Name: La caratterizzazione delle proprietà meccaniche del multiscala cervello tessuti utilizzando microscopia a forza atomica, Impatto rientro, e Reometria (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: Scopri le tecniche di caratterizzazione meccanica per misurare le proprietà viscoelastiche del tessuto cerebrale a diverse scale. Questi metodi aiutano a comprendere come le malattie influenzano la meccanica cerebrale.

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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.

<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

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 ...

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&#39;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 computazionali per imitare la risposta del cervello durante ferita, facilitare la previsione dei danni meccanici e consentire ingegnerizzazione di strategie protettive. Inoltre, tali informazioni possono essere usate per esaminare obiettivi di progettazione per la rigenerazione tissutale, e per comprendere meglio i cambiamenti strutturali nel tessuto cerebrale che sono associati con malattie come la sclerosi multipla e l&#39;autismo. Here, descriviamo e dimostriamo diversi approcci sperimentali che sono disponibili per caratterizzare le proprietà viscoelastiche dei tessuti compatibili meccanicamente tra cui tessuto cerebrale, al micro, meso e macro-scala. Al microscala, abbiamo condotto scorrimento rispetto e la forza esperimenti di rilassamento utilizzando microscopio a forza atomica (AFM) indentazione -enabled. Tipicamente, indentazione AFM abilitato viene utilizzato per stimare il modulo elastico (o rigidità istantanea) di un campione 2-4. Tuttavia, lo stesso strumento può essere utilizzato anche per misurare viscoelastico microscala (tempo o rate-dipendente) proprietà 5-10. Il principio di questi esperimenti, mostrate nella Figura 1, è far rientrare un AFM sbalzo sonda nel tessuto cerebrale, mantenere una determinata grandezza di forza o profondità di indentazione, e misurare le corrispondenti variazioni di profondità di indentazione e forza, rispettivamente nel tempo. L&#39;utilizzo di questi dati, si può calcolare la deformazione comp, liance J C e relax modulo G R, rispettivamente. Al mesoscala, abbiamo condotto esperimenti di indentazione impatto in condizioni di liquido immersi che mantengono la struttura dei tessuti e livelli di idratazione, utilizzando un nanoindentatore strumentato pendolo-based. L&#39;apparato sperimentale è illustrato nella figura 2. Come il pendolo oscilla in contatto con il tessuto, sonda spostamento è registrata come una funzione di tempo finché il pendolo oscillante si ferma all&#39;interno del tessuto. Dal smorzato moto oscillatorio armonico risultante della sonda, è possibile calcolare la profondità massima penetrazione x max, capacità di dissipazione di energia K e fattore di qualità Q di dissipazione (che riguarda il tasso di dissipazione dell&#39;energia) del tessuto 11,12. Al macroscala, abbiamo usato un piatto reometro paralleli per quantificare il dipendente dalla frequenza di taglio moduli elastici,chiamato lo stoccaggio modulo G &#39;e modulo viscoso G &quot;, del tessuto. In questo tipo di reometria, si applica una tensione angolare armonica (e corrispondente deformazione di taglio) ad ampiezze noti e frequenze e misurare la coppia di reazione (e corrispondente shear stress) , come mostrato in figura 3. Dalla risultante ampiezza e la fase di latenza della coppia misurata e variabili geometriche del sistema, si può calcolare G &#39;e G &quot;a frequenze applicate di interesse 13,14.

<table><tbody><tr><td>Xilazina</td><td>Lloyd Farmaco</td> per la <td>prescrizione</td>in laboratorio <td></td></tr><tr><td>Ketamina</td><td>AnaSed Iniettazioni farmaco</td><td>per la</td><td></td> prescrizione</tr><tr><td>Vibratomo (microtomo a lama vibrante)</td><td>Leica</td><td>VT1200</td><td></td></tr><tr><td>Hibernate-A Medium</td><td>Gibco</td><td>A1247501</td><td>CO2-indipendente per tessuto</td></tr><tr><td>adulto Microscopio a forza atomica, MFP-3D-BIO</td><td>Ricerca</td> <td>Asilo-Riscaldatore</td><td></td></tr> <tr><td>Piastra Petri</td><td>Ricerca Asilo-Sonda</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>AFM, 0,03 N/m, 10&nbsp; &micro; sfera in borosilicato con raggio m</td><td>Novascan</td><td>PT. </td><td></td>GS</tr><tr><td>Cell-Tak</td><td>Corning</td><td>354240</td><td>bioadesivo derivato dalle cozze</td></tr><tr><td>Bicarbonato di sodio</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761</td><td>fornitori alternativi possono essere utilizzati</td></tr><tr><td>Idrossido di sodio, 1 N</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>59223C</td><td>fornitori alternativi possono essere utilizzati</td></tr><tr><td>Penetratore strumentato, NanoTest Vantage</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td>la punta della sonda deve essere lavorata (punzone piatto in acciaio, 1&nbsp; mm di diametro, 4-5&nbsp; mm di lunghezza)</td></tr><tr><td>NanoTest Liquid Cell Micro Materials</td><td>Ltd.</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Reometro a piastra parallela MCR501</td><td>Anton-Parr-PP25</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Anton-Parr-25</td><td></td> <td>mm di diametro piatto</td></tr><tr><td>piastra di misurazione Carta vetrata adesiva</td><td>McMaster-Carr</td><td>4184A48</td><td>fornitori alternativi possono essere utilizzati</td></tr><tr><td>Loctite 4013 Adesivo istantaneo</td><td>Henkel</td><td>20268</td><td>fornitori alternativi possono essere utilizzati</td></tr></tbody></table>

la caratterizzazione delle proprietà meccaniche del multiscala cervello tessuti utilizzando microscopia a forza atomica, impatto rientro, e reometria

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

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&#39;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.

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...

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

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

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

L'obiettivo generale di queste tecniche di caratterizzazione meccanica è misurare le proprietà viscoelastiche dei tessuti biologici a diverse scale di lunghezza e velocità di carico. Questi metodi possono essere utilizzati per rispondere a domande fondamentali nell'ambito dell'ingegneria biologica. Ad esempio, come si deforma il cervello sotto velocità di carico molto elevate, oppure come malattie come la sclerosi multipla o l'autismo influenzano le proprietà meccaniche del tessuto cerebrale.Il principale vantaggio di queste tecniche consiste nel fatto che, per materiali con rigidità molto bassa e idratazione molto elevata, come i tessuti biologici, è possibile effettuare prove in un'ampia gamma di condizioni di carico, nonché su un'ampia gamma di volumi del materiale, arrivando fino al livello di una singola cellula e fino a quello di un intero cervello. Le implicazioni di queste tecniche si estendono alla modellizzazione della risposta del cervello durante un trauma, aspetto importante per lo sviluppo di strategie protettive. Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulle proprietà meccaniche del cervello, può essere applicato anche ad altri tessuti biologici compliant, c

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La rigidità della matrice extracellulare influenza fortemente i comportamenti multipli di cellule aderenti. Matrice di rigidezza varia spazialmente in tutto un tessuto, e subisce modifiche nelle condizioni patologiche diverse. Qui sviluppare metodi per la caratterizzazione variazioni spaziali della rigidità nei tessuti del mouse normale e fibrotica del polmone mediante microscopia a forza atomica micropenetrazione.

Micro-Caratterizzazione meccanica del tessuto polmonare usando la microscopia a forza atomica

Fonte: Canovic, E. P., et al. Caratterizzazione delle proprietà meccaniche multiscala del tessuto cerebrale mediante microscopia a forza atomica, indentazione dell'impatto e reometria. J. Vis. Exp. (2016)Questo video dimostra l'uso della microscopia a forza atomica (AFM) per misurare le proprietà viscoelastiche del tessuto cerebrale, dove un cantilever con una sonda sferica interagisce con il tessuto e si piega sotto le forze applicate. Un raggio laser deviato su un rivelatore traccia il...

Caratterizzazione delle proprietà meccaniche del tessuto cerebrale di topo mediante microscopia a forza atomica

Fonte: Canovic, E. P., et. al., Caratterizzazione delle proprietà meccaniche multiscala del tessuto cerebrale utilizzando la microscopia a forza atomica, l'indentazione dell'impatto e la reometria. J. Vis. Exp. (2016)Il video dimostra l'utilizzo dell'indentazione dell'impatto per misurare le proprietà meccaniche di un tessuto cerebrale di topo idratato, tra cui rigidità, dissipazione di energia e smorzamento, attraverso l'analisi dello spostamento e della velocità della sonda.

Indentazione dell'impatto per la valutazione delle proprietà meccaniche di un tessuto cerebrale di topo

Fonte: Canovic, E. P., et al. Caratterizzazione delle proprietà meccaniche multiscala del tessuto cerebrale mediante microscopia a forza atomica, indentazione dell'impatto e reometria. J. Vis. Exp. (2016)In questo video, un reometro è stato utilizzato per applicare un movimento rotatorio oscillatorio controllato al tessuto cerebrale per generare una deformazione di taglio e valutare le proprietà viscose ed elastiche del tessuto. Il reometro, in quanto strumento funzionale, fornisce...

Misurazione delle proprietà viscoelastiche del tessuto cerebrale del topo mediante reometria

Questo documento illustra un protocollo per caratterizzare le proprietà meccaniche di cellule viventi mediante micropenetrazione utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM).

Misurare le proprietà meccaniche del Living cellule utilizzando microscopia a forza atomica

Questo protocollo sperimentale descrive come la microscopia a forza atomica può essere utilizzata per misurare la durezza su scala nanometrica reale e per rilevare singoli eventi di plasticità atomistica.

Misurazione della durezza quantitativa da Instrumented AFM-indentazione

Presentiamo un metodo per studiare i primi cambiamenti osteoartritici a livello cellulare nella cartilagine articolare utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM).

Applicazione della microscopia a forza atomica per rilevare l'osteoartrite precoce

Il protocollo presenta un flusso di lavoro completo per esperimenti di nanoindentazione di materiali morbidi, inclusi idrogel e cellule. In primo luogo, i passaggi sperimentali per acquisire i dati della spettroscopia di forza sono dettagliati; quindi, l'analisi di tali dati è dettagliata attraverso un software Python open source di nuova concezione, che può essere scaricato gratuitamente da GitHub.

Flusso di lavoro sperimentale e di analisi dei dati per la nanoindentazione della materia soffice

Presentiamo un protocollo per misurare i moduli elastici di aree ricche di collagene in fegato normale e malato utilizzando la microscopia a forza atomica. L'uso simultaneo della microscopia a polarizzazione fornisce un'elevata precisione spaziale per localizzare aree ricche di collagene nelle sezioni del fegato.

Misurazione della rigidità epatica mediante microscopia a forza atomica accoppiata con microscopia a polarizzazione

La quantificazione dell'area di contatto e della forza applicata dalla punta di una sonda a forza atomica (AFM) su una superficie del campione consente la determinazione delle proprietà meccaniche su scala nanometrica. Vengono discusse le migliori pratiche per implementare la nanoindentazione basata su sbalzo AFM in aria o fluido su campioni morbidi e duri per misurare il modulo elastico o altre proprietà nanomeccaniche.

Microscopia a forza atomica Nanoindentazione basata su sbalzo: misure di proprietà meccaniche su scala nanometrica in aria e fluido

Questo protocollo visualizza come preparare criosezioni di tessuto polmonare murino, eseguire esperimenti di mappa della forza di microscopia a forza atomica e analizzare i dati per determinare il modulo di Young della membrana basale polmonare murina nativa.

Estrazione del modulo di Young delle membrane basali polmonari murine native dalle mappe di forza derivate dalla microscopia a forza atomica

Scopri le tecniche di caratterizzazione meccanica per misurare le proprietà viscoelastiche del tessuto cerebrale a diverse scale. Questi metodi aiutano a comprendere come le malattie influenzano la meccanica cerebrale.

La caratterizzazione delle proprietà meccaniche del multiscala cervello tessuti utilizzando microscopia a forza atomica, Impatto rientro, e Reometria (Video) | JoVE Journal

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

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