Wykonywanie testów cięcia w kształcie litery Y montowanych pod mikroskopem
20 stycznia 2023
Cięcie w kształcie litery Y mierzy skale długości i energie związane z pękaniem w miękkich materiałach. Poprzednie aparaty były przeznaczone do pomiarów stacjonarnych. Protokół ten opisuje wytwarzanie i użytkowanie aparatury, która orientuje konfigurację poziomo i zapewnia precyzyjne możliwości pozycjonowania niezbędne do oglądania in situ, a także kwantyfikacji uszkodzeń za pomocą mikroskopu optycznego.
Skrawanie w kształcie litery Y mierzy energię uszkodzenia i krytyczną skalę ogniw tworzenia powierzchni w miękkich ciałach stałych. Włączenie tej techniki do mikroskopu ułatwia rozwikłanie mechanizmów mikrostrukturalnych, które rządzą tymi wielkościami. W przeciwieństwie do dużego pęknięcia typowego dla obciążenia przedniego koła, protokół ten wykorzystuje lokalizację rozciągania wywołaną przez płytę w celu zmniejszenia pola widzenia potrzebnego do zobrazowania procesu uszkodzenia wnętrza.
Podejście to może dostarczyć informacji na temat uszkodzeń miękkich materiałów syntetycznych i biologicznych tkanek miękkich. Aby rozpocząć, zastąp oryginalny uchwyt szkiełkowy montowany na stoliku niestandardowym uchwytem na próbkę i przymocuj zespół do mikroskopu. Ustaw kąt kubka, poluzowując skrzydełkową regulacji kąta, a następnie przesuwając suwak liniowy.
Ustaw kąt po zmierzeniu go kątomierzem i dokręć skrzydełkową regulacji kąta. Kąt między nogą a theta w płaszczyźnie środkowej próbki można regulować w zakresie od 8 do 45 stopni. Ustaw dwa pionowe koła pasowe za aparatem.
Przygotuj cienką prostokątną próbkę polidimetylosiloksanu lub PDMS, wycinając ją z większego arkusza lub używając formy o odpowiednich wymiarach. Wymiary mogą się różnić, ale na początek zaleca się szerokość 1 1/2 centymetra lub mniej dla próbki o grubości trzech milimetrów lub mniejszej. Użyj żyletki, aby przeciąć próbkę trzy centymetry wzdłuż linii środkowej, aby utworzyć próbkę w kształcie litery Y.
To połączenie może się różnić, ale nogi powinny być wystarczająco długie, aby pomieścić wypustki, a jednocześnie wystarczająco krótkie, aby pozostawić nieoszlifowaną próbkę do pomiaru. Za pomocą markera lub tuszu umieść dwa znaki wyśrodkowane i oddalone od siebie o około jeden centymetr na każdej z cienkich nóg i korpusie próbki, aby zmierzyć zastosowane rozciągnięcie w każdej z trzech nóg próbki pod obciążeniem. Użyj kleju cyjanoakrylowego, aby przymocować wydrukowaną w 3D lub wyciętą laserowo zakładkę na końcu każdej nogi.
Zmierz i odetnij dwa odcinki cienkiej żyłki. Około 30 centymetrów linki jest potrzebne do wewnętrznego poprowadzenia przez mechanizm do zewnętrznego zestawu kół pasowych. Przymocuj pięciogramowe płytki wagowe do końca linii przechodzących przez zewnętrzne koła pasowe i przywiąż drugi koniec do wypustki na każdej nodze.
Zacisnąć podstawę próbki za pomocą skrzydełkowej uchwytu próbki i poprowadzić linię dla każdej nogi przez każdą stronę układu kół pasowych. Zrób zdjęcie próbki od góry, gdy próbka jest pod znikomą wagą, trzymając kamerę przy spodniej części mechanizmu regulacji kąta. Upewnij się, że kamera jest równoległa do płaszczyzny próbki, aby zminimalizować efekty nieprawidłowego kąta.
Dodaj żądaną wagę napięcia wstępnego 75 gramów na oba końce żyłki w pobliżu zewnętrznych kół pasowych. Zwiększ tę ilość do 150 gramów lub zmniejsz ją do 50 gramów, aby w razie potrzeby zmienić wkład rozdarcia dla tej kombinacji materiału i geometrii próbki. Wyrównaj żyłkę z najniższego koła pasowego z płaszczyzną Z odcinków próbki za pomocą elementu Z trójstronnego stopnia mikroregulacji.
Wykonać drugie zdjęcie próbki po dodaniu masy. W przybliżeniu ustaw przewidywaną końcówkę ostrza blisko pola widzenia obiektywu. Umieść żyletkę w odpowiednim zacisku ostrza i zabezpiecz ostrze na miejscu za pomocą dociskowej.
Wsuń tę przyciętą żyletkę do uchwytu zacisku ostrza przymocowanego do ogniwa obciążnikowego. Wybierz obiektyw mikroskopowy 2,5x lub nawet 20x, jeśli pożądane są bliższe obrazy, i użyj ustawienia światła przechodzącego, w razie potrzeby zwiększając światło za próbką. Po założeniu ostrza ustaw ostrość mikroskopu na najbliższej powierzchni ostrza, korzystając z systemu regulacji pionowej, jeśli to konieczne, aby ustawić końcówkę na odpowiednią odległość roboczą dla obiektywu.
Ostrożnie ustaw żyletkę w polu widzenia mikroskopu, używając tylko kierunków X i Y trójstronnej mikroregulacji stage. Skoncentruj mikroskop na próbce i wyrównaj końcówkę pęknięcia z żyletką, przesuwając stolik X/Y mikroskopu. Gwarantuje to, że płaszczyzna środkowa próbki jest wyrównana z płaszczyzną środkową mechanizmu regulacji kąta.
Otwórz kod używany do pobierania danych z czujnika wagowego i rozpocznij rejestrowanie danych ogniwa obciążnikowego, klikając przycisk Rozpocznij nagrywanie. Przełóż próbkę w kierunku żyletki na jeden centymetr lub więcej ze stałą prędkością, korzystając z kontroli stolika mikroskopu. Jednoczesne gromadzenie obrazów za pomocą interfejsu obrazowania mikroskopu.
Gdy stolik mikroskopu X/Y zatrzyma się, kliknij przycisk Zatrzymaj nagrywanie, aby zatrzymać rejestrowanie danych i automatycznie zapisać plik tekstowy z obciążeniem i czasem reakcji. Krzywa siły i czasu dla polidimetylosiloksanu przy użyciu ultra ostrego ostrza jest pokazana tutaj. Obszary obciążenia sprężystego, inicjacji cięcia, cięcia w stanie ustalonym i odciążania krzywej są oznaczone na wykresie.
Dane te ilustrują dużą siłę początkową, która jest zwykle wymagana do zainicjowania cięcia, po której następuje stała siła, wskazująca na cięcie w stanie ustalonym. Siła skrawania to maksymalna wartość siły w tym reżimie stanu ustalonego. Pokazane tutaj czerwone okręgi odpowiadają konkretnym obrazom uzyskanym przez mikroskop.
Dodano żółte kółko, aby ułatwić obserwację ruchu wzoru plamkowego, a liczby te wskazują znaczniki czasu i sekundy obrazu. Zmierzona siła skrawania w stanie ustalonym w połączeniu z eksperymentalnymi parametrami testowymi, takimi jak kąt ramienia theta, grubość próbki T, napięcie wstępne f wstępnej i promień ostrza, daje energię skrawania w stanie ustalonym zgodnie z przedstawionym równaniem. W tym przypadku udało nam się odtworzyć energię skrawania opisaną wcześniej w literaturze dla tych warunków.
Wprowadzając cięcie w kształcie litery Y do mikroskopu, umożliwiamy ilościowe określenie wpływu mikrostruktury na uszkodzenie tkanek miękkich i miękkich za pomocą sond fluorescencyjnych, autofluorescencji i technik natężenia pełnego pola.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ten protokół opisuje technikę cięcia w kształcie litery Y, która mierzy energię awarii i krytyczne skale tworzenia powierzchni w miękkich ciałach stałych. Integrując tę metodę z mikroskopem, naukowcy mogą badać mikrostrukturalne mechanizmy zaangażowane w te procesy.
Kluczowe komponenty badania
Dziedzina nauki
- Miękkie materiały
- Mechanizm awarii
- Techniki mikroskopiczne
Tło
- Tradycyjne metody wymagają dużych pęknięć do pomiaru awarii.
- Ten protokół wykorzystuje lokalizacje rozciągania indukowanego przez płytę.
- Podejście to minimalizuje pole widzenia dla obrazowania wewnętrznych procesów awarii.
- Uzyskane wglądy mogą dotyczyć zarówno materiałów syntetycznych, jak i tkanek biologicznych.
Cel badania
- Aby zmierzyć skale długości i energię istotne dla złamań w miękkich materiałach.
- Aby poprawić zrozumienie mechanizmów awarii w miękkich ciałach stałych.
- Aby zapewnić szczegółową metodologię do in situ obserwacji awarii.
Stosowane metody
- Zamiana uchwytu na slajd zamontowany na scenie na niestandardowy uchwyt próbki.
- Przymocowanie zespołu do mikroskopu w celu obserwacji.
- Regulacja kąta kubka za pomocą liniowej szyny.
- In situ obrazowanie procesu awarii podczas testowania.
Główne wyniki
- Udane zmierzenie energii awarii w miękkich materiałach.
- Identyfikacja krytycznych skal tworzenia powierzchni.
- Ulepszone obrazowanie mikrostrukturalnych mechanizmów awarii.
- Potencjalne zastosowania w rozumieniu biologicznych miękkich tkanek.
Wnioski
- Technika cięcia w kształcie litery Y zapewnia cenne wglądy w awarie miękkich materiałów.
- Integracja z mikroskopem pozwala na szczegółową obserwację procesów awarii.
- Ta metoda może być stosowana zarówno do materiałów syntetycznych, jak i biologicznych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Microscope-mounted Y-shaped cutting enables precise quantification of failure energy and threshold length scales in soft materials, directly supporting early-stage mechanistic de-risking in biopharma R&D. Integrating this technique with high-resolution imaging allows teams to interrogate microstructural failure mechanisms in synthetic polymers, tissues, and biomembranes. This capability enhances predictive confidence for material selection and risk-adjusted advancement in translational research pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables direct measurement of material failure energy and critical length scales for biological and synthetic soft solids.
- Supports mechanistic de-risking by visualizing microstructural failure processes under controlled deformation.
- Facilitates hypothesis testing on the impact of microstructure and composition on failure response.
Screening & Assay Development
- Provides standardized, reproducible force and energy measurements for comparative material evaluation.
- Delivers quantitative outputs suitable for downstream screening and platform integration.
- Allows for rapid adjustment of test parameters, supporting assay scalability and reuse across material classes.
Translational & Preclinical Research
- Enables alignment of in vitro failure metrics with disease-relevant tissue mechanics when studying biomembranes or soft tissues.
- Supports continuity from discovery through preclinical validation by linking microstructural imaging to functional failure outcomes.
- Reduces translational risk by providing mechanistic insight into material and tissue robustness under physiologically relevant loads.
Pipeline & Workflow Integration
This horizontally mounted Y-shaped cutting protocol fits within the discovery-to-preclinical continuum, bridging material characterization, assay development, and translational research.
- Discovery Biology: Quantifies failure thresholds and energy dissipation, informing target validation and material selection.
- Screening: Supplies reproducible, quantitative force and energy data for cross-condition comparison.
- Analytics: Generates force-time curves and image-synchronized datasets for robust statistical analysis.
- Translational Research: Links microstructural failure imaging to preclinical tissue performance when relevant.
- Enterprise Reuse: Offers a modular, microscope-compatible platform adaptable to diverse soft material systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material and tissue failure mechanisms.
- Operational Value: Delivers standardized, high-precision measurements with sub-millinewton accuracy.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing ambiguity in material robustness and failure risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of materials and tissue models for further development.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microscopy, force measurement, and soft material handling.
- Needs an inverted microscope, custom sample holder, and load cell instrumentation.
- Demands cross-team standardization of sample preparation and imaging protocols.
- Adaptable to a range of soft synthetic and biological materials with appropriate sample geometry.
- Accuracy and reproducibility depend on precise alignment and calibration of the apparatus.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:40
Apparatus Mounting
1:10
Sample Preparation
2:20
Sample Mounting
3:17
Blade Mounting and Apparatus Alignment
4:15
Testing
4:49
Results: The Force‐Time Curve for Polydimethylsiloxane and the Viability of the Setup for Simultaneously Gathered Microscope Images
5:46
Conclusion
