Name: Karakteriseren Multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van Atomic Force Microscopy, Impact Inspringen en reometrie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: Leer viscoëlastische mechanische eigenschappen van hersenweefsel meten met AFM, impact-indentatie en reometrie. Deze technieken helpen onderzoekers ziektes en letselmechanismen te begrijpen.

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

We erkennen de steun van dit werk door de National Multiple Sclerosis Society en Simons Center for the Social Brain. BQ erkent steun van het U.S. National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship programma.

<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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Elke techniek in dit document meet verschillende facetten van de mechanische eigenschappen hersenweefsel&#39;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...

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&#39;s die ook functioneel verschillen. Begrip hersenweefsel monteurs helpen bij de ontwikkeling van materiaal en rekenmodellen de reactie van de hersenen tijdens verwonding bootsen, voorspelling van mechanische schade te vergemakkelijken, en maken engineering van beschermende strategieën. Bovendien kunnen deze gegevens worden gebruikt om ontwerpdoelen voor weefselregeneratie te beschouwen en structurele veranderingen in hersenweefsel die worden geassocieerd met ziekten zoals multiple sclerose en autisme beter te begrijpen. Here, we beschrijven en demonstreren verschillende experimentele benaderingen die ter beschikking van de visco-elastische eigenschappen van mechanisch compliant weefsels, waaronder hersenweefsel te karakteriseren zijn, op micro-, meso- en macro-schaal. Aan de microschaal, voerden we kruip-compliance en dwingen ontspanning experimenten met atomic force microscope (AFM) -enabled inspringen. Typisch wordt ingeschakeld AFM-indentatie gebruikt om de elastische modulus (of momentane stijfheid) van een monster 2-4 schatten. Echter, kan hetzelfde instrument ook gebruikt worden om microschaal visco-elastische (tijd- of rate-afhankelijk) eigenschappen 5-10 meten. Het principe van deze experimenten weergegeven in figuur 1, is een AFM vrijdragende sonde in het hersenweefsel inspringen, handhaven een bepaalde grootte van de kracht of indrukking diepte en de overeenkomstige veranderingen in inspringen diepte en kracht respectievelijk meten tijd. Met deze gegevens kunnen we de kruip comping berekenenLiance J C en ontspanning modulus G R, respectievelijk. Voor deze mesoschaal, voerden we experimenten effect inkeping in vloeistof ondergedompeld omstandigheden die de weefselstructuur en hydratatie op peil te houden, met behulp van een slinger gebaseerde geïnstrumenteerde nanoindenter. De experimentele opstelling is weergegeven in figuur 2. Aangezien de slinger in aanraking met het weefsel, sondeverplaatsing wordt geregistreerd als functie van de tijd totdat de oscillerende slinger komt te rusten in het weefsel. Uit de resulterende gedempte harmonische oscillerende beweging van de sonde, kunnen we de maximale penetratiediepte xmax, energiedissipatie capaciteit K en dissipatie kwaliteitsfactor Q (dat betrekking heeft op de snelheid van energiedissipatie) van het weefsel 11,12 berekenen. Voor deze macroschaal, gebruikten we een parallelle plaat rheometer de frequentieafhankelijke shear elastische moduli kwantificerenaangeduid als de opslagmodulus G &#39;en de verliesmodulus G &quot;, van het weefsel. Bij dit type reometrie, berekenen we een harmonische hoekige stam (en overeenkomstige afschuifhoek) op bekende amplitudes en frequenties en meet de reactionele koppel (en bijbehorende shear stress) , zie figuur 3. uit de verkregen amplitude en faseverschuiving van het gemeten koppel en geometrische variabelen van het systeem, kunnen we berekenen G &#39;en G &quot;bij toegepaste frequenties van belang 13,14.

<table><tbody><tr><td>Xylazine</td><td>Lloyd Laboratoried</td><td></td><td>voorschrift geneesmiddel</td></tr><tr><td>Ketamine</td><td>AnaSed Injections</td><td></td><td>voorschrift geneesmiddel</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-onafhankelijk zenuwmedium voor volwassen weefsel</td></tr><tr><td>Atomic Force Microscope, MFP-3D-BIO</td><td>Asylum Research</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Petri Dish Heater</td><td>Asylum Research</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>AFM Probe, 0.03 N/m, 10&nbsp;&micro;m radius borosilicate sphere</td><td>Novascan</td><td>PT.GS</td><td></td></tr><tr><td>Cell-Tak</td><td>Corning</td><td>354240</td><td>uit schelpen afgeleid bio-adhesief</td></tr><tr><td>Sodium Bicarbonate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761</td><td>alternatieve leveranciers kunnen worden gebruikt</td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide, 1 N</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>59223C</td><td>alternatieve leveranciers kunnen worden gebruikt</td></tr><tr><td>Instrumented Indenter, NanoTest Vantage</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td>sondetip moet worden gemaakt (stalen platte pons, 1&nbsp;mm diameter, 4-5&nbsp;mm lengte)</td></tr><tr><td>NanoTest Liquid Cell</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Parallel Plate Rheometer MCR501</td><td>Anton-Parr</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>PP25&nbsp;</td><td>Anton-Parr</td><td>-</td><td>platte meetplaat met een diameter van 25 mm</td></tr><tr><td>Adhesive Sandpaper</td><td>McMaster-Carr</td><td>4184A48</td><td>alternatieve leveranciers kunnen worden gebruikt</td></tr><tr><td>Loctite 4013 Instant Adhesive</td><td>Henkel</td><td>20268</td><td>alternatieve leveranciers kunnen worden gebruikt</td></tr></tbody></table>

karakteriseren multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van atomic force microscopy, impact inspringen en reometrie

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

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.

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...

We presenteren een reeks technieken om de visco-elastische mechanische eigenschappen van de hersenen te karakteriseren op micro-, meso- en macro-schalen.

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

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

Het algemene doel van deze mechanische karakteriseringstechnieken is het meten van de visco-elastische eigenschappen van biologisch weefsel op verschillende lengteschalen en belastingsnelheden. Deze methoden kunnen worden gebruikt om kernvragen in de biologische engineering te beantwoorden. Bijvoorbeeld: hoe vervormt het brein bij zeer hoge belastingsnelheden, of hoe beïnvloeden ziekten zoals multiple sclerose of autisme de mechanische eigenschappen van het hersenweefsel.Het belangrijkste voordeel van deze technieken is dat u voor materialen met een zeer lage stijfheid en een zeer hoge hydratatie, zoals biologisch weefsel, kunt testen over een breed scala aan belastingsomstandigheden en over een breed scala aan materiaalvolumes, van het niveau van een enkele cel tot het niveau van een volledige hersenstructuur. De implicaties van deze technieken strekken zich uit tot het modelleren van de reactie van de hersenen tijdens letsel, wat essentieel is voor het ontwikkelen van beschermende strategieën. Hoewel deze methode inzicht kan verschaffen in de mechanische eigenschappen van de hersenen, kan ze ook worden toegepast op andere compliant biologische weefsels, zoals het hart en de lever.Tijdens de mechanische karakterisering van compliant weefsel is het essentieel om een correct contact tussen de meetprobe en het weefsel tot stand te brengen. Laad voorzichtig een AFM-probe met een nominale veerconstante van 0,03 N/m en een borosilicaatkraal met een diameter van 20 µm in de probehouder. Plaats een hersensnede, gemonteerd in een petrischaal, op een op het AFM-podium gemonteerde verwarming die is voorverwarmd tot 37 °C.Voeg vervolgens ongeveer twee milliliter voorverwarmd medium toe. Voeg daarna voorzichtig een druppel medium toe op de AFM-probe om te voorkomen dat deze breekt door oppervlaktespanning wanneer deze in het medium rondom de hersendoorsnede wordt gelaagd. Plaats vervolgens de AFM-kop opnieuw op de tafel en begin de kop te laten zakken tot deze is ondergedompeld in het medium.Verplaats met de optische microscoop de tafel zodat het gebied van interesse zich onder de gekalibreerde AFM-probe bevindt, en laat de AFM-probe vervolgens zakken tot deze contact maakt met het weefseloppervlak. Om de experimenten naar kruipcompliantie uit te voeren, stelt u in de functie-editor van de software een functie voor de aangebrachte kracht op. Deze functie bestaat uit een ramp van 0,1 seconde naar een ingesteld punt van 5 nanonewton, die gedurende 20 seconden wordt vastgehouden, gevolgd door een ramp van één seconde terug naar nul nanonewton.De software zal gegevens registreren over de indentatie van de AFM-probe in het weefsel tijdens de toegepaste krachtfunctie. Na het uitvoeren van het creep-compliance-experiment worden krachtrelaxatie-experimenten uitgevoerd door een toegepaste indentatiefunctie in de software aan te maken. Voer deze functie uit terwijl de software gegevens verzamelt over de kracht die op de AFM-probe wordt uitgeoefend tijdens de indentatie in het weefsel.Om te beginnen met de impact-indentatietests, plaatst u een bolvormige probe op de pendule door deze met een pincet erop te schuiven. Bevestig vervolgens de monsterhouder van gesmolten kwarts op de plaat en schroef de plaat vast in de translationele trapone. Voer eerst de kalibratie van de vloeistofcel uit om dynamische impactexperimenten op gehydrateerde hersenweefsels mogelijk te maken.Ga in de software naar het kalibratiemenu, selecteer Liquid Cell en volg de aanwijzingen van de software om contact te maken met het monster van gesmolten kwarts. Selecteer vervolgens Normal bij Indenter Type en gebruik de standaardwaarde van 0,05 millinewtons voor de Indenter Load. Klik daarna op doorgaan om de kalibratie voor de normale indenterconfiguratie uit te voeren.Verplaats nu de monstertafel minstens vijf millimeter terug en monteer de hefboomarm. Herhaal de kalibratie van de vloeistofcel in de nieuwe configuratie door Liquid Cell te selecteren als indentertype. Klik op Continue om de kalibratiefactor van de vloeistofcel te verkrijgen.Vergroot vervolgens de afstand tussen de condensatorplaten. Het vergroten van de afstand tussen de condensatorplaten vergroot de maximaal meetbare diepte, wat noodzakelijk is bij het testen van zeer compliant materiaal. Draai met een steeksleutel de drie moeren waarmee de afstand tussen de condensatorplaten wordt geregeld in kleine stappen met de klok mee.Selecteer na elke volledige slag rechtsom Bridge Box Adjustment in het onderhoudsmenu en voer een correcte pendeltest uit. Ga door met het langzaam bijstellen van de moeren totdat de Approx. Depth Calibration een waarde van 70 000 nanometers per volt of hoger aangeeft.Plaats vervolgens een nieuwe eindstop onderaan de pendel die via een voeding aan en uitgeschakeld kan worden. Verwijder de oorspronkelijke eindstop achter de pendel om een mogelijke belemmering van de beweging van de pendel weg te nemen, zodat hogere impactsnelheden en grotere penetratiedieptes in compliant monsters mogelijk zijn. Schakel de voeding voor de solenoïde in en stel deze in op 10 volt.Ga vervolgens naar het menu Experiment en selecteer Impact and Adjust Impulse Displacement. Volg de instructies van de software om de zwaaibaan van de pendel te kalibreren. Wanneer de opstelling voor de impactindentatie volledig is voltooid, wordt het medium geaspireerd en de hersensnede gedroogd.Gebruik vervolgens een dunne laag cyanoacrylaatlijm om het gesneden brein op de aluminium monsterhouder te bevestigen. Schuif daarna de vloeistofcel over de tweede O-ring op de monsterhouder en vul de vloeistofcel met vijf milliliter koolstofdioxide-onafhankelijk medium om het weefsel volledig onder te dompelen. Verplaats het bad in de negatieve X-richting totdat de punt van de hefboomarm correct boven het bad is gepositioneerd.Beweeg vervolgens in de positieve Z-richting tot de tip volledig in het bad is ondergedompeld en zich voor het monster bevindt. Maak voorzichtig contact via het venster Sample Stage Control en beweeg de tafel vervolgens ongeveer 30 micrometer van het monsteroppervlak weg. Klik onder het menu Experiment op Impact en stel een impactexperiment in.Kies een specifieke impulslast die direct gerelateerd is aan de resulterende impactsnelheid op basis van de kalibratie van de zwaaiboomafstand. Voer vervolgens het geplande experiment uit. Wanneer de pendel terugzwaait en het sample-oppervlak doorbeweegt naar het meetvlak, schakelt u de onderste eindschakelaar uit.De verplaatsing van de probe als functie van de tijd zal door de software worden geregistreerd. Bevestig schuurpapier aan de meetprobe met een diameter van 25 millimeter. Bevestig vervolgens het thermische systeem en monteer de probe.Bevestig ten slotte een ander stuk schuurpapier aan de bodemplaat, uitgelijnd met de bovenplaat. Kalibreer de rheometer volgens de instructies van de fabrikant. Zet eerst de kracht op de probe op nul.Stel vervolgens contact vast tussen de probe en de bodemplaat. Meet daarna de traagheid van de probe. Voer tot slot een motorafstelling uit.Laat vervolgens de meetplaat langzaam zakken. Wanneer de plaat zich binnen een millimeter van het weefsel bevindt, laat u deze in stappen van 0,1 millimeter zakken tot de plaat volledig in contact staat met het bovenoppervlak van het weefsel en de gemeten normaalkracht de gewenste waarde heeft bereikt. Pipetteer een klein volume medium op de randen van het monster om de hydratatie tijdens de procedure te behouden.Laat de thermische kap zakken. Klik vervolgens op Bestand, Nieuw, en selecteer onder het tabblad Gel de optie Frequentiesweep. Klik daarna op window measurement one frequency sweep en dubbelklik op het oscillatievak.Voer het frequentiebereik, de rek en het aantal punten in. Selecteer ten slotte OK en klik op Start om de frequentiescan te starten. Hier zijn representatieve responsen van indentatie en kracht versus tijd voor zowel kruikcompliancie- als krachtrelaxatie-experimenten.Met behulp van deze gegevens en de geometrie van het systeem kunnen de kruipcompliance en de krachtrelaxatiemoduli voor verschillende hersengebieden worden berekend. Impactindentatie meet de mechanische eigenschappen van het weefsel bij hoge snelheden van ruimtelijk en temporeel geconcentreerde belasting. De resulterende impactrespons-parameters kunnen worden gekwantificeerd bij verschillende impactsnelheden, wat een methode biedt om de snelheidsafhankelijke eigenschappen van het weefsel te bestuderen.Rheologie meet de frequentieafhankelijke visco-elastische eigenschappen van bulkweefsel in termen van de opslag- en verliesmoduli. De opslagmodulus is bij lage frequenties bijna een orde van grootte groter dan de verliesmodulus, wat aangeeft dat elastische eigenschappen het gedrag van hersenweefsel domineren. Tijdens het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om het weefsel adequaat gehydrateerd te houden of ondergedompeld in een vloeistof die het weefsel helpt zijn juiste structuur te behouden.De ontwikkeling van deze gedemonstreerde technieken heeft de weg vrijgemaakt voor materiaalkundigen om synthetische gels te ontwerpen en te optimaliseren die de mechanische respons van de hersenen kunnen nabootsen. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in hoe indentatie via een atoomkrachtmicroscoop, impact-indentatie en reologie worden gebruikt om de visco-elastische mechanische eigenschappen van weefsel te karakteriseren. Houd bij het interpreteren van de verzamelde gegevens rekening met de onderliggende aanname dat het gedeformeerde volume van het weefsel structureel homogeen en elastisch isotroop is.Dit is niet noodzakelijkerwijs waar voor alle biologische weefsels. Naarmate uw vragen over de mechanica van biologische weefsels beter gedefinieerd worden, kunt u een of meer van deze mechanische experimenten kiezen om de vraag te beantwoorden op de relevante lengteschaal of tijdschaal.

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neurowetenschap

De stijfheid van de extracellulaire matrix van grote invloed op meerdere gedragingen van hechtende cellen. Matrix stijfheid varieert ruimtelijk overal een weefsel, en ondergaat wijzigingen in de verschillende aandoeningen. Hier hebben we methoden ontwikkelen om de ruimtelijke variatie in stijfheid in normale en fibrotische muis longweefsel met behulp van atomic force microscopie microindentation karakteriseren.

Micro-mechanische karakterisatie van Lung weefsel met behulp van Atomic Force Microscopy

Source: Canovic, E. P., et al. Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry. J. Vis. Exp. (2016)This video demonstrates the use of atomic force microscopy (AFM) to measure the viscoelastic properties of brain tissue, where a cantilever with a spherical probe interacts with the tissue and bends under applied forces. A laser beam deflected onto a detector tracks the cantilever to measure indentation depth and...

Characterization of the Mechanical Properties of Mouse Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy

Source: Canovic, E. P., et. al., Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry. J. Vis. Exp. (2016)The video demonstrates using impact indentation to measure the mechanical properties of a hydrated mouse brain tissue, including stiffness, energy dissipation, and damping, through probe displacement and velocity analysis.

Impact Indentation for Assessing the Mechanical Properties of a Mouse Brain Tissue

Source: Canovic, E. P., et al. Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry. J. Vis. Exp. (2016)In this video, a rheometer was used to apply controlled oscillatory rotational motion to brain tissue to generate shear strain and evaluate the tissue's viscous and elastic properties. The rheometer, as a functional tool, it provides insights into brain mechanics during injury or neurodegenerative diseases.

Measuring the Viscoelastic Properties of Mouse Brain Tissue Using Rheometry

Deze paper toont een protocol om de mechanische eigenschappen van levende cellen te karakteriseren door middel van microindentation gebruik van een Atomic Force Microscope (AFM).

Het meten van de mechanische eigenschappen van levende cellen door gebruik Atomic Force Microscopy

Dit experimentele protocol beschrijft hoe atoomkrachtmicroscopie kan worden gebruikt om hardheid te meten op de echte nanometer schaal en om enkele atomaire plasticiteitsgebeurtenissen te detecteren.

Kwantitatieve Hardheid Meting door Instrumented AFM-inspringen

Hier presenteren we atomaire kracht microscopie (AFM), die wordt gebruikt als een nano-en micro-indentatie tool op cellen en weefsels. Het instrument maakt gelijktijdige verwerving van 3D-oppervlaktetopografie van het monster en de mechanische eigenschappen mogelijk, met inbegrip van de modulus van de celwand Young en de turgor-druk.

Gebruik van atoom kracht microscopie om mechanische eigenschappen en turgor druk van plantencellen en Plantenweefsels te meten

Het protocol presenteert een complete workflow voor nano-indentatie-experimenten met zacht materiaal, inclusief hydrogels en cellen. Ten eerste zijn de experimentele stappen om krachtspectroscopiegegevens te verkrijgen gedetailleerd; vervolgens wordt de analyse van dergelijke gegevens gedetailleerd beschreven via een nieuw ontwikkelde open-source Python-software, die gratis te downloaden is van GitHub.

Experimentele en data-analyse workflow voor soft matter nano-indentatie

We presenteren een protocol om de elastische moduli van collageenrijke gebieden in normale en zieke lever te meten met behulp van atoomkrachtmicroscopie. Het gelijktijdige gebruik van polarisatiemicroscopie biedt een hoge ruimtelijke precisie voor het lokaliseren van collageenrijke gebieden in de leversecties.

Meting van leverstijfheid met behulp van atomic force microscopie in combinatie met polarisatiemicroscopie

Het kwantificeren van het contactoppervlak en de kracht die door een atoomkrachtmicroscoop (AFM) sondepunt op een monsteroppervlak wordt uitgeoefend, maakt mechanische eigenschapsbepaling op nanoschaal mogelijk. Best practices voor het implementeren van AFM cantilever-gebaseerde nano-indentatie in lucht of vloeistof op zachte en harde monsters om elastische modulus of andere nanomechanische eigenschappen te meten, worden besproken.

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanische eigenschapsmetingen op nanoschaal in lucht en vloeistof

Dit protocol visualiseert hoe cryosecties van muizenlongweefsel moeten worden voorbereid, experimenten met atoomkrachtmicroscopiekaarten kunnen worden uitgevoerd en de gegevens moeten worden geanalyseerd om Young's modulus van het inheemse muizenlongbasaalmembraan te bepalen.

Extractie van de Young's Modulus van inheemse muizen pulmonale basaalmembranen uit door atoomkrachtmicroscopie afgeleide krachtkaarten

Leer viscoëlastische mechanische eigenschappen van hersenweefsel meten met AFM, impact-indentatie en reometrie. Deze technieken helpen onderzoekers ziektes en letselmechanismen te begrijpen.

Karakteriseren Multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van Atomic Force Microscopy, Impact Inspringen en reometrie (Video) | JoVE Journal

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

Meer video's verkennen