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.

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

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>
<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>

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, come il cuore e il fegato.Durante la caratterizzazione meccanica di tessuti complianti, stabilire un contatto appropriato tra la sonda di misurazione e il tessuto è fondamentale. Caricare con attenzione una sonda AFM con una costante elastica nominale di 0,03 newton per metro e una sfera in borosilicato di 20 micrometri di diametro nel supporto della sonda. Posizionare una sezione di cervello montata in una piastra di Petri su un riscaldatore montato sullo stage AFM, precedentemente riscaldato a 37 gradi Celsius.Quindi aggiungere circa due millilitri di mezzo preriscaldato. Successivamente, aggiungere con attenzione una goccia di mezzo sulla sonda AFM per proteggerla dalla rottura dovuta alla tensione superficiale quando viene abbassata nel mezzo che circonda la fetta cerebrale. Quindi riposizionare la testa dell'AFM sulla piastra e iniziare ad abbassarla fino a quando non è immersa nel mezzo.Utilizzando il microscopio ottico, spostare la piastra in modo che la regione di interesse si trovi al di sotto della sonda AFM calibrata, quindi abbassare la sonda AFM fino al contatto con la superficie del tessuto. Per eseguire gli esperimenti di compliance in creep, creare una funzione di forza applicata nell'editor di funzioni del software. La funzione consiste in una rampa di 0,1 secondi fino a un valore impostato di 5 nanonewton, mantenuto per 20 secondi, seguita da una rampa di un secondo fino a zero nanonewton.Il software registrerà i dati sull'indentazione della sonda AFM nel tessuto durante la funzione di forza applicata. Dopo aver eseguito l'esperimento di compliance in condizioni di fluage, effettuare esperimenti di rilassamento della forza creando una funzione di indentazione applicata nel software. Eseguire questa funzione mentre il software raccoglie i dati sulla forza subita dalla sonda AFM mentre si imprime nel tessuto.Per iniziare i test di indentazione per impatto, posizionare una sonda sferica facendola scivolare sul pendolo mediante pinzette. Quindi fissare il campione di quarzo fuso sul supporto e avvitare il supporto sullo stadio traslazionale. Per consentire esperimenti di impatto dinamico su tessuti cerebrali idratati, eseguire innanzitutto la calibrazione della cella liquida.Vai al menu Calibrazione nel software, seleziona Cella Liquida e segui le indicazioni del software per effettuare il contatto con il campione di quarzo fuso. Successivamente, seleziona Normale per il Tipo di indentatore e utilizza il valore predefinito di 0,05 millinewton per il Carico dell'indentatore. Quindi clicca su continua per eseguire la calibrazione della configurazione dell'indentatore normale.Ora spostare indietro la piastra del campione di almeno cinque millimetri e montare il braccio della leva. Ripetere la calibrazione della cella liquida nella nuova configurazione selezionando "Cella liquida" come tipo di indentatore. Fare clic su Continua per ottenere il fattore di calibrazione della cella liquida.Successivamente, aumentare la distanza tra le piastre del condensatore. L'aumento della distanza tra le piastre del condensatore incrementerà la profondità massima misurabile, il che è necessario quando si testano materiali altamente compliant. Con una chiave inglese, ruotare in senso orario di piccoli incrementi le tre viti che regolano la distanza tra le piastre del condensatore.Dopo ogni giro completo in senso orario, selezionare Regolazione Bridge Box nel menu Manutenzione ed eseguire un test del pendolo soddisfacente. Continuare a regolare lentamente i dadi finché la Calibrazione Profondità Approssimativa indica un valore di 70.000 nanometri per volt o superiore.Quindi posizionare un nuovo fermo limite nella parte inferiore del pendolo, che possa essere attivato e disattivato tramite un'alimentazione elettrica. Ritirare il fermo limite originale posizionato dietro il pendolo per eliminare un eventuale ostacolo al movimento del pendolo e consentire velocità d'impatto più elevate, nonché profondità di penetrazione maggiori in campioni deformabili. Accendere l'alimentatore per il solenoide e impostarlo a 10 volt.Successivamente, andare al menu Esperimento e selezionare Impatto e Regolazione dello Spostamento dell'Impulso. Seguire le istruzioni del software per calibrare la distanza di oscillazione del pendolo. Quando la configurazione dell'indentazione da impatto è completamente terminata, aspirare il mezzo e asciugare la sezione cerebrale.Quindi utilizzare uno strato sottile di adesivo a base di cianoacrilato per fissare il cervello tagliato al supporto campione in alluminio. Successivamente, far scorrere la cella liquida sopra la seconda guarnizione O-ring sul supporto campione e riempire la cella liquida con cinque millilitri di mezzo indipendente dal biossido di carbonio, in modo da immergere completamente il tessuto. Spostare il bagno nella direzione negativa dell'asse X finché la punta sul braccio della leva non sia correttamente posizionata sopra il bagno.Successivamente, spostarsi nella direzione positiva dell'asse Z fino a quando la punta è completamente immersa nel bagno ed è posizionata di fronte al campione. Utilizzando la finestra di controllo dello stage del campione, effettuare con attenzione il contatto, quindi ritirare lo stage dalla superficie del campione di circa 30 micrometri. Dal menu Esperimento, fare clic su Impatto e configurare un esperimento di impatto.Scegliere un carico d'urto specifico che sia direttamente correlato alla velocità d'impatto risultante in base alla calibrazione della distanza di oscillazione. Quindi eseguire l'esperimento programmato. Quando il pendolo torna indietro e la superficie del campione continua a muoversi verso il piano di misurazione, spegnere l'interruttore di finecorsa inferiore.Lo spostamento della sonda in funzione del tempo verrà registrato dal software. Applicare della carta vetrata sulla sonda di misura con diametro di 25 millimetri. Successivamente, collegare il sistema termico e montare la sonda.Infine, applicare un altro pezzo di carta vetrata sulla piastra inferiore, allineandolo con la piastra superiore. Calibrare il reometro seguendo le istruzioni del produttore. Prima di tutto, azzerare la forza sul sensore.In secondo luogo, stabilire il contatto tra la sonda e la piastra inferiore. Successivamente, misurare l'inerzia della sonda. Infine, eseguire un'aggiustamento del motore.Abbassare quindi lentamente la piastra di misurazione. Quando la piastra si trova a meno di un millimetro dal tessuto, abbassarla a incrementi di 0,1 millimetro fino a quando non è completamente a contatto con la superficie superiore del tessuto e la forza normale misurata raggiunge il valore desiderato. Aggiungere una piccola quantità di mezzo lungo i bordi del campione per mantenere l'idratazione durante la procedura.Abbassare il coperchio termico. Successivamente, fare clic su File, Nuovo e sotto la scheda Gel selezionare Analisi in frequenza. Quindi fare clic sulla misurazione della finestra, analisi in frequenza, e fare doppio clic sulla casella di oscillazione.Immettere l'intervallo di frequenza, la deformazione e il numero di punti. Infine, selezionare OK e fare clic su Start per avviare la scansione di frequenza. Di seguito sono riportate le risposte rappresentative di indentazione e forza in funzione del tempo sia per gli esperimenti di compliance di creep che di rilassamento della forza.Utilizzando questi dati e la geometria del sistema, è possibile calcolare i moduli di cedevolezza e di rilassamento della forza per diverse regioni del cervello. L'indentazione da impatto misura le proprietà meccaniche del tessuto a elevate velocità di carico concentrate spazialmente e temporalmente. I parametri risultanti della risposta all'impatto possono essere quantificati a diverse velocità d'impatto, fornendo un metodo per studiare le proprietà del tessuto dipendenti dalla velocità.La reologia misura le proprietà viscoelastiche dipendenti dalla frequenza dei tessuti in massa in termini di modulo di immagazzinamento e modulo di perdita. Il modulo di immagazzinamento è quasi un ordine di grandezza superiore rispetto al modulo di perdita a basse frequenze, indicando che le proprietà elastiche dominano il comportamento del tessuto cerebrale. Durante l'esecuzione di questa procedura, è fondamentale mantenere il tessuto adeguatamente idratato o immerso in un fluido che aiuti il tessuto a mantenere la sua struttura corretta.Lo sviluppo di queste tecniche dimostrate ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dei materiali per progettare e ottimizzare idrogeli sintetici in grado di imitare la risposta meccanica del cervello. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come la microscopia a forza atomica con indentazione, l'indentazione da impatto e la reologia vengano utilizzate per caratterizzare le proprietà meccaniche viscoelastiche dei tessuti. Quando si interpretano i dati raccolti, ricordare l'assunzione fondamentale secondo cui il volume del tessuto deformato è strutturalmente omogeneo e elasticamente isotropo.Questo non &egrave; necessariamente vero per tutti i tessuti biologici. Man mano che le tue domande riguardo alla meccanica dei tessuti biologici diventano pi&ugrave; precise, puoi scegliere uno o pi&ugrave; di questi esperimenti meccanici per rispondere alla domanda alla scala di lunghezza o di tempo appropriata.

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

Research

Ricerca

JoVE Journal

Neuroscience

Neuroscienze

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

Qui, presentiamo la microscopia a forza atomica (AFM), operata come strumento di nano- e micro-rientranza su cellule e tessuti. Lo strumento consente l'acquisizione simultanea della topografia della superficie 3D del campione e delle sue proprietà meccaniche, tra cui il modulo della parete cellulare Young e la pressione del turgor.

Uso della microscopia a forza atomica per misurare le proprietà meccaniche e la pressione del turgor delle cellule vegetali e dei tessuti vegetali

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

Esplora altri video