Method Article

Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii

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

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

Prezentujemy zestaw technik do scharakteryzowania lepkosprężystych właściwości mechanicznych mózgu w mikro-, mezo- i makro-skali.

Abstract

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

Aby projektować i konstruować materiały inspirowane właściwościami mózgu, czy to do symulacji mechanicznych, czy do badań nad regeneracją tkanek, sama tkanka mózgowa musi być dobrze scharakteryzowana w różnych skalach długości i czasu. Podobnie jak wiele tkanek biologicznych, tkanka mózgowa wykazuje złożoną, hierarchiczną strukturę. Jednak w przeciwieństwie do większości innych tkanek, mózg ma bardzo niską sztywność mechaniczną, a moduły sprężystości Younga E są rzędu 100 s Pa. Ta niska sztywność może stanowić wyzwanie dla eksperymentalnej charakterystyki kluczowych właściwości mechanicznych. W tym miejscu demonstrujemy kilka technik charakterystyki mechanicznej, które zostały przystosowane do pomiaru właściwości elastycznych i lepkosprężystych uwodnionych, podatnych materiałów biologicznych, takich jak tkanka mózgowa, w różnych skalach długości i szybkościach obciążenia. W mikroskali przeprowadzamy eksperymenty z podatnością na pełzanie i relaksacją siły przy użyciu wgłębień z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych. W mezoskali przeprowadzamy eksperymenty z wgłębieniami udarowymi za pomocą wahadłowego wgłębnika instrumentalnego. W makroskali przeprowadzamy równoległą reometrię płytkową w celu ilościowego określenia modułów sprężystości ścinania zależnych od częstotliwości. Omawiamy również wyzwania i ograniczenia związane z każdą metodą. Razem techniki te umożliwiają dogłębną mechaniczną charakterystykę tkanki mózgowej, która może być wykorzystana do lepszego zrozumienia struktury mózgu i inżynierii materiałów inspirowanych biologią.

Introduction

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

Większość tkanek miękkich składających się z organów biologicznych jest mechanicznie i strukturalnie złożona, o niskiej sztywności w porównaniu do zmineralizowanej kości lub materiałów inżynieryjnych, i wykazuje nieliniową i zależną od czasu deformację. W porównaniu z innymi tkankami w ciele, tkanka mózgowa jest niezwykle zgodna, z modułami sprężystości E rzędu 100 s Pa 1. Tkanka mózgowa wykazuje niejednorodność strukturalną z wyraźnymi i międzypalcowymi obszarami istoty szarej i białej, które różnią się również funkcjonalnie. Zrozumienie mechaniki tkanki mózgowej pomoże w projektowaniu materiałów i modeli obliczeniowych naśladujących reakcję mózgu....

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

Protocol

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

Oświadczenie etyczne: Wszystkie protokoły eksperymentalne zostały zatwierdzone przez Komitet Badań nad Zwierzętami Szpitala Dziecięcego w Bostonie i są zgodne z Przewodnikiem National Institutes of Health dotyczącym opieki i użytkowania zwierząt laboratoryjnych.

1. Procedury pozyskiwania tkanki mózgowej myszy (dla wcięć z obsługą AFM i wcięć uderzeniowych)

  1. Przygotuj mieszaninę ketaminy i ksylazyny, aby znieczulić myszy. Połączyć 5 ml ketaminy (500 mg/ml), 1 ml ksylazyny (20 mg/ml) i 7 ml 0,9% roztworu soli fizjologicznej.
  2. Wstrzyknij mysz (Rasa: TSC1; Syn-Cre; plp-eGFP; Wiek: p21; Płeć: mężczyzna lub kobieta) z 7 μl na ....

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

Results

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

Rysunek 4 pokazuje reprezentatywne wcięcia i reakcje siły w stosunku do czasu (Rysunek 4B,E) dla eksperymentów z podatnością pełzania i relaksacją siły, biorąc pod uwagę odpowiednio przyłożoną siłę lub głębokość wcięcia (Rysunek 4A,D). Korzystając z tych danych i geometrii systemu, można obliczyć podatność na pełzanie Jc(t) i moduły relaksacji siły GR(t) dla różnych obszarów mózgu (rysunek 4.......

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

Discussion

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

Każda technika przedstawiona w tym artykule mierzy różne aspekty właściwości mechanicznych tkanki mózgowej. Podatność na pełzanie i moduły relaksacji naprężeń są miarą właściwości mechanicznych zależnych od czasu. Moduły magazynowania i strat reprezentują właściwości mechaniczne zależne od szybkości. Wgłębienie udarowe również mierzy właściwości mechaniczne zależne od szybkości, ale w kontekście rozpraszania energii. Przy charakteryzowaniu właściwości mechanicznych tkanek powszechnie stosowanymi metodami są zarówno wgłęb.......

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

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Dziękujemy za wsparcie tej pracy przez National Multiple Sclerosis Society i Simons Center for the Social Brain. BQ dziękuje za wsparcie ze strony programu stypendialnego dla absolwentów U.S. National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship.

....

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

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
XylazineLloyd Laboratoriedlek na receptę
KetaminaAnaSed Zastrzykilek na receptę
Vibratome (mikrotom z wibracyjnym ostrzem)LeicaVT1200
Hibernate-A MediumGibcoA12475012-independent neurow do tkanek dorosłych
Mikroskop sił atomowych, MFP-3D-BIOAzylResearch-Podgrzewacz
do naczyń PetriegoAsylumResearch-AFM
Sonda, 0.03 N/m, 10  &mikro; m promień kula borokrzemianowaNovascanPT.
Cell-TakCorning354240bioadhezyjny bioadhezyjny pochodzący z małży
Wodorowęglan soduSigma-AldrichS5761alternatywni dostawcy mogą być użyci
Wodorotlenek sodu, 1 NSigma-Aldrich59223Calternatywni dostawcy mogą być użyci
Oprzyrządowany wgłębnik, NanoTest VantageMicro Materials Ltd.-końcówka sondy musi być obrabiana (stalowy płaski stempel, 1  mm średnicy, 4-5  mm długości)
NanoTest Liquid CellMicro Materials Ltd.-
Reometr płytkowy równoległy MCR501Anton-Parr-PP25
 Płaska płytka pomiarowaAnton-Parr-25
Samoprzylepny papier ściernyMcMaster-Carr4184A48można stosować alternatywnych dostawców
Można stosować klej błyskawiczny Loctite 4013Henkel20268alternatywnych dostawców
COGS mm

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