원자 힘 현미경, 충격 들여 쓰기 및 유변학를 사용하여 뇌 조직의 멀티 스케일 기계 속성을 특성화

이러한 기계적 특성화 기술의 전반적인 목표는 다양한 길이, 스케일 및 로딩 속도에서 생물학적 조직의 점탄성 특성을 측정하는 것입니다. 이러한 방법은 생물 공학의 주요 질문에 답하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 매우 높은 하중 속도에서 뇌가 어떻게 변형되는지, 또는 다발성 경화증이나 자폐증과 같은 질병이 뇌 조직의 기계적 특성에 어떤 영향을 미치는지.

이러한 기술의 주요 장점은 생물학적 조직과 같이 강성이 매우 낮고 수화가 매우 높은 재료의 경우 광범위한 하중 조건에서 테스트할 수 있으며 단일 세포 수준까지 및 최대 전체 뇌 수준까지 광범위한 재료 부피에 대해 테스트할 수 있다는 것입니다. 이러한 기술의 의미는 부상 중 뇌의 반응을 모델링하는 것으로 확장되며, 이는 보호 전략을 엔지니어링하는 데 중요합니다. 이 방법은 뇌의 기계적 특성에 대한 통찰력을 제공할 수 있지만 심장 및 간과 같은 다른 규정 준수 생물학적 조직에도 적용할 수 있습니다.

규정 준수 조직의 기계적 특성화를 수행하는 동안 측정 프로브와 조직 사이에 적절한 접촉을 설정하는 것이 중요합니다. 미터당 0.03뉴턴의 공칭 스프링 상수와 20마이크로미터 직경의 붕규산 비드를 가진 AFM 프로브를 프로브 홀더에 조심스럽게 로드합니다. 페트리 접시에 장착된 뇌 조각을 섭씨 37도로 예열된 AFM 스테이지 장착 히터에 놓습니다.

그런 다음 약 2ml의 예열 매체를 추가합니다. 다음으로, AFM 프로브에 배지 한 방울을 조심스럽게 추가하여 뇌 절편을 둘러싼 배지로 내려갈 때 표면 장력으로 인해 파손되지 않도록 보호합니다. 그런 다음 AFM 헤드를 무대에 재배치하고 매체에 잠길 때까지 헤드를 내리기 시작합니다.

광학 현미경을 사용하여 관심 영역이 보정된 AFM 프로브 아래에 있도록 스테이지를 이동한 다음 AFM 프로브를 내려 조직 표면과 접촉합니다. 크리프 컴플라이언스 실험을 수행하려면 소프트웨어의 함수 편집기에서 적용된 힘 함수를 구성합니다. 이 기능은 5나노뉴턴의 설정점까지 0.1초 램프를 진행한 후 20초 동안 유지한 후 0나노뉴턴으로 1초 램프를

이 소프트웨어는 적용된 힘 기능 동안 AFM 프로브가 조직에 들여 쓰기에 대한 데이터를 기록합니다. 크리프 컴플라이언스 실험을 실행한 후 소프트웨어에서 적용된 압흔 기능을 생성하여 힘 이완 실험을 수행합니다. 소프트웨어가 AFM 프로브가 조직에 들여쓰기될 때 가해지는 힘에 대한 데이터를 수집하는 동안 이 기능을 실행합니다.

충격 압흔 테스트를 시작하려면 핀셋을 사용하여 구형 프로브를 진자 위로 밀어 넣어 일치시킵니다. 그런 다음 용융 석영 샘플 포스트를 플레이트에 부착하고 플레이트를 병진 스테이지에 나사로 고정합니다. 수화된 뇌 조직에 대한 동적 충격 실험을 가능하게 하려면 먼저 액체 세포 보정을 수행합니다.

소프트웨어의 Calibration 메뉴로 이동하여 Liquid Cell을 선택하고 소프트웨어 지시에 따라 용융 석영 샘플과 접촉합니다. 그런 다음 Indenter Type에 대해 Normal을 선택하고 Indenter Load에 대해 기본값인 0.05millinewtons를 사용합니다. 그런 다음 계속을 클릭하여 일반 인덴터 구성에 대한 보정을 수행합니다.

이제 샘플 스테이지를 최소 5mm 뒤로 이동하고 레버 암을 장착합니다. 인덴터 유형에 대해 Liquid Cell을 선택하여 새 구성에서 액체 셀 보정을 반복합니다. Continue(계속)를 클릭하여 liquid cell calibration factor를 가져옵니다.

다음으로 커패시터 플레이트 간격을 늘립니다. 커패시터 플레이트 간격을 늘리면 측정 가능한 최대 깊이가 증가하며, 이는 규정 준수가 높은 재료를 테스트할 때 필요합니다. 렌치를 사용하여 커패시터 플레이트 간격을 제어하는 세 개의 너트를 시계 방향으로 조금씩 돌립니다.

시계 방향으로 완전히 돌릴 때마다 Maintenance 메뉴에서 Bridge Box Adjustment를 선택하고 양호한 진자 테스트를 얻습니다. 약. 깊이 보정이 볼트당 70, 000나노미터 이상의 값을 읽을 때까지 너트를 천천히 조정합니다.

그런 다음 전원 공급 장치를 통해 켜고 끌 수 있는 진자 바닥에 새로운 한계 정지를 배치합니다. 원래 한계를 후퇴시키고 진자 뒤에 앉는 것을 멈추어 진자 운동의 잠재적인 방해물을 제거하고 더 높은 충격 속도와 규정 준수 샘플에 대한 더 높은 침투 깊이를 허용합니다. 솔레노이드의 전원 공급 장치를 켜고 10볼트로 설정합니다.

그런 다음 Experiment 메뉴로 이동하여 Impact 및 Adjust Impulse Displacement를 선택합니다. 소프트웨어 지침에 따라 진자의 스윙 거리를 보정하십시오. 임팩트 인덴테이션 설정이 완전히 완료되면 매체를 흡인하고 뇌 절편을 건조시킵니다.

그런 다음 얇은 층의 시아노아크릴레이트 접착제를 사용하여 얇게 썬 뇌를 알루미늄 샘플 포스트에 고정합니다. 그런 다음 액체 셀을 샘플 포스트의 두 번째 O-링 위로 밀어 넣고 액체 셀을 5ml의 이산화탄소 독립 매체로 채워 조직을 완전히 담그십시오. 레버 암의 팁이 수조 위에 제대로 위치할 때까지 수조를 음의 X 방향으로 이동합니다.

다음으로, 팁이 수조에 완전히 잠기고 샘플 앞에 올 때까지 양의 Z 방향으로 이동합니다. Sample Stage Control 창을 사용하여 조심스럽게 접촉한 다음 s를 뒤로 물러나게 합니다.tage 샘플 표면에서 약 30마이크로미터 떨어뜨립니다. Experiment 메뉴에서 Impact를 클릭하고 Impact 실험을 설정합니다.

스윙 거리 보정을 기반으로 결과 충격 속도와 직접 관련되는 특정 임펄스 부하를 선택하십시오. 그런 다음 예약된 실험을 실행합니다. 진자가 뒤로 흔들리고 샘플 표면이 측정 평면으로 계속 이동하면 하단 한계 스위치를 끕니다.

시간의 함수로 인한 프로브의 변위는 소프트웨어에 의해 기록됩니다. 직경 25mm의 측정 프로브에 사포를 부착합니다. 그런 다음 열 시스템을 부착하고 프로브를 장착합니다.

마지막으로 상판과 정렬된 바닥판에 다른 사포를 부착합니다. 제조업체의 지침에 따라 레오미터를 보정합니다. 먼저 프로브에 가해지는 힘을 0으로 만듭니다.

둘째, 프로브와 바닥판 사이에 접촉을 설정합니다. 그런 다음 프로브의 관성을 측정합니다. 마지막으로 모터 조정을 수행합니다.

그런 다음 측정 플레이트를 천천히 내립니다. 플레이트가 조직에서 밀리미터 이내에 있을 때, 플레이트가 조직의 상단 표면과 완전히 접촉하고 측정된 수직력이 원하는 값이 될 때까지 0.1mm 단위로 내립니다. 시술 중 수분을 유지하기 위해 샘플 가장자리에 소량의 배지를 파이프로 배출합니다.

보온 후드를 내립니다. 그런 다음 파일, 새로 만들기를 클릭하고 젤 탭에서 주파수 스윕을 선택합니다. 그런 다음 창 측정 1 주파수 스윕을 클릭하고 진동 상자를 두 번 클릭합니다.

주파수 범위, 스트레인, 포인트 개수를 입력합니다. 마지막으로 OK(확인)를 선택하고 Start(시작)를 클릭하여 주파수 스윕을 시작합니다. 다음은 크리프 규정 준수 및 힘 완화 실험에 대한 대표적인 압흔 및 힘 대 시간 응답입니다.

이러한 데이터와 시스템의 기하학적 구조를 사용하여 뇌의 여러 영역에 대한 크리프 규정 준수 및 힘 이완 계수를 계산할 수 있습니다. Impact indentation은 공간적으로나 시간적으로 집중된 하중의 높은 비율로 조직의 기계적 특성을 측정합니다. 결과적인 충격 반응 매개변수는 다양한 충격 속도에서 정량화할 수 있으며, 이는 조직의 속도 의존적 특성을 연구할 수 있는 수단을 제공합니다.

유변학은 저장 및 손실 계수 측면에서 벌크 조직의 빈도 의존적 점탄성 특성을 측정합니다. 저장 탄성률은 저주파에서 손실 탄성률보다 거의 한 자릿수 더 크며, 이는 탄성 특성이 뇌 조직의 행동을 지배한다는 것을 나타냅니다. 이 절차를 시도하는 동안 조직이 적절한 구조를 유지하는 데 도움이 되는 액체에 조직을 적절하게 수분을 공급하거나 담그는 것이 중요합니다.

이러한 입증된 기술의 개발은 재료 연구자들이 뇌의 기계적 반응을 모방할 수 있는 최적화된 합성 젤을 설계할 수 있는 길을 열었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 원자력 현미경을 통한 압입, 충격 압흔 및 유변학을 사용하여 조직의 점탄성 기계적 특성을 특성화하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 수집된 데이터를 해석할 때, 조직의 변형된 부피가 구조적으로 균질하고 탄성적으로 등방성이라는 기본 가정을 기억하십시오.

이것은 모든 생물학적 조직에 반드시 해당되는 것은 아닙니다. 생물학적 조직의 역학에 대한 질문이 더 잘 정의됨에 따라 이러한 기계적 실험 중 하나 이상을 선택하여 관심 있는 적절한 길이 척도 또는 시간 척도로 질문에 답할 수 있습니다.