Name: Experimentele en data-analyse workflow voor soft matter nano-indentatie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 4 s
Description: Leer nano-indentatie van zachte materialen zoals hydrogels en cellen met een commerciële nano-indenter en open-source Python-software. Deze methode vereenvoudigt het verkrijgen van krachtspectroscopiedata voor biologisch onderzoek.

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

GC en MAGO erkennen alle leden van de CeMi. MSS erkent steun via een EPSRC-programmasubsidie (EP/P001114/1).
GC: software (bijdrage aan softwareontwikkeling en algoritmen), formele analyse (analyse van nano-indentatiegegevens), validatie, onderzoek (nano-indentatie-experimenten op polyacrylamidegels), datacuratie, schrijven (origineel concept, beoordeling en bewerking), visualisatie (figuren en grafieken). MAGO: onderzoek (voorbereiding van gels en celmonsters, nano-indentatie-experimenten op cellen), schrijven (origineel concept, review en redactie), visualisatie (figuren en grafieken). NA: validatie, schrijven (review en redigeren). IL: software (bijdrage aan softwareontwikkeling en algoritmes), validatie, schrijven (review en redactie); MV: conceptualisatie, software (ontwerp en ontwikkeling van originele software en algoritmen), validatie, middelen, schrijven (origineel concept, review en redactie), supervisie, projectadministratie, financieringsovername MSS: middelen, schrijven (review en editing), supervisie, projectadministratie, financieringsacquisitie. Alle auteurs lazen en keurden het definitieve manuscript goed.

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dit protocol laat zien hoe krachtig krachtspectroscopie nanoindentatiegegevens kunnen worden verkregen met behulp van een in de handel verkrijgbare ferrule-top nanoindenter op zowel hydrogels als enkele cellen. Daarnaast worden instructies gegeven voor het gebruik van een open-source software geprogrammeerd in Python, bestaande uit een nauwkeurige workflow voor de analyse van nano-indentatiegegevens.
Kritieke stappen in het protocol De volgende stappen zijn van bijzonder be...

De fundamentele rol van de mechanica in de biologie is tegenwoordig vastgesteld 1,2. Van hele weefsels tot afzonderlijke cellen, mechanische eigenschappen kunnen informeren over de pathofysiologische toestand van het onderzochte biomateriaal 3,4. Borstweefsel aangetast door kanker is bijvoorbeeld stijver dan gezond weefsel, een concept dat de basis is van de populaire palpatietest5. Met name is onlangs aangetoond dat de coronavirusziekte 2019 (COVID-19) veroorzaakt door ernstig acuut respiratoir syndroom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) wordt onderstreept door veranderingen in de mechanische eigenschappen van bloedcellen, waaronder verminderde vervormbaarheid van erytrocyten en verminderde lymfocyten- en neutrofiele stijfheid in vergelijking met bloedcellen van SARS-CoV-2-naïeve personen6.
Over het algemeen is de mechanica van cellen en weefsels inherent met elkaar verweven: elk weefsel heeft specifieke mechanische eigenschappen die tegelijkertijd die van de samenstellende cellen en de extracellulaire matrix (ECM)5 beïnvloeden en ervan afhankelijk zijn. Daarom omvatten strategieën om mechanica in de biologie te bestuderen vaak technische substraten met fysiologisch relevante mechanische stimuli om celgedrag op te helderen als reactie op die stimuli. Het baanbrekende werk van Engler en collega's toonde bijvoorbeeld aan dat mesenchymale stamcellijntoeage-binding wordt gecontroleerd door matrixelasticiteit, zoals bestudeerd op zachte en stijve tweedimensionale polyacrylamide (PAAm) hydrogels7.
Er bestaan veel strategieën om het onderzochte biomateriaal mechanisch te karakteriseren, variërend in ruimtelijke schaal (d.w.z. lokaal tot bulk) en in de wijze van vervorming (bijv. Axiale versus afschuiving), wat bijgevolg verschillende informatie oplevert, die zorgvuldige interpretatie vereist 3,8,9,10. De mechanica van zachte biomaterialen wordt vaak uitgedrukt in termen van stijfheid. Stijfheid hangt echter af van zowel materiaaleigenschappen als geometrie, terwijl elastische moduli fundamentele eigenschappen van een materiaal zijn en onafhankelijk zijn van de geometrie van het materiaal11. Als zodanig zijn verschillende elastische moduli gerelateerd aan de stijfheid van een bepaald monster, en elke elastische modulus omvat de weerstand van het materiaal tegen een specifieke vervormingswijze (bijv. axiale versus afschuiving) onder verschillende randvoorwaarden (bijv. Vrije expansie versus opsluiting)11,12. Nano-indentatie-experimenten maken de kwantificering van mechanische eigenschappen via de E mogelijk, die geassocieerd is met uniaxiale vervorming (inkeping) wanneer het biomateriaal niet zijdelings is opgesloten 10,11,12.
De meest populaire methode om E van biologische systemen op microschaal te kwantificeren is AFM 13,14,15,16. AFM is een extreem krachtig instrument met krachtresolutie tot op pN-niveau en ruimtelijke resolutie tot op de sub-nm-schaal. Verder biedt AFM extreme flexibiliteit in termen van koppeling met complementaire optische en mechanische gereedschappen, waardoor haar mogelijkheden worden uitgebreid om een schat aan informatie uit het onderzochte biomateriaal te halen13. Die aantrekkelijke kenmerken komen echter met een toetredingsdrempel die wordt vertegenwoordigd door de complexiteit van de experimentele opzet. AFM vereist uitgebreide training voordat gebruikers robuuste gegevens kunnen verkrijgen, en het gebruik ervan voor dagelijkse mechanische karakterisering van biologische materialen is vaak onterecht, vooral wanneer de unieke kracht en ruimtelijke resoluties niet vereist zijn.
Hierdoor heeft een nieuwe klasse nano-indenters onlangs aan populariteit gewonnen vanwege hun gebruiksgemak, terwijl ze nog steeds AFM-vergelijkbare gegevens bieden met sub-nN krachtresolutie en μm ruimtelijke resolutie, reflecterende krachten uitgeoefend en waargenomen door cellen over relevante lengteschalen2. Met name ferrule-top nano-indentatie-apparaten op basis van optische vezeldetectietechnologie 17,18 hebben aan populariteit gewonnen bij onderzoekers die actief zijn op het gebied van mechanobiologie en daarbuiten; en een schat aan werken die de mechanische eigenschappen van biomaterialen rapporteren met behulp van deze apparaten, waaronder cellen19,20, hydrogels 8,21 en weefsels22,23 zijn gepubliceerd. Ondanks de mogelijkheden van deze systemen om lokale dynamische mechanische eigenschappen (d.w.z. opslag- en verliesmodulus) te onderzoeken, blijven quasi-statische experimenten die E opleveren de meest populaire keuze 8,19,20,21. Kortom, quasi-statische nano-indentatie-experimenten bestaan uit het inspringen van het monster met een constante snelheid tot een instelpunt dat wordt gedefinieerd door een maximale verplaatsing, kracht of inkepingsdiepte, en het registreren van zowel de kracht als de verticale positie van de cantilever in zogenaamde force-distance (F-z) curven. F-z-curven worden vervolgens omgezet in force-indentation (F-δ) curven door de identificatie van het contactpunt (CP), en uitgerust met een geschikt contactmechanicamodel (meestal het Hertz-model13) om E te berekenen.
Hoewel de werking van ferrule-top nano-indenters lijkt op AFM-metingen, zijn er specifieke kenmerken die het overwegen waard zijn. In dit werk wordt een stapsgewijze handleiding gegeven om F-z-curven van cellen en weefselnabootsende hydrogels robuust te verkrijgen met behulp van een in de handel verkrijgbare ferrule-top nano-indenter, om standaardisatie van experimentele procedures tussen onderzoeksgroepen die deze en andere vergelijkbare apparaten gebruiken aan te moedigen. Daarnaast wordt advies gegeven over hoe hydrogelmonsters en cellen het beste kunnen worden voorbereid om nano-indentatie-experimenten uit te voeren, samen met tips voor het oplossen van problemen langs de experimentele route.
Bovendien hangt veel van de variabiliteit in nano-indentatieresultaten (d.w.z. E en de distributie ervan) af van de specifieke procedure die wordt gebruikt om gegevens te analyseren, die niet-triviaal is. Om dit probleem op te lossen, worden instructies gegeven voor het gebruik van een nieuw ontwikkelde open-sourcesoftware geprogrammeerd in Python en uitgerust met een gebruiksvriendelijke grafische gebruikersinterface (GUI) voor batchanalyse van F-z-curven . De software maakt snelle gegevensscreening, filtering van gegevens, berekening van de CP door middel van verschillende numerieke procedures, de conventionele berekening van E, evenals een meer geavanceerde analyse genaamd de elasticiteitsspectra24, waardoor de bulk van de cel Young's modulus, actine cortex's Young's modulus en actine cortex's dikte kunnen worden geschat. De software kan vrij worden gedownload van GitHub en kan eenvoudig worden aangepast om gegevens afkomstig van andere systemen te analyseren door een geschikte gegevensparser toe te voegen. Er wordt benadrukt dat dit protocol kan worden gebruikt voor andere ferrule-top nano-indentatie-apparaten en andere nano-indentatie-apparaten in het algemeen, mits sommige stappen zijn aangepast aan de richtlijnen van het specifieke instrument. Het protocol is schematisch samengevat in figuur 1.

<table><tbody><tr><td>12 mm coverslips</td><td>VWR</td><td>631-1577P</td><td></td></tr><tr><td>35 mm cell treated culture dishes</td><td>Greiner CELLSTAR</td><td>627160</td><td></td></tr><tr><td>Acrylamide</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A4058</td><td></td></tr><tr><td>Acrylsilane</td><td>Alfa Aesar</td><td>L16400</td><td></td></tr><tr><td>Ammonium Persulfate</td><td>Merk</td><td>7727-54-0</td><td></td></tr><tr><td>Bisacrylamide</td><td>Merk</td><td>110-26-9</td><td></td></tr><tr><td>Chiaro nanoindenter</td><td>Optics 11 Life</td><td></td><td>&nbsp;geen catalogusnummer</td></tr><tr><td>Ethanol</td><td></td><td></td><td>algemeen</td></tr><tr><td>Fetal bovine serum</td><td>Gibco</td><td>16140071</td><td></td></tr><tr><td>High glucose DMEM</td><td>Gibco</td><td>11995065</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td>algemeen</td></tr><tr><td>Kimwipe</td><td>Kimberly Clark</td><td>21905-026</td><td></td></tr><tr><td>Microscope glass slides</td><td>VWR</td><td>631-1550P</td><td></td></tr><tr><td>MilliQ system</td><td>Merk Millipore</td><td>ZR0Q008WW</td><td></td></tr><tr><td>OP1550 Interferometer</td><td>Optics11 Life</td><td></td><td>geen catalogusnummer</td></tr><tr><td>Optics 11 Life probe (k = 0,02-0,005 N/m, R = 3-3,5 um)</td><td>Optics 11 Life</td><td></td><td>geen catalogusnummer</td></tr><tr><td>Optics 11 Life probe (k = 0,46-0,5 N/m, R = 50-55 um)</td><td>Optics 11 Life</td><td></td><td>geen catalogusnummer</td></tr><tr><td>Penicillin/Streptomycin</td><td>Gibco</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>RainX rain repellent</td><td>RainX</td><td>26012</td><td></td></tr><tr><td>Standard petri dishes (90 mm)</td><td>Thermo Scientific</td><td>101RTIRR</td><td></td></tr><tr><td>Tetramethylethylenediamine</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>110-18-9</td><td></td></tr><tr><td>Vaccum dessicator</td><td>Thermo Scientific</td><td>531-0250</td><td></td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Data acquisition software (v 3.4.1)</td><td>Optics 11 Life</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GitHub Desktop (Optioneel)</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Python 3</td><td>Python Software Foundation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Visual Studio Code (Optioneel)</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

Experimental and Data Analysis Workflow for Soft Matter Nanoindentation

Nanoindentatie verwijst naar een klasse van experimentele technieken waarbij een micrometrische krachtsonde wordt gebruikt om de lokale mechanische eigenschappen van zachte biomaterialen en cellen te kwantificeren. Deze aanpak heeft een centrale rol gekregen op het gebied van mechanobiologie, biomaterialenontwerp en weefselmanipulatie, om een goede mechanische karakterisering van zachte materialen te verkrijgen met een resolutie die vergelijkbaar is met de grootte van enkele cellen (μm). De meest populaire strategie om dergelijke experimentele gegevens te verkrijgen, is het gebruik van een atoomkrachtmicroscoop (AFM); hoewel dit instrument een ongekende resolutie biedt in kracht (tot pN) en ruimte (sub-nm), wordt de bruikbaarheid ervan vaak beperkt door de complexiteit die routinematige metingen van integrale indicatoren van mechanische eigenschappen, zoals Young's Modulus (E), voorkomt. Een nieuwe generatie nano-indenters, zoals die op basis van optische vezeldetectietechnologie, is onlangs populair geworden vanwege het gemak van integratie, terwijl het mogelijk is om sub-nN-krachten toe te passen met een ruimtelijke resolutie van μm, waardoor het geschikt is om lokale mechanische eigenschappen van hydrogels en cellen te onderzoeken.
In dit protocol wordt een stapsgewijze handleiding gepresenteerd met de experimentele procedure voor het verkrijgen van nano-indentatiegegevens op hydrogels en cellen met behulp van een in de handel verkrijgbare ferrule-top optische vezeldetectie nano-indenter. Hoewel sommige stappen specifiek zijn voor het instrument dat hierin wordt gebruikt, kan het voorgestelde protocol worden gebruikt als een gids voor andere nano-indentatie-apparaten, mits sommige stappen zijn aangepast aan de richtlijnen van de fabrikant. Verder wordt een nieuwe open-source Python-software gepresenteerd die is uitgerust met een gebruiksvriendelijke grafische gebruikersinterface voor de analyse van nano-indentatiegegevens, die het mogelijk maakt om onjuist verkregen curven, gegevensfiltering, berekening van het contactpunt via verschillende numerieke procedures, de conventionele berekening van E, evenals een meer geavanceerde analyse die bijzonder geschikt is voor eencellige nano-indentatiegegevens.

Volgens het protocol wordt een set F-z-curven verkregen. De dataset bevat hoogstwaarschijnlijk goede curven en curven die moeten worden weggegooid voordat de analyse wordt voortgezet. Over het algemeen moeten curven worden weggegooid als hun vorm afwijkt van die in figuur 4A. Figuur 5AI toont een dataset van ~100 curves verkregen op een zachte PAAm hydrogel van verwachte E 0.8 KPa35 geüpload in de NanoPrepare GUI. De mee...

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

Nanoindentation refers to a class of experimental techniques where a micrometric force probe is used to quantify the local mechanical properties of soft ...

Dit protocol toont een stapsgewijze handleiding om de stijfheid van hydrogels en cellen te meten met behulp van een in de handel verkrijgbare nano-indenter en presenteert ook een open-source software om verkregen gegevens reproduceerbaar te analyseren. Het protocol stelt ons echter in staat om atoomkrachtmicroscopie-achtige gegevens te verkrijgen, op een fractie van de complexiteit. Dus dit protocol zal nuttig zijn voor wetenschappers die geïnteresseerd zijn in het bestuderen van mechanische eigenschappen van gezonde en zieke monsters, maar we geloven ook dat het van bredere toepasbaarheid zal zijn in de context van nano-indentatie voor zachte materialen.Nadat u het instrument hebt ingeschakeld en de geselecteerde sonde voor het experiment hebt gemonteerd, begint u met het kalibreren van de sonde. Klik op Initialiseren in het hoofdvenster van de software. Voer in het kalibratiemenu dat wordt weergegeven de testgegevens in de invoervakken in.Vul vervolgens een dikke, glazen petrischaal met een platte bodem met hetzelfde medium als de monsterschaal en stem de temperatuur van het medium af op die van het monster. Plaats vervolgens de kalibratieschaal onder de sonde. Voor kalibratie in vloeistof, bevochtigt u de sonde met een druppel van 70% ethanol of isopropanol met het uiteinde van de pipet in licht contact met de glazen ferrule, zodat de druppel over de cantilever en bolvormige punt glijdt.Schuif vervolgens handmatig de arm van de nano-indenter naar beneden totdat de sonde volledig is ondergedompeld, maar nog steeds ver weg van de bodem van de petrischaal. Wacht vijf minuten om evenwichtscondities in de vloeistof te bereiken. Klik vervolgens in het initialize-menu van de software op Scan Wavelength.Het scherm van de interferometer toont een voortgangsbalk. Controleer of de optische scan is geslaagd door naar het deelvenster Golflengtescan op het vak interferometer te gaan. Klik vervolgens in het menu Initialiseren op Surface zoeken om de sonde geleidelijk te verlagen.De sonde stopt met bewegen wanneer deze contact maakt met de glazen petrischaal. Zodra de sonde in contact staat met het oppervlak, beweegt u de sonde een micrometer naar beneden met behulp van de pijlknop naar beneden in het hoofdvenster van de software. Observeer het groene signaal in het live-venster voor wijzigingen in de basislijn bij elke stap van één micrometer.Klik vervolgens op Kalibreren in het menu Initialiseren. Wanneer de kalibratie is voltooid, controleert u de oude en nieuwe kalibratiefactoren in het weergegeven pop-upvenster. Als de nieuwe kalibratiefactor zich in het juiste bereik bevindt, zoals uitgelegd in het manuscript, klikt u op Nieuwe factor gebruiken.Verhoog vervolgens de piëzo met 500 micrometer. Controleer vervolgens of de demodulatiecirkel correct is gekalibreerd door naar het tabblad Demodulatie op het bureaublad van de interferometer te gaan. Tik zachtjes op de optische tafel of de nano-indenter om voldoende ruis op te wekken.Een witte cirkel van discrete gegevenspunten moet ongeveer de rode cirkel bedekken. Laad de petrischaal met het monster op het microscoopstadium en verplaats de sonde van de nano-indenter handmatig naar een gewenste positie boven het monster. Schuif de sonde in oplossing en zorg ervoor dat er één tot twee millimeter tussen de sonde en het oppervlak van het monster blijft.Wacht vijf minuten totdat de sonde in oplossing in evenwicht is. Focus op de sonde met de optische microscoop. Om de young's modulus van zachte materialen te meten, klikt u op Experiment configureren.Voeg een Surface-stap zoeken en een enkele inspringing in verplaatsingsbesturingselement toe om experimentele parameters te bepalen die vervolgens worden gebruikt voor de automatische matrixscan. Als de enkele inkeping succesvol is, configureert u een matrixscan met 50 tot 100 punten met een onderlinge afstand van 10 tot 100 micrometer. Nadat u ervoor hebt gezorgd dat het vakje Oppervlak automatisch zoeken is aangevinkt, klikt u op Werkgebiedpositie gebruiken om de matrixscan te starten vanaf de huidige fasepositie.Stel het matrixscanprofiel in verplaatsingsbeheer in. Laat het aantal segmenten op vijf staan en gebruik het standaard verplaatsingsprofiel. Wijzig indien nodig het verplaatsingsprofiel en de tijd voor elk hellend segment.Overschrijd de reksnelheden van meer dan 10 micrometer per seconde niet. Sla het geconfigureerde experiment op in het gewenste experimentpad. Klik op Experiment uitvoeren en wacht tot het is voltooid.Wanneer alle gegevens zijn verkregen, reinigt u de sonde en schakelt u het instrument uit zoals beschreven in de tekst. Voor het screenen van krachtverplaatsingscurves en de productie van opgeschoonde dataset in JSON-formaat, startvoorbereiding. py vanaf de opdrachtregel op de labcomputer.Selecteer de Optics11-gegevensindeling in de vervolgkeuzelijst. Als de gegevens niet correct zijn geladen, start u de grafische gebruikersinterface opnieuw en selecteert u Optics11 Old. Klik vervolgens op Map laden en selecteer een map met de te analyseren gegevens.Reinig de dataset met behulp van de tabbladen aan de rechterkant van de grafische gebruikersinterface. Klik vervolgens op JSON opslaan en voer een geschikte naam in voor de opgeschoonde gegevensset. Stuur het JSON-bestand naar de computer waarop de NanoAnalysis-software is geïnstalleerd, indien verschillend van de huidige computer.Start de nano. py-bestand vanaf de opdrachtregel. Klik linksboven in de grafische gebruikersinterface op Load Experiment en selecteer het JSON-bestand.Hiermee worden de bestandslijst en de grafiek met onbewerkte curven gevuld met de gegevensset in termen van krachtverplaatsingscurven. Vink in het vak Statistieken de waarden aan van de drie parameters, N geactiveerd, N mislukt en N uitgesloten. Om een specifieke curve in meer detail te visualiseren, klikt u op de curve.Dit markeert het in het groen en toont het op de huidige curvegrafiek. Zodra een enkele curve is geselecteerd, worden de R- en k-parameters ingevuld in het vak Statistieken. Zodra de gegevensset verder is opgeschoond, filtert u alle ruis in de curven met behulp van de filters die zijn geïmplementeerd in het vak Filteren.Controleer vervolgens de gefilterde curven in de huidige curvegrafiek. De gefilterde curve is in zwart, terwijl de niet-gefilterde versie groen is. Als u het contactpunt wilt vinden, kiest u in het vak Contactpunt een van een reeks numerieke procedures die in de software zijn geïmplementeerd.Pas de parameters van het algoritme aan de dataset aan, zodat het contactpunt correct is gelokaliseerd, zoals uitgelegd in het manuscript. Als u wilt zien waar het contactpunt op een enkele curve is gevonden, selecteert u de curve door erop te klikken. Klik vervolgens op Inspecteren.Controleer het pop-upvenster dat verschijnt om te identificeren waar het contactpunt zich bevindt. Klik vervolgens op Hertz Analyse. Dit levert drie grafieken op.Controleer de krachtinspringingsgegevens voor elke curve in de gegevensset, samen met de gemiddelde Hertz-fit die in rood wordt weergegeven. Controleer vervolgens de gemiddelde krachtinspringingscurve met een foutband die één standaarddeviatie weergeeft, samen met de gemiddelde Hertz-pasvorm die in rood wordt weergegeven. Controleer vervolgens de scatter plot van de Young's modulus afkomstig van het passen van het Hertz-model aan elke individuele curve.Controleer het vak Resultaten op de modulus van het berekende gemiddelde Young en de standaarddeviatie en zorg ervoor dat deze redelijk zijn voor het gegeven experiment. Klik vervolgens in het vak Opslaan op Hertz. Voer in het pop-upvenster de bestandsnaam en map in en klik op Opslaan.Er wordt een tsv-bestand gemaakt. Open het tsv-bestand in aanvullende software voor statistische analyse en verdere plotting. Voor cel nano-indentatiegegevens klikt u op Elasticity Spectra Analysis.Inspecteer de twee geproduceerde plots, namelijk Young's modulus als functie van de inkepingsdiepte voor elke curve en de gemiddelde Young's modulus als functie van inkepingen gemonteerd door een dubbellaags model. Zodra de analyse is voltooid, klikt u op ES in het vak Opslaan. Hiermee exporteert u een tsv-bestand in de opgegeven map, dat kan worden geopend en uitgezet in elke andere software naar keuze.Een succesvol experiment resulteert in het benaderingssegment van een krachtverplaatsingscurve, met een duidelijke, vlakke basislijn, een overgangsgebied en een hellend gebied. Curven die wijzigingen van deze vorm laten zien, kunnen eenvoudig uit de gegevensset worden verwijderd met NanoPrepare. Gemiddelde kracht-inkepingscurven samen met het gemiddelde Hertz-model voor een zachte polyacrylamidehydrogel en een stijve hydrogel worden hier weergegeven.Door individuele waarden van de Young's modulus uit te zetten, werd de verwachte gemiddelde Young's modulus voor beide hydrogels opgehaald. Voor celnano-indentatie-experimenten tonen de gemiddelde kracht-indentatiecurve en het bijbehorende gemiddelde Hertz-model aan dat het Hertz-model de evolutie van kracht met toenemende inkepingsdiepte voor celnano-indentatie-experimenten niet volledig vastlegt. De gemiddelde elasticiteitsspectra tot een inkeping van 200 nanometer worden hier gedemonstreerd.De gemiddelde elasticiteitsspectra beginnen toe te nemen bij een inkepingsdiepte van 200 nanometer, wat de bijdrage van een substraat aan de onderzochte schijnbare Young-modulus aangeeft. Daarom werd gekozen voor 200 nanometer als passend bereik voor zowel het Hertz- als het bilayer-model. Door het bilayer-model aan te passen, kan het extract meer informatie krijgen over de mechanische toestand van de cel, inclusief de dikte van de celactine cortex, de celactine cortex modulus en de celmassamodulus, zoals uitgelegd in de hoofdtekst.Een directe vergelijking tussen het Hertz-model en de elasticiteitsspectrabenadering in termen van Young's modulusverdeling onthult overlappende verdelingen met vergelijkbare middelen, wat de haalbaarheid van de elasticiteitsspectrabenadering aantoont. Het nauwkeurig lokaliseren van het contactpunt en het consistent houden van de gekozen algoritmeparameters tussen datasets die men wil vergelijken, is van het grootste belang voor het verkrijgen van betrouwbare vergelijkingen tussen steekproeven. De methode is algemeen toepasbaar om de lokale elastische eigenschappen van biologische monsters te kwantificeren, waaronder sferoïden, organoïden, weefsels en in het algemeen alle zachte materie.

experimental-data-analysis-workflow-for-soft-matter

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bio-engineering

We beschrijven een methode om mechanische eigenschappen van plantenweefsels in kaart te brengen met behulp van een atoomkrachtmicroscoop (AFM). We richten ons op hoe mechanische veranderingen die plaatsvinden in celwanden tijdens plantontwikkeling op brede-veld mesoschaal kunnen worden geregistreerd, waardoor deze veranderingen kunnen worden gecorreleerd met groei en morfogenese.

AFM-gebaseerde kaart brengen van de elastische eigenschappen van celwanden: op weefsel-, cellulair en Subcellulaire Resoluties

Dit document presenteert de voor sonderen ruimtelijk gecorreleerde chemische, structurele en mechanische eigenschappen van het meerlagige omvang van Atractosteus spatel (A. spatel) met nanoindentation methoden Fourier transformatie infrarood (FTIR) spectroscopie, scanning elektronen microscopie (SEM), en X- ray tomografie (X-ray CT). De experimentele resultaten zijn gebruikt om de ontwerpprincipes beschermende biologisch materiaal onderzocht.

Karakterisering van Multi-layered Fish Scales (<em&gt; Atractosteus spatel</em&gt;) Met behulp Nanoindentation, röntgen-CT, FTIR en SEM

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

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

We presenteren een methode om vroege artroseveranderingen op cellulair niveau in gewrichtskraakbeen te onderzoeken met behulp van atoomkrachtmicroscopie (AFM).

Toepassing van Atomic Force Microscopie om vroege artrose op te sporen

We presenteren een stapsgewijze aanpak om de meest voorkomende problemen in verband met micro-inkepingen met atoomkrachtmicroscopie te identificeren en aan te pakken. We illustreren de opkomende problemen bij inheemse menselijke gewrichtskraakbeenexplantaten die worden gekenmerkt door verschillende gradaties van door artrose veroorzaakte degeneratie.

Praktische problemen aanpakken bij op atoomkrachtmicroscopie gebaseerde micro-inkeping op menselijke gewrichtskraakbeenexplantaten

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 werk presenteert een driedimensionaal virtueel simulatie-experiment voor materiaalvervorming en -falen dat gevisualiseerde experimentele processen biedt. Door middel van een reeks experimenten kunnen gebruikers vertrouwd raken met de apparatuur en de bewerkingen leren in een meeslepende en interactieve leeromgeving.

Een virtueel simulatie-experiment van mechanica: materiaalvervorming en falen op basis van scanning elektronenmicroscopie

Het voorgestelde protocol behelst een globale aanpak om botvorming in het kader van botregeneratie te beoordelen met behulp van multimodale analyses. Het heeft tot doel kwalitatieve en kwantitatieve informatie te verstrekken over de vorming van nieuw bot, waardoor de nauwkeurigheid en validiteit van basis- en preklinisch onderzoek wordt verbeterd.

Uitgebreide karakterisering van weefselmineralisatie in een ex vivo model

Hier beschrijven we een eenvoudige methode voor de patronen oxide-vrij silicium en germanium met reactieve organische monolagen en demonstreren functionalisering van het patroon substraten met kleine moleculen en eiwitten. De aanpak beschermt volledig oppervlakken tegen chemische oxidatie, biedt nauwkeurige controle over de functie morfologie, en biedt direct toegang tot chemisch gediscrimineerd patronen.

Zacht Lithografische functionalisering en patroonvorming Oxide-vrij silicium en germanium

Leer nano-indentatie van zachte materialen zoals hydrogels en cellen met een commerciële nano-indenter en open-source Python-software. Deze methode vereenvoudigt het verkrijgen van krachtspectroscopiedata voor biologisch onderzoek.

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

Meer video's verkennen