Method Article

Karakteriseren Multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van Atomic Force Microscopy, Impact Inspringen en reometrie

DOI:

10.3791/54201

⸱

September 6th, 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het ontwerpen en ingenieur materialen geïnspireerd op de eigenschappen van de hersenen, of mechanische simulant of voor weefselregeneratie studies moet het hersenweefsel zelf goed gekarakteriseerd in verschillende lengte- en tijdschalen. Zoals vele biologische weefsel, hersenweefsel vertoont een complexe, hiërarchische structuur. In tegenstelling tot de meeste andere weefsels, hersenen zeer lage mechanische stijfheid, met kleine elastische moduli E in de orde van 100s van Pa. Dit lage stijfheid uitdagingen te stellen karakterisatie van belangrijke mechanische eigenschappen. Hier tonen we verschillende mechanische karakterisatie technieken die zijn aangepast aan de elastische en viscoelastische eigenschappen van gehydrateerde, compliant biologische materialen zoals hersenweefsel op verschillende lengteschalen en beladingsgraad meten. Aan de microschaal, voeren wij kruip-compliance en kracht ontspanning experimenten met atomic force-microscoop ingeschakeld inspringen. Aan het MesosCale, voeren we invloed inspringen experimenten met behulp van een slinger op basis van geïnstrumenteerde indringlichaam. Aan de macroschaal, voeren wij parallelle plaat reometrie om de frequentie afhankelijke shear elasticiteitsmoduli kwantificeren. We bespreken ook de uitdagingen en beperkingen in verband met elke methode. Samen de technieken geeft een grondige mechanische karakterisatie van hersenweefsel die kunnen worden gebruikt om een ​​beter begrip van de structuur van de hersenen en bio ingenieur geïnspireerd materialen.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De meeste zachte weefsels bestaande uit biologische organen zijn mechanisch en structureel complexe, van lage stijfheid in vergelijking met gemineraliseerd bot of gemanipuleerde materialen, en vertonen niet-lineaire en tijdsafhankelijke vervorming. In vergelijking met andere weefsels in het lichaam, hersenweefsel opmerkelijk overeenstemming met elastische moduli E in de orde van 100s van 1 Pa. Hersenweefsel vertoont structurele heterogeniteit met verschillende en in elkaar grijpende grijze en witte stof regio's die ook functioneel verschillen. Begrip hersenweefsel monteurs helpen bij de ontwikkeling van materiaal en rekenmodellen de reactie va....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ethiek Verklaring: Alle experimentele protocollen werden goedgekeurd door het Comité van Boston Children's Hospital Animal Research en voldoen aan de National Institutes of Health Guide voor de zorg en het gebruik van proefdieren.

1. Mouse Brain Tissue Acquisition Procedures (voor-AFM ingeschakeld inspringen en de impact inspringen)

  1. Bereid een ketamine / xylazine mengsel aan de muizen verdoven. Combineer 5 ml ketamine (500 mg / ml), 1 ml xylazine (20 mg / ml) en 7 ml 0,9% zoutoplossing.
  2. Injecteren muis (Ras: TSC1; Syn-Cre; plp-eGFP; Leeftijd: p21; Geslacht: Man of Vrouw) met 7 pi per gram lichaamsgewicht van de ke....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figuur 4 toont representatieve inkeping en kracht versus tijd responsen (figuur 4B, E) kruip compliance en dwingen relaxatie experimenten, aangezien een uitgeoefende kracht of indrukking diepte (figuur 4A, D), respectievelijk. Met deze gegevens en de geometrie van het systeem, kan de kruip naleving J c (t) en dwingen ontspanning moduli G R (t) worden berekend voor verschillende gebieden van de hers.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elke techniek in dit document meet verschillende facetten van de mechanische eigenschappen hersenweefsel's. Creep naleving en stress ontspanning moduli zijn een maat voor tijdsafhankelijke mechanische eigenschappen. De opslag en verliesrekening moduli vertegenwoordigen rate-afhankelijke mechanische eigenschappen. Impact inspringen meet ook snelheid-mechanische eigenschappen, maar in de context van energie dissipatie. Bij het karakteriseren van weefsel mechanische eigenschappen, zijn beide AFM-enabled inspringen en r.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We acknowledge support of this work by the National Multiple Sclerosis Society and Simons Center for the Social Brain. BQ acknowledges support from the U.S. National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship program.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
XylazineLloyd Laboratoriedperscription drug
KetamineAnaSed Injectionsperscription drug
Vibratome (Vibrating blade microtome)LeicaVT1200
Hibernate-A MediumGibcoA1247501CO2-independent neural medium for adult tissue
Atomic Force Microscope, MFP-3D-BIOAsylum Research-
Petri Dish HeaterAsylum Research-
AFM Probe, 0.03 N/m, 10 µm radius borosilicate sphereNovascanPT.GS
Cell-TakCorning354240mussel-derived bioadhesive
Sodium BicarbonateSigma-AldrichS5761alternate suppliers can be used
Sodium Hydroxide, 1 NSigma-Aldrich59223Calternate suppliers can be used
Instrumented Indenter, NanoTest VantageMicro Materials Ltd.-probe tip needs to be machined (steel flat punch, 1 mm diameter, 4-5 mm length)
NanoTest Liquid CellMicro Materials Ltd.-
Parallel Plate Rheometer MCR501Anton-Parr-
PP25 Anton-Parr-25 mm diameter flat measurement plate
Adhesive SandpaperMcMaster-Carr4184A48alternate suppliers can be used
Loctite 4013 Instant AdhesiveHenkel20268alternate suppliers can be used

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.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

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

Related Articles