיקרוסקופ כוח אטומי כדי למדוד קשיות בקנה מידה ננומטרי אמיתי ולזהות אירועי פלסטיות אטומיסטיים בודדים.

מדידת קשיות כמוני יד מאובזרת AFM-הזחה

כאן, אנו מציגים מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), מופעל ככלי ננו ומיקרו לכניסה על תאים ורקמות. המכשיר מאפשר רכישת סימולטני של טופוגרפיה של פני השטח 3D של המדגם ואת התכונות המכאניות שלה, כולל קיר התא מודולוס של יאנג, כמו גם לחץ טורגור.

שימוש במיקרוסקופיה של כוח אטומי למדידת תכונות מכניות ולחץ טורגור של תאים צמחיים ורקמות צמחים

הפרוטוקול מציג זרימת עבודה מלאה לניסויים בננו-אינדנציה של חומרים רכים, כולל הידרוג'לים ותאים. ראשית, מפורטים הצעדים הניסיוניים לרכישת נתוני ספקטרוסקופיית כוח; לאחר מכן, הניתוח של נתונים כאלה מפורט באמצעות תוכנת Python קוד פתוח שפותחה לאחרונה, אשר ניתן להוריד בחינם מ- GitHub.

זרימת עבודה ניסיונית וניתוח נתונים עבור ננו-אינדנציה של חומר רך

אנו מציגים פרוטוקול למדידת המודולי האלסטי של אזורים עשירים בקולגן בכבד רגיל וחולה באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי. השימוש בו זמנית במיקרוסקופיית קיטוב מספק דיוק מרחבי גבוה ללוקליזציה של אזורים עשירים בקולגן במקטעי הכבד.

מדידת נוקשות הכבד באמצעות מיקרוסקופיה של כוח אטומי בשילוב עם מיקרוסקופיית קיטוב

כימות שטח המגע והכוח המופעל על ידי קצה גשושית כוח אטומי (AFM) על משטח הדגימה מאפשר קביעת תכונות מכניות ננומטריות. נדונות שיטות עבודה מומלצות ליישום ננו-הזחה מבוססת AFM באוויר או בנוזל על דגימות רכות וקשות למדידת מודולוס אלסטי או תכונות ננו-מכניות אחרות.

מיקרוסקופ כוח אטומי ננו-הזחה מבוססת Cantilever: מדידות תכונות מכניות בקנה מידה ננומטרי באוויר ובנוזל

פרוטוקול זה מדמיין כיצד להכין חתכים קריוגרפיים של רקמת ריאה של עכברים, לבצע ניסויים במפת כוח במיקרוסקופ כוח אטומי ולנתח את הנתונים כדי לקבוע את המודול של יאנג של קרום הבסיס הריאתי המקומי של העכבר.

חילוץ מודול הצעירים של ממברנות הבסיס הריאתיות של עכברים מקומיים ממפות כוח הנגזרות ממיקרוסקופ כוח אטומי

חקור אפיון תכונות מכאניות ויסקואלסטיות של רקמת מוח בקנה מידה רב-סקאלי באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי, שפעת זחה וריאומטריה. שיטות אלו מאפשרות למדוד תכונות מכאניות בתנאי עומס שונים ולהבין כיצד מחלות משפיעות על מכניקת המוח.

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

גלה סרטונים נוספים