Name: Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: Poznaj metody charakteryzacji lepkosprężystych właściwości tkanki mózgowej przy użyciu mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii. Techniki te pozwalają badać mechanikę mózgu na różnych skalach.

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

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.

<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>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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 podczas urazu, ułatwi przewidywanie uszkodzeń mechanicznych i umożliwi opracowanie strategii ochronnych. Ponadto takie informacje można wykorzystać do rozważenia celów projektowych w zakresie regeneracji tkanek oraz do lepszego zrozumienia zmian strukturalnych w tkance mózgowej, które są związane z chorobami takimi jak stwardnienie rozsiane i autyzm. W tym miejscu opisujemy i demonstrujemy kilka podejść eksperymentalnych, które są dostępne w celu scharakteryzowania właściwości lepkosprężystych tkanek podatnych mechanicznie, w tym tkanki mózgowej, w mikro-, mezo- i makroskali.
W mikroskali przeprowadziliśmy eksperymenty z podatnością na pełzanie i relaksacją siły, używając wgłębień z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych (AFM). Zazwyczaj wgłębienie z włączoną funkcją AFM jest używane do oszacowania modułu sprężystości (lub sztywności chwilowej) próbki 2-4. Jednak ten sam przyrząd może być również używany do pomiaru właściwości lepkosprężystych w mikroskali (zależnych od czasu lub szybkości) 5-10. Zasada tych eksperymentów, pokazana na rysunku 1, polega na wcięciu sondy wspornikowej AFM w tkance mózgowej, utrzymaniu określonej wielkości siły lub głębokości wgłębienia i zmierzeniu odpowiednich zmian odpowiednio głębokości wgłębienia i siły w czasie. Korzystając z tych danych, możemy obliczyć odpowiednio podatność na pełzanie J C i moduł relaksacji GR.
W mezoskali przeprowadziliśmy eksperymenty z wgłębieniami w płynie, które utrzymują strukturę tkanki i poziom nawodnienia, używając opartego na wahadle instrumentalnego nanoindentera. Układ eksperymentalny przedstawiono na rysunku 2. Gdy wahadło wychyla się w kontakcie z tkanką, przemieszczenie sondy jest rejestrowane w funkcji czasu, aż wahadło oscylacyjne zatrzyma się w tkance. Na podstawie wynikowego tłumionego harmonicznego ruchu oscylacyjnego sondy możemy obliczyć maksymalną głębokość penetracji xmax, zdolność rozpraszania energii K i współczynnik jakości rozpraszania Q (który odnosi się do szybkości rozpraszania energii) tkanki 11,12.
W makroskali użyliśmy reometru z równoległą płytką do ilościowego określenia modułów sprężystości ścinania zależnych od częstotliwości, określanych jako moduł magazynowania G' i moduł strat G" tkanki. W tym typie reometrii stosujemy harmoniczne odkształcenie kątowe (i odpowiadające mu odkształcenie ścinające) o znanych amplitudach i częstotliwościach oraz mierzymy moment reakcyjny (i odpowiadające mu naprężenie ścinające), jak pokazano na rysunku 3. Na podstawie wynikowej amplitudy i opóźnienia fazowego mierzonego momentu obrotowego oraz zmiennych geometrycznych układu możemy obliczyć G' i G" przy przystosowanych częstotliwościach będących przedmiotem zainteresowania 13,14.

<table><tbody><tr><td>Xylazine</td><td>Lloyd Laboratoried</td><td></td><td>lek na receptę</td></tr><tr><td>Ketamina</td><td>AnaSed Zastrzyki</td><td></td><td>lek na receptę</td></tr><tr><td>Vibratome (mikrotom z wibracyjnym ostrzem)</td><td>Leica</td><td>VT1200</td><td></td></tr><tr><td>Hibernate-A Medium</td><td>Gibco</td><td>A1247501</td> CO<td>2-independent neurow do tkanek dorosłych</td></tr><tr><td>Mikroskop sił atomowych, MFP-3D-BIO</td><td>Azyl</td> <td>Research-Podgrzewacz</td><td></td></tr> <tr><td>do naczyń Petriego</td><td>Asylum</td> <td>Research-AFM</td><td></td></tr> <tr><td>Sonda, 0.03 N/m, 10&nbsp; &mikro; m promień kula borokrzemianowa</td><td>Novascan</td><td>PT. </td><td></td>GS</tr><tr><td>Cell-Tak</td><td>Corning</td><td>354240</td><td>bioadhezyjny bioadhezyjny pochodzący z małży</td></tr><tr><td>Wodorowęglan sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761</td><td>alternatywni dostawcy mogą być użyci</td></tr><tr><td>Wodorotlenek sodu, 1 N</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>59223C</td><td>alternatywni dostawcy mogą być użyci</td></tr><tr><td>Oprzyrządowany wgłębnik, NanoTest Vantage</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td>końcówka sondy musi być obrabiana (stalowy płaski stempel, 1&nbsp; mm średnicy, 4-5&nbsp; mm długości)</td></tr><tr><td>NanoTest Liquid Cell</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Reometr płytkowy równoległy MCR501</td><td>Anton-Parr-PP25</td><td></td><td></td></tr><tr><td>&nbsp;</td><td>Płaska płytka pomiarowa</td> <td>Anton-Parr-25</td><td></td> mm</tr><tr><td>Samoprzylepny papier ścierny</td><td>McMaster-Carr</td><td>4184A48</td><td>można stosować alternatywnych dostawców</td></tr><tr><td>Można stosować klej błyskawiczny Loctite 4013</td><td>Henkel</td><td>20268</td><td>alternatywnych dostawców</td></tr></tbody></table>

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

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

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.

Rycina 4 przedstawia reprezentatywne wyniki wciskania oraz zależności siły od czasu (ryc. 4B,E) dla eksperymentów dotycz&x0105;cych podatno&x015B;ci p&x0142;askiej i relaksacji si&x0142;y przy zadanej sile lub g&x0142;&x0119;boko&x015B;ci wciskania (ryc. 4A,D). Korzystaj&x0105;c z tych danych i geometrii uk&x0142;adu, mo&x017C;na obliczy&x0107; podatno&x015B;&x0107; p&x0142;ask&x0105; Jc(t) oraz modu&x0142;y relaksacji...

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

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

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

Ogólnym celem tych technik charakterystyki mechanicznej jest pomiar właściwości wiskoelastycznych tkanki biologicznej w różnych skalach długości i przy różnych prędkościach obciążania. Metody te mogą posłużyć do udzielenia odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii biologicznej. Przykładowo, w jaki sposób mózg odkształca się przy bardzo wysokich prędkościach obciążania lub jak choroby takie jak stwardnienie rozsiane czy autyzm wpływają na właściwości mechaniczne tkanki mózgowej.Główną zaletą tych technik jest to, że w przypadku materiałów o bardzo niskiej sztywności i bardzo wysokim stopniu nawodnienia, takich jak tkanka biologiczna, można przeprowadzać badania w szerokim zakresie warunków obciążenia, a także dla szerokiego zakresu objętości materiału – od poziomu pojedynczej komórki aż po poziom całego mózgu. Zastosowanie tych technik obejmuje modelowanie reakcji mózgu podczas urazu, co jest istotne dla opracowania strategii ochronnych. Choć metoda ta pozwala na poznanie właściwości mechanicznych mózgu, można ją również zastosować do innych podatnych tkanek biologicznych, takich jak serce i wątroba.Podczas charakterystyki mechanicznej tkanek podatnych kluczowe jest zapewnienie odpowiedniego kontaktu między sondą pomiarową a tkanką. Ostrożnie zamontuj w uchwycie sondę AFM o nominalnej stałej sprężystości 0,03 N/m z borokrzemową kulką o średnicy 20 µm. Umieść skrawka mózgu zamontowanego w szalce Petriego na grzejniku zamocowanym na stoliku AFM, który został uprzednio rozgrzany do 37 °C.Następnie dodaj około dwóch mililitrów uprzednio ogrzanego medium. Dalej, ostrożnie nanieś kroplę medium na sondę AFM, aby zapobiec jej złamaniu wskutek napięcia powierzchniowego podczas zanurzania w medium otaczającym skrawek mózgu. Następnie umieść głowicę AFM ponownie nad stolikiem i zacznij ją opuszczać, aż zostanie zanurzona w medium.Używając mikroskopu optycznego, przesuń stolik tak, aby obszar zainteresowania znajdował się pod skalibrowaną sondą AFM, a następnie obniż sondę AFM, aby nawiązać kontakt z powierzchnią tkanki. W celu przeprowadzenia eksperymentów podatności pełzania, utwórz funkcję przyłożonej siły w edytorze funkcji oprogramowania. Funkcja składa się z rampy trwającej 0,1 sekundy do wartości zadanej 5 nanonewton, która jest utrzymywana przez 20 sekund, a następnie rampy spadkowej trwającej jedną sekundę do zera nanonewton.Oprogramowanie zarejestruje dane dotyczące wgłębienia się sondy AFM w tkankę podczas wykonywania funkcji przyłożonej siły. Po przeprowadzeniu eksperymentu zgodności pełzania, należy przeprowadzić eksperymenty relaksacji siły, tworząc w oprogramowaniu funkcję przyłożonego wgłębienia. Uruchom tę funkcję, podczas gdy oprogramowanie zbiera dane o sile działającej na sondę AFM w momencie wbijania się w tkankę.Aby rozpocząć testy wkluwaniowe z uderzeniem, dopasuj sferyczną sondę, nasuwając ją na wahadło za pomocą pęsety. Następnie zamocuj trzpień z próbką z topionego kwarcu do płytki i przykręć płytkę do stołu translacyjnego. Aby umożliwić przeprowadzenie dynamicznych eksperymentów uderzeniowych na uwodnionych tkankach mózgu, w pierwszej kolejności wykonaj kalibrację celi z cieczą.Przejdź do menu Kalibracja w oprogramowaniu, wybierz Komórka cieczowa i postępuj zgodnie z instrukcjami programu, aby nawiązać kontakt z próbką z topionego kwarcu. Następnie wybierz Normalny jako Typ Indentera i pozostaw domyślną wartość 0,05 millinewtonów dla Obciążenia Indentera. Kliknij następnie kontynuuj, aby przeprowadzić kalibrację dla normalnej konfiguracji indentera.Teraz przesuń stół z próbką z powrotem o co najmniej pięć milimetrów i zamontuj ramię dźwigni. Powtórz kalibrację komórki z cieczą w nowej konfiguracji, wybierając Liquid Cell jako typ wgłębnika. Kliknij Continue, aby uzyskać współczynnik kalibracji komórki z cieczą.Następnie zwiększ odstęp między okładkami kondensatora. Zwiększenie odstępu między okładkami kondensatora pozwoli na zwiększenie maksymalnej mierzalnej głębokości, co jest niezbędne podczas testowania materiałów o wysokiej podatności. Za pomocą klucza obróć zgodnie z ruchem wskazówek zegara trzy nakrętki regulujące odstęp między okładkami kondensatora, wykonując niewielkie obroty.Po każdym pełnym obrocie zgodnie z ruchem wskazówek zegara należy wybrać opcję Bridge Box Adjustment w menu Maintenance i przeprowadzić pomyślny test wahadła (pendulum test). Należy powoli regulować nakrętki, aż wartość Approx. Depth Calibration osiągnie 70 000 nanometers per volt lub więcej.Następnie umieść nowy ogranicznik u dołu wahadła, który może być włączany i wyłączany za pomocą zasilacza. Wycofaj oryginalny ogranicznik znajdujący się za wahadłem, aby usunąć potencjalną przeszkodę w ruchu wahadła i umożliwić uzyskanie wyższych prędkości uderzenia, a także większych głębokości penetracji w próbkach podatnych. Włącz zasilacz elektromagnesu i ustaw napięcie na 10 V.Następnie przejdź do menu Experiment i wybierz Impact and Adjust Impulse Displacement. Postępuj zgodnie z instrukcjami oprogramowania, aby skalibrować dystans wychylenia wahadła. Po pełnym ukończeniu konfiguracji wgłębienia uderzeniowego, odessaj medium i wysusz skrawek mózgu.Następnie należy użyć cienkiej warstwy kleju cyjanoakrylowego, aby przymocować przekrojony mózg do aluminiowego wspornika na próbkę. Po czym nasuń cel płynny na drugą uszczelkę O-ring na wsporniku na próbkę i wypełnij cel płynny pięcioma mililitrami pożywki niezależnej od dwutlenku węgla, aby całkowicie zanurzyć tkankę. Przesuń kąpiel w kierunku ujemnym osi X, aż końcówka ramienia dźwigni znajdzie się w odpowiednim położeniu nad kąpielą.Następnie przesuń w dodatnim kierunku osi Z, aż końcówka zostanie całkowicie zanurzona w kąpieli i znajdzie się przed próbką. Używając okna Sample Stage Control, ostrożnie nawiąż kontakt, a następnie odsuń stół od powierzchni próbki o około 30 micrometers. W menu Experiment kliknij Impact i skonfiguruj eksperyment uderzeniowy.Wybierz konkretny impuls obciążenia, który będzie bezpośrednio powiązany z wynikową prędkością uderzenia na podstawie kalibracji odległości wychylenia. Następnie przeprowadź zaplanowany eksperyment. Gdy wahadło powróci, a powierzchnia próbki będzie nadal przemieszczać się w stronę płaszczyzny pomiarowej, wyłącz dolny wyłącznik krańcowy.Oprogramowanie zarejestruje przemieszczenie sondy w funkcji czasu. Przymocuj papier ścierny do sondy pomiarowej o średnicy 25 milimetrów. Następnie podłącz system termiczny i zamontuj sondę.Na koniec przymocuj kolejny kawałek papieru ściernego do dolnej płyty, tak aby była wyrównana z płytą górną. Skalibruj reometr zgodnie z instrukcjami producenta. W pierwszej kolejności wyzeruj siłę na sondzie.Po drugie, należy ustanowić kontakt między sondą a płytą dolną. Następnie zmierz bezwładność sondy. Na koniec wykonaj regulację silnika.Następnie powoli opuść płytkę pomiarową. Gdy płytka znajdzie się w odległości jednego milimetra od tkanki, obniżaj ją w przyrostach 0,1 milimetra, aż płytka w pełni zetknie się z górną powierzchnią tkanki, a zmierzona siła normalna osiągnie pożądaną wartość. Nanieś niewielką objętość pożywki na krawędzie próbki, aby utrzymać nawilżenie podczas procedury.Obniż osłonę termiczną. Następnie kliknij Plik, Nowy i w zakładce Żel wybierz Skan częstotliwości. Następnie kliknij pomiar okna jeden skan częstotliwości i dwukrotnie kliknij pole oscylacji.Wprowadź zakres częstotliwości, odkształcenie oraz liczbę punktów. Na koniec wybierz OK i kliknij Start, aby rozpocząć pomiar częstotliwości. Poniżej przedstawiono reprezentatywne odpowiedzi wgłębienia i siły w czasie dla eksperymentów dotyczących pełzania oraz relaksacji naprężeń.Wykorzystując te dane oraz geometrię układu, można obliczyć moduły pełzania i relaksacji naprężeń dla różnych obszarów mózgu. Indentacja udarowa pozwala zmierzyć właściwości mechaniczne tkanki przy wysokich prędkościach obciążenia, skoncentrowanego w przestrzeni i czasie. Wynikowe parametry odpowiedzi na udar mogą być ilościowo określone dla różnych prędkości uderzenia, co stanowi metodę badania właściwości tkanki zależnych od prędkości.Reologia mierzy zależne od częstotliwości właściwości wiskoelastyczne tkanki objętościowej w postaci modułów zachowawczego i stratności. Moduł zachowawczy jest niemal o rząd wielkości większy od modułu stratności przy niskich częstotliwościach, co wskazuje, że w zachowaniu tkanki mózgowej dominują właściwości sprężyste. Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby utrzymać tkankę w stanie odpowiedniego nawodnienia lub zanurzyć ją w płynie, który pomaga tkance zachować prawidłową strukturę.Opracowanie tych zademonstrowanych technik utorowało drogę badaczom materiałów do projektowania i optymalizacji syntetycznych żeli, które mogą naśladować odpowiedź mechaniczną mózgu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze rozumieć, w jaki sposób wgłębienia z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych, wgłębienia udarowe oraz reologia są wykorzystywane do charakteryzacji wiskoelastycznych właściwości mechanicznych tkanki. Interpretując zebrane dane, pamiętaj o podstawowym założeniu, że odkształcona objętość tkanki jest strukturalnie jednorodna i elastycznie izotropowa.Nie musi to być prawdą w przypadku wszystkich tkanek biologicznych. W miarę jak Twoje pytania dotyczące mechaniki tkanek biologicznych staną się bardziej precyzyjne, możesz wybrać jeden lub więcej z tych eksperymentów mechanicznych, aby odpowiedzieć na pytanie w odpowiedniej skali długości lub skali czasu, która Cię interesuje.

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Neuronauka

Sztywność macierzy zewnątrzkomórkowej silnie wpływa na wiele zachowań komórek adherentnych. Sztywność macierzy zmienia się przestrzennie w obrębie tkanki i ulega modyfikacjom w różnych stanach chorobowych. W niniejszej pracy opracowujemy metody charakteryzacji zmienności przestrzennej sztywności w normalnej i zwłókniałej tkance płuc myszy z wykorzystaniem mikroindentacji za pomocą mikroskopii sił atomowych.

Mikromechaniczna charakterystyka tkanki płucnej z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii siłowej

Źródło: Canovic, E. P., et al. Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii. J. Vis. Exp. (2016)Ten film pokazuje zastosowanie mikroskopii sił atomowych (AFM) do pomiaru właściwości lepkosprężystych tkanki mózgowej, w której wspornik ze sferyczną sondą oddziałuje z tkanką i ugina się pod wpływem przyłożonych sił. Wiązka laserowa skierowana na detektor śledzi wspornik w celu zmierzenia głębokości...

Charakterystyka właściwości mechanicznych tkanki mózgowej myszy za pomocą mikroskopii sił atomowych

Źródło: Canovic, E. P., et. al., Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii. J. Vis. Exp. (2016)Film demonstruje użycie wgłębień udarowych do pomiaru właściwości mechanicznych uwodnionej tkanki mózgowej myszy, w tym sztywności, rozpraszania energii i tłumienia, poprzez analizę przemieszczenia sondy i prędkości.

Wgłębienie uderzeniowe do oceny właściwości mechanicznych tkanki mózgowej myszy

Źródło: Canovic, E. P., et al. Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii. J. Vis. Exp. (2016)W tym filmie reometr został użyty do zastosowania kontrolowanego oscylacyjnego ruchu obrotowego do tkanki mózgowej w celu wygenerowania odkształcenia ścinającego i oceny właściwości lepkości i elastyczności tkanki. Reometr, jako narzędzie funkcjonalne, zapewnia wgląd w mechanikę mózgu podczas urazów lub...

Pomiar właściwości lepkosprężystych tkanki mózgowej myszy za pomocą reometrii

Ten artykuł demonstruje protokół charakteryzujący właściwości mechaniczne żywych komórek za pomocą mikrowgłębienia za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM).

Pomiar właściwości mechanicznych żywych komórek za pomocą mikroskopii sił atomowych

Ten eksperymentalny protokół opisuje, jak mikroskopia sił atomowych może być używana do pomiaru twardości w prawdziwej skali nanometrowej i do wykrywania pojedynczych zdarzeń plastyczności atomowej.

Ilościowy pomiar twardości za pomocą oprzyrządowanego wgłębienia AFM

Tutaj prezentujemy mikroskopię sił atomowych (AFM), działającą jako narzędzie do nano- i mikro-indentacji komórek i tkanek. Przyrząd pozwala na jednoczesne pozyskiwanie topografii powierzchni 3D próbki i jej właściwości mechanicznych, w tym modułu Younga ściany komórkowej oraz ciśnienia turgoru.

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do pomiaru właściwości mechanicznych i ciśnienia turgoru komórek roślinnych i tkanek roślinnych

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Przedstawiamy protokół do pomiaru modułów sprężystości obszarów bogatych w kolagen w prawidłowej i chorej wątrobie za pomocą mikroskopii sił atomowych. Jednoczesne zastosowanie mikroskopii polaryzacyjnej zapewnia wysoką precyzję przestrzenną do lokalizacji obszarów bogatych w kolagen w wycinkach wątroby.

Pomiar sztywności wątroby za pomocą mikroskopii sił atomowych sprzężonej z mikroskopią polaryzacyjną

Ilościowe określenie powierzchni styku i siły wywieranej przez końcówkę sondy mikroskopu sił atomowych (AFM) na powierzchnię próbki umożliwia określenie właściwości mechanicznych w nanoskali. Omówiono najlepsze praktyki w zakresie wdrażania nanotwardości opartej na wspornikach AFM w powietrzu lub płynie na miękkich i twardych próbkach w celu pomiaru modułu sprężystości lub innych właściwości nanomechanicznych.

Mikroskopia sił atomowych Nanotwardość oparta na wspornikach: pomiary właściwości mechanicznych w nanoskali w powietrzu i płynie

Ten protokół wizualizuje, jak przygotować kriosekcje mysiej tkanki płucnej, przeprowadzić eksperymenty z mapą siły pod mikroskopią sił atomowych i przeanalizować dane w celu określenia modułu Younga natywnej mysiej błony podstawnej płuc.

Wyodrębnianie modułu Younga natywnych mysich błon podstawnych płuc z map sił pochodnych mikroskopii sił atomowych

Poznaj metody charakteryzacji lepkosprężystych właściwości tkanki mózgowej przy użyciu mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii. Techniki te pozwalają badać mechanikę mózgu na różnych skalach.

Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów