Name: 원자 힘 현미경, 충격 들여 쓰기 및 유변학를 사용하여 뇌 조직의 멀티 스케일 기계 속성을 특성화 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: 배우세요 원자 힘 현미경, 충격 들여쓰기 및 유변학을 사용하여 뇌 조직의 점탄성 기계적 특성을 다양한 스케일에서 측정하는 방법을. 이 기술은 질병이 뇌 역학에 미치는 영향을 이해하는 데 필수적입니다.

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우리는 국립 다발성 경화증 협회(National Multiple Sclerosis Society)와 사회적 뇌를 위한 시몬스 센터(Simons Center for the Social Brain)의 이 연구에 대한 지원을 인정합니다. BQ는 미국 국방 과학 및 공학 대학원 펠로우십 프로그램의 지원을 인정합니다.

<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>

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본 논문에서는 각 기술은 뇌 조직의 기계적 성질의 다른 측면을 측정합니다. 크리프 준수 및 응력 완화 계수는 시간에 따른 기계적 특성의 측정이다. 저장 및 손실 모듈러스는 속도 의존 기계적 특성을 나타낸다. 충격 압입은 속도 - 종속 기계적 특성을 측정하지만, 에너지 소비의 맥락이다. 조직의 기계적 특성을 특성화 할 때, 모두 AFM 사용 들여 쓰기 및 유변학은 일반적으로 방법을 사용한다. 전술 한 바와 같이 시간에 따라 재료의 특성을 제공 할뿐만 아니라, 여러 실험 파라미터, 세포 및 조직 탄성률 (4)에도 주파수 의존 특성 (24)를 측정하는데 사용될 수 있기 때문에 가능 AFM 압입 특히 유용하다. 그러나, 실험 데이터와 디자인의 정확한 해석은 준수, 수화 조직을 위해 도전 할 수있다. 레오 메타 조치는 적절한 일괄 동안조직의 관계는, AFM 사용 들여 쓰기는 세포의 미세 환경에 관련된 마이크로 볼륨을 조사합니다. 충격 압입은 재료가 초점 충격에 의한 외상성 뇌 손상 연구와 같은 애...

생물학적 장기를 포함하는 대부분의 부드러운 조직 광물 뼈 재료 또는 설계에 비하여 기계적 및 구조적으로 복잡하고, 저 강성이고, 비선형 및 시간에 따른 변형을 나타낸다. 신체의 다른 조직에 비해 뇌 조직은 아빠 1의 100 단위 정도의 탄성 계수를 E로, 현저하게 준수합니다. 뇌 조직은 독특하고 깍지 회색과도 기능적으로 차이가 백질 영역과 구조적 이질성을 나타낸다. 이해 뇌 조직 역학 부상시 뇌의 반응을 모방하는 기계적 손상의 예측을 용이하게하고, 보호 전략 공학 있도록 재료 및 계산 모델의 설계에 도움이된다. 또한, 이러한 정보는 조직의 재생을위한 설계 목표를 고려​​하는 것이 사용될 수 있고, 더 다중 경화증 및 자폐증과 같은 질병과 관련된 뇌 조직의 구조적 변화를 이해. H의 전에, 우리는 설명하고 중간 -, 마이크로에서 뇌 조직을 포함하여 기계적으로 준수하는 조직의 점탄성 특성을 특성화 할 수있는 여러 가지 실험 방법을 설명하고, 매크로 규모. 마이크로 스케일에서, 우리는 크리프 컴플라이언스를 실시 및 원자 현미경 (AFM)을 이용하여 사용이 가능한 압입 완화 실험 강제. 일반적으로, AFM 기반 압입는 시료 2-4의 탄성률 (강성 또는 순시)를 추정하는데 사용된다. 그러나, 같은 기기는 또한 마이크로 점탄성 (또는 시간 - 속도 - 의존적) 특성 5-10를 측정하는데 사용될 수있다. 도 1에 도시 한 실험의 원리는 시간이 지남에 따라, 뇌 조직에 프로브 외팔보 AFM에 들여 힘 또는 압입 깊이의 특정 크기를 유지하고, 각각 압입 깊이와 힘의 대응 변화를 측정하는 것이다. 이러한 데이터를 사용하여, 우리는 크리프 샘플 콘텐츠를 계산할 수각각 liance J C 및 휴식 계수 G R,. 중규모, 우리는 진자 기반 인스트루먼트 나노 인 덴터를 이용하여 조직 구조 및 수분 레벨을 유지하는 유체 침지 조건에 영향을 들여 실험을 수행 하였다. 실험 장치는도 2에 도시되어있다. 진자가 조직과 접촉하여 요동으로 진동 진자 조직 내 쉴 때까지의 변위가 시간의 함수로서 기록된다 프로브. 프로브 얻어진 감쇠 고조파 진동 운동에서, 우리는 조직 (11, 12)의 (에너지 손실의 속도에 관한)의 최대 침투 깊이 X 최대 에너지 소산 용량 K 및 소산 품질 인자 Q를 계산할 수있다. 매크로 스케일에서, 우리는, 주파수 의존 전단 탄성률을 정량화하는 평행 판 레오 미터를 사용하여. 조직의 저장 탄성률 G &#39;와 손실 탄성률 G &quot;를 지칭 유변학이 유형에서는, 고조파 각 균주를 적용 (전단 변형을 대응하는) 공지의 진폭과 주파수 및 reactional 토크 측정 (및 전단 응력에 대응) 도 3에 도시 된 바와 같이. 상기 측정 된 토크의 결과 진폭 및 위상 지연과 시스템의 기하학적 변수부터는 관심 13,14의인가 주파수 &#39;G&#39;와 G를 계산할 수있다.

<table><tbody><tr><td>Xylazine</td><td>Lloyd Laboratoried</td><td></td><td>perscription drug</td></tr><tr><td>Ketamine</td><td>AnaSed injections</td><td></td><td>perscription drug</td></tr><tr><td>Vibratome (Vibrating blade microtome)</td><td>Leica</td><td>VT1200</td><td></td></tr><tr><td>Hibernate-A Medium</td><td>Gibco</td><td>A1247501</td><td>CO2-independent neural medium</td></tr><tr><td>for adult tissue Atomic Force Microscope, 원자력 현미경, MFP-3D-BIO</td><td>Asylum</td> <td>Research-Petri</td><td></td></tr> <tr><td>Dish Heater</td><td>Asylum</td> <td>Research-AFM</td><td></td></tr> <tr><td>프로브, 0.03 N/m, 10&nbsp; &마이크로; m 반경 붕규산 구</td><td>Novascan</td><td>PT. </td><td></td>GS</tr><tr><td>Cell-Tak</td><td>Corning</td><td>354240</td><td>홍합 유래 생체 접착제</td></tr><tr><td>중탄산나트륨</td><td>시그마-알드리치</td><td>S5761</td><td>대체 공급업체를 사용할 수 있습니다</td></tr>. 수<tr><td>산화나트륨, 1N</td><td>시그마-알드리치</td><td>59223C</td><td>대체 공급업체를 사용할 수 있습니다</td></tr><tr><td></td><td>.</td><td>-</td><td>프로브 팁은 가공해야 합니다(강철 플랫 펀치, 1&nbsp; mm 직경, 4-5&nbsp; mm 길이)</td></tr><tr><td>NanoTest Liquid Cell</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>병렬 플레이트 레오미터 MCR501</td><td>Anton-Parr-PP25</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Anton-Parr-25mm</td><td></td> <td>직경 평면 측정 플레이트</td></tr><tr><td>, 접착 사포,</td><td>McMaster-Carr</td><td>4184A48</td><td>대체 공급업체 사용 가능</td></tr><tr><td>, Loctite 4013 순간 접착제</td><td>Henkel</td><td>20268</td><td>대체 공급업체 사용 가능</td></tr></tbody></table>

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

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

기계 모조품 또는 조직 재생 연구에 대한 여부, 뇌의 특성에 의해 영감 재료를 설계 및 엔지니어, 뇌 조직 자체는 물론 다양한 길이와 시간 규모에서 특징해야합니다. 많은 생물학적 조직과 마찬가지로 뇌 조직은 복잡한 계층 구조를 나타낸다. 그러나 대부분의 다른 조직과는 대조적으로, 뇌는 아빠의 100 단위 정도의 영의 탄성 계수를 E로, 매우 낮은 기계적 강성이다.이 낮은 강성 키 기계적 특성의 실험적 특성에 문제를 표시 할 수 있습니다. 여기, 우리는 서로 다른 길이 스케일과 로딩 속도에서 뇌 조직으로 수화, 준수 생물학적 재료의 탄성 및 점탄성 특성을 측정하도록되어 여러 가지 기계적 특성 분석 기법을 보여줍니다. 마이크로 스케일에서, 우리는 원자 힘 현미경을 사용 들여 쓰기를 사용하여 크리프 준수 및 강제 휴식 실험을 실시하고 있습니다. 메소에서케일, 우리는 진자 기반 계측 압자를 사용하여 충격 압입 실험을 수행합니다. 거시적, 우리는 주파수에 의존 전단 탄성 계수를 정량화하는 평행 판 레오 메타를 실시하고 있습니다. 우리는 또한 각 방법과 관련된 문제 및 제한 사항에 대해 설명합니다. 이 두 기술은 더 뇌의 구조를 이해하는 바이오 고무 물질을 설계하는 데 사용될 수 뇌 조직의 충분히 기계적 특성을 가능하게한다.

그림 4는 각각 가해진 힘 또는 압입 깊이 (그림 4A, D), 부여, 크리프 준수에 대한 시간 응답 (그림 4B, E) 대 대표 들여 쓰기와 힘을 보여줍니다 및 휴식 실험을 강제로. 이러한 데이터는 시스템의 구조를 사용하여 크리프 컴플라이언스 J의 C (t)와 이완 계수 G R (t)에 힘이 뇌 (도 4C, F)의 상이한 영역에 대해 계산 될 수있다. 이전의 연구는 뇌 (23)의 다른 영역의 탄성 계수의 차이를 도시하고 있지만, 점탄성 특성은 주어진 조직 절편 내의 지역간 편차를 보이지 않는다 마우스 뇌 조직 조각이 방법으로 측정 하였다. 충격 들여...

우리는 미시, 중간 및 거시적 규모에서 뇌의 점탄성 기계적 특성을 특성화하는 일련의 기술을 제시합니다.

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

이러한 기계적 특성 분석 기술의 전반적인 목표는 다양한 길이 스케일과 하중 속도에서 생체 조직의 점탄성 특성을 측정하는 것입니다. 이러한 방법들은 생물 공학의 핵심적인 질문들에 답하는 데 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 매우 높은 하중 속도에서 뇌가 어떻게 변형되는지, 또는 다발성 경화증이나 자폐증과 같은 질환이 뇌 조직의 기계적 특성에 어떤 영향을 미치는지 등을 분석할 수 있습니다.이러한 기술의 주요 장점은 생체 조직과 같이 강성이 매우 낮고 수화도가 매우 높은 재료에 대해 광범위한 하중 조건에서 테스트할 수 있으며, 단일 세포 수준부터 뇌 전체 수준까지 매우 넓은 범위의 재료 부피에 대해 테스트가 가능하다는 점입니다. 이러한 기술적 함의는 보호 전략 수립에 중요한 뇌 손상 시의 반응 모델링으로 확장됩니다. 이 방법은 뇌의 기계적 특성에 대한 통찰을 제공할 뿐만 아니라, 심장 및 간과 같은 다른 유연한 생체 조직에도 적용될 수 있습니다.유연한 조직의 기계적 특성을 분석할 때는 측정 프로브와 조직 사이에 적절한 접촉을 형성하는 것이 매우 중요합니다. 공칭 용수철 상수가 0.03 N/m이고 직경이 20 µm인 붕규산 유리 비드를 부착한 AFM 프로브를 프로브 홀더에 조심스럽게 장착하십시오. 페트리 접시에 고정된 뇌 절편을 37 °C로 예열된 AFM 스테이지 장착 히터 위에 놓으십시오.그런 다음 미리 데워둔 배지를 약 2 mL 추가합니다. 다음으로, AFM 프로브를 배지에 내릴 때 표면 장력으로 인해 파손되는 것을 방지하기 위해 프로브 위에 배지를 한 방울 조심스럽게 떨어뜨립니다. 그런 다음 AFM 헤드를 스테이지 위로 다시 배치하고, 헤드가 배지에 잠길 때까지 천천히 내리기 시작합니다.광학 현미경을 사용하여 관심 영역이 보정된 AFM 프로브 아래에 오도록 스테이지를 이동한 다음, AFM 프로브를 내려 조직 표면에 접촉시킵니다. 크리프 컴플라이언스(creep compliance) 실험을 수행하기 위해, 소프트웨어의 함수 편집기에서 인가 힘 함수를 구성합니다. 이 함수는 5 nanonewton의 설정값까지 0.1초 동안 램프(ramp) 증가, 20초 동안 유지, 그리고 이어서 0 nanonewton까지 1초 동안 램프 감소하는 과정으로 구성됩니다.소프트웨어는 인가 힘 함수가 작동하는 동안 조직으로 들어가는 AFM 프로브의 압입 데이터를 기록합니다. 크리프 컴플라이언스 실험을 마친 후, 소프트웨어에서 인가 압입 함수를 생성하여 힘 완화 실험을 수행합니다. 소프트웨어가 조직에 압입되는 AFM 프로브가 받는 힘에 대한 데이터를 수집하는 동안 이 함수를 실행하십시오.충격 압입 시험을 시작하려면 핀셋을 사용하여 구형 프로브를 펜듈럼에 밀어 넣어 맞춥니다. 그런 다음 용융 석영 시료 포스트를 플레이트에 부착하고 플레이트를 이동 스테이지에 나사로 고정합니다. 수화된 뇌 조직에 대한 동적 충격 실험을 수행하려면 먼저 액체 셀 보정을 실시하십시오.소프트웨어의 Calibration 메뉴로 이동하여 Liquid Cell을 선택하고, 소프트웨어의 안내에 따라 용융 석영 시료와 접촉하십시오. 다음으로 Indenter Type에서 Normal을 선택하고, Indenter Load의 기본값인 0.05 millinewtons를 사용하십시오. 그런 다음 continue를 클릭하여 수직 압입자 구성에 대한 보정을 수행하십시오.이제 시료 스테이지를 최소 5mm 뒤로 이동시킨 후 레버 암을 장착하십시오. 인덴터 유형에서 Liquid Cell을 선택하여 새로운 구성에서 액체 셀 보정을 반복하십시오. Continue를 클릭하여 액체 셀 보정 계수를 얻으십시오.다음으로, 커패시터 판 간격을 넓힙니다. 커패시터 판 간격을 넓히면 최대 측정 가능 깊이가 증가하며, 이는 컴플라이언스가 매우 높은 재료를 테스트할 때 필요합니다. 렌치를 사용하여 커패시터 판 간격을 조절하는 세 개의 너트를 시계 방향으로 조금씩 돌립니다.시계 방향으로 한 바퀴 완전히 돌릴 때마다 유지보수(Maintenance) 메뉴에서 브릿지 박스 조정(Bridge Box Adjustment)을 선택하여 양호한 진자 테스트(pendulum test) 결과를 얻으십시오. 근사 깊이 보정(Approx. Depth Calibration) 값이 70,000 nanometers per volt 이상이 될 때까지 너트를 천천히 계속 조정하십시오.그 다음, 전원 공급 장치를 통해 켜고 끌 수 있는 새로운 리미트 스톱을 펜듈럼 하단에 배치합니다. 펜듈럼 뒤에 위치한 기존의 리미트 스톱을 제거하여 펜듈럼의 움직임에 발생할 수 있는 방해 요소를 없애고, 더 높은 충격 속도와 유연한 샘플에 대한 더 깊은 관통 깊이를 확보합니다. 솔레노이드의 전원을 켜고 10 V로 설정합니다.다음으로, Experiment 메뉴로 이동하여 Impact and Adjust Impulse Displacement를 선택하십시오. 소프트웨어의 지침에 따라 펜듈럼의 스윙 거리를 교정하십시오. 충격 함몰 설정이 완전히 완료되면, 배지를 흡입하고 뇌 절편을 건조시키십시오.그 다음, 시아노아크릴레이트 접착제를 얇게 도포하여 절편화된 뇌를 알루미늄 샘플 포스트에 고정합니다. 이어서 리퀴드 셀을 샘플 포스트의 두 번째 O-링 위로 밀어 넣고, 조직이 완전히 잠기도록 리퀴드 셀에 5 mL의 이산화탄소 독립 배지를 채웁니다. 레버 암의 팁이 배스 위에 적절히 위치할 때까지 배스를 -X 방향으로 이동시킵니다.다음으로, 팁이 용액에 완전히 잠기고 샘플 앞에 위치할 때까지 Z 양의 방향으로 이동합니다. Sample Stage Control 창을 사용하여 조심스럽게 접촉시킨 후, 스테이지를 샘플 표면에서 약 30 micrometers 정도 떨어뜨립니다. Experiment 메뉴에서 Impact를 클릭하고 충격 실험을 설정합니다.스윙 거리 보정 결과에 따라 결과 충격 속도와 직접적으로 연관되는 특정 충격 하중을 선택하십시오. 그런 다음 예정된 실험을 수행하십시오. 펜듈럼이 되돌아오고 샘플 표면이 측정 평면으로 계속 이동하면, 하단 리미트 스위치를 끄십시오.시간에 따른 프로브의 변위가 소프트웨어에 의해 기록됩니다. 지름 25 millimeter 측정 프로브에 사포를 부착하십시오. 그다음, 열 시스템을 연결하고 프로브를 장착하십시오.마지막으로, 상부 플레이트와 정렬하여 하부 플레이트에 또 다른 사포 조각을 부착합니다. 제조사의 지침에 따라 레오미터를 보정합니다. 먼저, 프로브의 힘을 영점 조절합니다.둘째, 프로브와 바닥 플레이트 사이의 접촉을 설정합니다. 그런 다음 프로브의 관성을 측정합니다. 마지막으로 모터 조정을 수행합니다.그 후 측정 플레이트를 천천히 내립니다. 플레이트가 조직에서 1mm 이내에 도달하면, 플레이트가 조직의 상부 표면에 완전히 접촉하고 측정된 수직 항력이 원하는 값에 도달할 때까지 0.1mm씩 간격으로 내립니다. 절차 동안 수분 상태를 유지하기 위해 샘플 가장자리에 소량의 배지를 파이펫으로 분주합니다.써멀 후드를 내립니다. 다음으로 File, New를 클릭하고 Gel 탭 아래에서 Frequency Sweep을 선택하십시오. 그런 다음 window measurement one frequency sweep을 클릭하고 oscillation 박스를 더블 클릭하십시오.주파수 범위, 변형률, 측정 지점 수를 입력하십시오. 마지막으로 OK를 선택하고 Start를 클릭하여 주파수 스윕을 시작합니다. 다음은 크리프 컴플라이언스와 응력 완화 실험 모두에 대한 대표적인 압입 및 힘 대 시간 반응 결과입니다.이러한 데이터와 시스템의 기하학적 구조를 이용하여 뇌의 서로 다른 영역에 대한 크리프 컴플라이언스(creep compliance)와 힘 완화 계수(force relaxation moduli)를 계산할 수 있습니다. 충격 압입법은 공간적 및 시간적으로 집중된 고속 하중 상태에서 조직의 기계적 특성을 측정합니다. 결과로 얻어지는 충격 응답 파라미터는 다양한 충격 속도에서 정량화할 수 있으며, 이는 조직의 속도 의존적 특성을 연구하는 수단을 제공합니다.레올로지(Rheology)는 저장 탄성률(storage modulus)과 손실 탄성률(loss modulus)을 통해 벌크 조직의 주파수 의존적 점탄성 특성을 측정합니다. 저주파수에서 저장 탄성률은 손실 탄성률보다 거의 한 자릿수 더 크게 나타나며, 이는 뇌 조직의 거동에서 탄성 특성이 지배적임을 나타냅니다. 이 절차를 수행할 때는 조직이 충분히 수화된 상태를 유지하거나, 조직이 적절한 구조를 유지할 수 있도록 돕는 용액에 침전시키는 것이 중요합니다.이러한 입증된 기술들의 개발을 통해 재료 연구자들은 뇌의 기계적 응답을 모방할 수 있는 합성 겔을 설계하고 최적화할 수 있는 길이 열렸습니다. 이 영상을 시청한 후에는 원자 힘 현미경 기반의 압입 시험, 충격 압입 시험 및 레올로지가 조직의 점탄성 기계적 특성을 규명하는 데 어떻게 사용되는지 충분히 이해하게 될 것입니다. 수집된 데이터를 해석할 때, 변형된 조직의 부피가 구조적으로 균질하고 탄성적으로 등방성이라는 기본 가정을 기억하십시오.이는 모든 생물학적 조직에 반드시 적용되는 것은 아닙니다. 생물학적 조직의 역학에 관한 질문이 더 명확해짐에 따라, 관심 있는 적절한 길이 스케일이나 시간 스케일에서 해당 질문에 답하기 위해 이러한 역학 실험 중 하나 또는 그 이상을 선택할 수 있습니다.

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

Research

연구

JoVE Journal

Neuroscience

신경과학

세포외 기질의 강성은 강하게 점착 성의 세포의 여러 행동에 영향을 미칩니다. 매트릭스 강성은​​ 조직 전반에 걸쳐 공간 다양하고, 다양한 질병 상태에서 수정을 겪습. 여기 원자 힘 현미경 microindentation를 사용하여 정상 및 fibrotic 마우스 폐 조직의 경직의 공간적 변화를 특징하는 방법을 개발할 수 있습니다.

원자 힘 현미경을 사용하여 폐 조직의 미세 기계적 특성

출처: Canovic, E. P., et al. 원자력 현미경, 충격 압흔 및 유변 물성 측정을 사용하여 뇌 조직의 다중 스케일 기계적 특성을 특성화합니다. J. Vis. Exp. (2016)이 비디오는 구형 프로브가 있는 캔틸레버가 조직과 상호 작용하고 가해진 힘에 의해 구부러지는 뇌 조직의 점탄성 특성을 측정하기 위해 원자력 현미경(AFM)을 사용하는 방법을 보여줍니다. 검출기로 편향된 레이저 빔은 캔틸레버를 추적하여 압흔 깊이와 힘 완화를 측정하여 조직의 기계적 특성을 특성화할 수 있습니다.

원자력 현미경을 사용한 마우스 뇌 조직의 기계적 특성 특성화

출처: Canovic, E. P., et. al., 원자력 현미경, 충격 압흔 및 유변 물성 측정을 사용하여 뇌 조직의 다중 스케일 기계적 특성을 특성화합니다. J. Vis. Exp. (2016)이 비디오는 프로브 변위 및 속도 분석을 통해 강성, 에너지 소산 및 댐핑을 포함한 수화된 마우스 뇌 조직의 기계적 특성을 측정하기 위해 충격 압입을 사용하는 방법을 보여줍니다.

마우스 뇌 조직의 기계적 특성을 평가하기 위한 충격 압흔(Impact Indentation)

출처: Canovic, E. P., et al. 원자력 현미경, 충격 압흔 및 유변 물성 측정을 사용하여 뇌 조직의 다중 스케일 기계적 특성을 특성화합니다. J. Vis. Exp. (2016)이 비디오에서는 레오미터를 사용하여 뇌 조직에 제어된 진동 회전 운동을 적용하여 전단 변형을 생성하고 조직의 점성 및 탄성 특성을 평가했습니다. 레오미터는 기능적 도구로서 부상 또는 신경 퇴행성 질환 발생 시 뇌 역학에 대한 통찰력을 제공합니다.

유변 물성 측정법을 사용한 마우스 뇌 조직의 점탄성 특성 측정

이 논문은 원자 힘 현미경 (AFM)을 사용하여 microindentation을 통해 살아있는 세포의 기계적 특성을 특성화 할 수있는 프로토콜을 보여줍니다.

원자 힘 현미경을 사용하여 살아있는 세포의 기계적 특성을 측정

이 실험 프로토콜은 원자력 현미경을 사용하여 실제 나노미터 규모에서 경도를 측정하고 단일 원자 가소성 이벤트를 감지하는 방법을 설명합니다.

계장 AFM-들여 쓰기에 의해 정량 경도 측정

여기에서, 우리는 세포와 조직에 나노 및 마이크로 들여 쓰기 공구로 작동하는 원자력 현미경 검사법 (AFM)를 제시합니다. 이 계측기는 시료의 3D 표면 지형과 세포벽 Young의 계수및 터거 압력을 포함한 기계적 특성을 동시에 수집할 수 있습니다.

식물 세포 및 식물 조직의 기계적 특성 및 터거 압력을 측정하기 위해 원자력 현미경 검사법 사용

이 프로토콜은 하이드로겔 및 세포를 포함한 연질 물질 나노인덴테이션 실험을 위한 완전한 워크플로우를 제공합니다. 첫째, 힘 분광법 데이터를 획득하기 위한 실험 단계가 자세히 설명되어 있습니다. 그런 다음 이러한 데이터의 분석은 GitHub에서 무료로 다운로드할 수 있는 새로 개발된 오픈 소스 Python 소프트웨어를 통해 자세히 설명됩니다.

연질 물질 나노인덴테이션을 위한 실험 및 데이터 분석 워크플로우

우리는 원자력 현미경을 사용하여 정상 및 병든 간에서 콜라겐이 풍부한 영역의 탄성 계수를 측정하는 프로토콜을 제시합니다. 편광 현미경의 동시 사용은 간 절편에서 콜라겐이 풍부한 부위를 국소화하기 위한 높은 공간 정밀도를 제공합니다.

편광 현미경과 결합된 원자력 현미경을 사용한 간 경화도 측정

원자력 현미경(AFM) 프로브 팁이 샘플 표면에 가하는 접촉 면적과 힘을 정량화하면 나노 크기의 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. 탄성 계수 또는 기타 나노기계적 특성을 측정하기 위해 연질 및 경질 샘플의 공기 또는 유체에서 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 구현하는 모범 사례에 대해 설명합니다.

원자력 현미경 캔틸레버 기반 나노인덴테이션: 공기 및 유체의 나노 스케일에서 기계적 특성 측정

이 프로토콜은 쥐 폐 조직의 냉동 절편을 준비하고, 원자력 현미경 힘 매핑 실험을 수행하고, 데이터를 분석하여 천연 쥐 폐 기저막의 Young's modulus를 결정하는 방법을 시각화합니다.

원자력 현미경 도출된 힘 맵에서 토착 쥐 폐 기저막의 Young's Modulus 추출

배우세요 원자 힘 현미경, 충격 들여쓰기 및 유변학을 사용하여 뇌 조직의 점탄성 기계적 특성을 다양한 스케일에서 측정하는 방법을. 이 기술은 질병이 뇌 역학에 미치는 영향을 이해하는 데 필수적입니다.

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

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