Method Article

La caratterizzazione delle proprietà meccaniche del multiscala cervello tessuti utilizzando microscopia a forza atomica, Impatto rientro, e Reometria

DOI:

10.3791/54201

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September 6th, 2016

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1Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Department of Biological Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 3Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 4Department of Neurology, The F.M. Kirby Neurobiology Center, Boston Children’s Hospital, Harvard Medical School

In This Article

Summary

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Presentiamo una serie di tecniche per caratterizzare le proprietà meccaniche viscoelastiche del cervello su micro-, meso- e macro-scala.

Abstract

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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.

Introduction

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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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Protocol

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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)

  1. 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.
  2. Iniettare mouse (Razza: TSC1; Syn-Cre; PLP-eGFP; Età: p21; Sesso: maschio o femmina) con 7 m....

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Results

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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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Discussion

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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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Disclosures

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgements

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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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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
XilazinaLloyd Farmacoprescrizione
KetaminaAnaSed Iniettazioni farmacoper la
Vibratomo (microtomo a lama vibrante)LeicaVT1200
Hibernate-A MediumGibcoA1247501CO2-indipendente per tessuto
adulto Microscopio a forza atomica, MFP-3D-BIORicercaAsilo-Riscaldatore
Piastra PetriRicerca Asilo-Sonda
AFM, 0,03 N/m, 10  µ sfera in borosilicato con raggio mNovascanPT.
Cell-TakCorning354240bioadesivo derivato dalle cozze
Bicarbonato di sodioSigma-AldrichS5761fornitori alternativi possono essere utilizzati
Idrossido di sodio, 1 NSigma-Aldrich59223Cfornitori alternativi possono essere utilizzati
Penetratore strumentato, NanoTest VantageMicro 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 MaterialsLtd.-
Reometro a piastra parallela MCR501Anton-Parr-PP25
 Anton-Parr-25mm di diametro piatto
piastra di misurazione Carta vetrata adesivaMcMaster-Carr4184A48fornitori alternativi possono essere utilizzati
Loctite 4013 Adesivo istantaneoHenkel20268fornitori alternativi possono essere utilizzati
per la in laboratorio prescrizioneGS

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Liu, F., Tschumperlin, D. J.

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Tags

Brain Tissue CharacterizationAtomic Force MicroscopyImpact IndentationRheometryViscoelastic PropertiesMechanical CharacterizationCreep ComplianceForce RelaxationFrequency SweepHydrated Tissue

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