Presentiamo una serie di tecniche per caratterizzare le proprietà meccaniche viscoelastiche del cervello su micro-, meso- e macro-scala.
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Articolo metodologico
La caratterizzazione delle proprietà meccaniche del multiscala cervello tessuti utilizzando microscopia a forza atomica, Impatto rientro, e Reometria
In questo articolo
Sommario
Abstract
Per progettare e ingegnere materiali ispirati dalle proprietà del cervello, sia per simulanti meccanici o per studi di rigenerazione del tessuto, il tessuto cerebrale stesso deve essere ben caratterizzata a varie scale di lunghezza e di tempo. Come molti tessuti biologici, tessuto cerebrale presenta una complessa struttura gerarchica. Tuttavia, a differenza di molti altri tessuti, cervello è molto bassa rigidità meccanica, con moduli di Young elastico E dell'ordine di 100s di Pa. Questa bassa rigidità può presentare sfide alla caratterizzazione sperimentale delle principali proprietà meccaniche. Qui, dimostriamo diverse tecniche di caratterizzazione meccanica che sono state adattate per misurare le proprietà elastiche e viscoelastiche di materiali idratati conformi biologici come tessuto cerebrale, a diverse scale di lunghezza e tassi di carico. Al microscala, conduciamo esperimenti di creep-compliance e la forza di rilassamento utilizzando microscopio a forza atomica abilitato indentazione. Al mesoscale, abbiamo eseguire esperimenti di indentazione di impatto con un penetratore strumentato pendolo-based. Al macroscala, conduciamo piatto reometria paralleli per quantificare il dipendente dalla frequenza di taglio moduli elastici. Discutiamo anche le sfide e le limitazioni associate con ogni metodo. Insieme queste tecniche consentono una caratterizzazione approfondita meccanica del tessuto cerebrale che può essere utilizzato per comprendere meglio la struttura del cervello e di ingegnere dei materiali bio-ispirati.
Introduzione
La maggior parte dei tessuti molli comprendenti organi biologici sono meccanicamente e strutturalmente complessa, una bassa rigidità rispetto a osso mineralizzato o materiali ingegnerizzati, e mostrano la deformazione non lineare e tempo-dipendente. Rispetto ad altri tessuti del corpo, tessuto cerebrale è notevolmente compatibile con moduli elastici E dell'ordine di 100s di Pa 1. tessuto cerebrale presenta eterogeneità strutturale con il grigio distinto e interdigitata e le regioni sostanza bianca che differiscono anche funzionalmente. meccanica tessuto cerebrale comprensione sarà di aiuto nella progettazione di materiali e modelli computazion....
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Protocollo
Etica Dichiarazione: Tutti i protocolli sperimentali sono stati approvati dal comitato per la ricerca degli animali del pediatrico di Boston e sono conformi con il National Institutes of Health Guide per la cura e l'uso di animali da laboratorio.
1. cervello di topo procedure tessuto di acquisizione (per l'indentazione AFM-enabled e indentazione impatto)
- Preparare una miscela di ketamina / xylazina per anestetizzare i topi. Combinare 5 ml di ketamina (500 mg / ml), 1 ml xilazina (20 mg / ml) e 7 ml di 0,9% di soluzione salina.
- Iniettare mouse (Razza: TSC1; Syn-Cre; PLP-eGFP; Età: p21; Sesso: maschio o femmina)....
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Risultati
La figura 4 mostra indentazione rappresentante e la forza contro le risposte in tempo (Figura 4B, E) per la conformità allo scorrimento e la forza esperimenti di rilassamento, dato una forza applicata o profondità di penetrazione (Figura 4A, D), rispettivamente. Utilizzando questi dati e la geometria del sistema, il rispetto scorrimento J c (t) e forzare il rilassamento moduli G R (t) può essere ca.......
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Discussione
Ogni tecnica presentata in questo articolo misura diversi aspetti della proprietà meccaniche del tessuto cerebrale. conformità Creep e lo stress di rilassamento moduli sono una misura di dipendenti dal tempo le proprietà meccaniche. I moduli di stoccaggio e perdite rappresentano proprietà meccaniche tasso-dipendente. indentazione Impact misura anche proprietà meccaniche tasso-dipendente, ma nel contesto di dissipazione di energia. Quando caratterizzare le proprietà meccaniche del tessuto, sia indentazione AFM abilitato .......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Ringraziamo il sostegno a questo lavoro da parte della National Multiple Sclerosis Society e del Simons Center for the Social Brain. BQ riconosce il sostegno del programma di borse di studio per laureati in scienze e ingegneria della difesa nazionale degli Stati Uniti.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Xilazina | Lloyd Farmaco | prescrizione | |
| Ketamina | AnaSed Iniettazioni farmaco | per la | |
| Vibratomo (microtomo a lama vibrante) | Leica | VT1200 | |
| Hibernate-A Medium | Gibco | A1247501 | CO2-indipendente per tessuto |
| adulto Microscopio a forza atomica, MFP-3D-BIO | Ricerca | Asilo-Riscaldatore | |
| Piastra Petri | Ricerca Asilo-Sonda | ||
| AFM, 0,03 N/m, 10 µ sfera in borosilicato con raggio m | Novascan | PT. | |
| Cell-Tak | Corning | 354240 | bioadesivo derivato dalle cozze |
| Bicarbonato di sodio | Sigma-Aldrich | S5761 | fornitori alternativi possono essere utilizzati |
| Idrossido di sodio, 1 N | Sigma-Aldrich | 59223C | fornitori alternativi possono essere utilizzati |
| Penetratore strumentato, NanoTest Vantage | Micro Materials Ltd. | - | la punta della sonda deve essere lavorata (punzone piatto in acciaio, 1 mm di diametro, 4-5 mm di lunghezza) |
| NanoTest Liquid Cell Micro Materials | Ltd. | - | |
| Reometro a piastra parallela MCR501 | Anton-Parr-PP25 | ||
| Anton-Parr-25 | mm di diametro piatto | ||
| piastra di misurazione Carta vetrata adesiva | McMaster-Carr | 4184A48 | fornitori alternativi possono essere utilizzati |
| Loctite 4013 Adesivo istantaneo | Henkel | 20268 | fornitori alternativi possono essere utilizzati |
Riferimenti
- van Dommelen, J. A. W., Hrapko, M., Peters, G. W. M. Mechanical Properties of Brain Tissue: Characterisation and Constitutive Modelling. Mechanosensitivity of the Nervous System. , 249-281 (2009).
- Liu, F., Tschumperlin, D. J.
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Ristampe e permessi
