Caracterizando Propriedades Multiscale mecânicas do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto, e Reologia

Summary

Apresentamos um conjunto de técnicas para caracterizar as propriedades mecânicas viscoelásticas do cérebro nas micro, meso e macroescalas.

Abstract

Para projetar e engenheiro de materiais inspirados nas propriedades do cérebro, seja para simuladores mecânicos ou para estudos de regeneração de tecidos, o próprio tecido cerebral deve ser bem caracterizada em várias escalas de comprimento e hora. Como muitos tecidos biológicos, tecido cerebral apresenta uma estrutura complexa, hierárquica. No entanto, em contraste com a maioria dos outros tecidos, o cérebro é de muito baixa rigidez mecânica, com elástico módulos E de novo na ordem de 100s de Pa. Esta baixa rigidez pode apresentar desafios para a caracterização experimental das propriedades mecânicas importantes. Aqui, demonstramos diversas técnicas de caracterização mecânicas que foram adaptados para medir as propriedades elásticas e viscoelásticas dos materiais hidratados, compatíveis biológicos, tais como tecido do cérebro, em diferentes escalas de comprimento e taxas de carregamento. Em microescala, realizamos creep-conformidade e força de relaxamento experimentos usando de força atômica recuo habilitado para microscópio. Nas mesoscale, realizamos experimentos de impacto de recuo usando um penetrador instrumentado à base de pêndulo. No macroescala, realizamos reometria de placas paralelas para quantificar o corte módulos elásticos dependente da freqüência. Nós também discutir os desafios e limitações associadas a cada método. Juntas, estas técnicas permitem uma caracterização mecânica em profundidade de tecido cerebral que pode ser usado para entender melhor a estrutura do cérebro e ao engenheiro de materiais bio-inspirados.

Introduction

Mais tecidos moles que compreendem órgãos biológicos são mecanicamente e estruturalmente complexa, de baixa rigidez em comparação com o osso mineralizado ou materiais de engenharia, e exibem deformação não-linear e dependente do tempo. Em comparação com outros tecidos do corpo, o tecido cerebral é extraordinariamente compatível, com módulos de elasticidade E na ordem de 100s de ¹ Pa. O tecido cerebral apresenta heterogeneidade estrutural com regiões da substância branca, que também diferem funcionalmente distinta e cinza e interdigitados. Compreendendo mecânica de tecido cerebral irá ajudar na concepção de materiais e modelos computacionais para s....

Protocol

Declaração de Ética: Todos os protocolos experimentais foram aprovados pelo Comitê de Pesquisa Animal do Hospital Infantil de Boston e cumprir com o National Institutes of Health Guide para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório.

1. Rato cérebro procedimentos de aquisição de tecido (para recuo permitiu-AFM e recuo de impacto)

1. Prepara-se uma mistura de cetamina / xilazina para anestesiar os ratos. Combinar 5 ml de cetamina (500 mg / ml), 1 ml de xilazina (20 mg / ml) e 7 ml de solução salina 0,9%.
2. Injectar rato (Raça: TSC1; Syn-Cre; PLP-eGFP; Idade: p21; Sexo: masculino ou feminino), com 7 ul por peso corporal grama....

Results

A Figura 4 mostra recuo representativa e força versus respostas de tempo (Figura 4B, E) para o cumprimento de fluência e forçar experiências de relaxação, dada uma força aplicada ou profundidade de indentação (Figura 4A, D), respectivamente. Utilizando estes dados e a geometria do sistema, o cumprimento fluência J _c (t) e do relaxamento da força módulos G _R (T) pode ser calculada para diferentes re.......

Discussion

Cada técnica apresentada neste artigo mede diferentes facetas de propriedades mecânicas do tecido cerebral. cumprimento fluência e relaxação de tensão módulos são uma medida das propriedades mecânicas dependentes do tempo. Os módulos de armazenamento e de perda representam propriedades mecânicas dependentes de taxa. Impacto recuo também mede propriedades mecânicas dependentes da taxa, mas no contexto de dissipação de energia. Ao caracterizar as propriedades mecânicas dos tecidos, tanto recuo permitiu-AFM e reologia são .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Xylazine	Lloyd Laboratoried		perscription droga
Cetamina	AnaSed Injeções		perscription droga
Vibratome (micrótomo de lâmina vibratória)	Leica	VT1200
Hibernate-A Medium	Gibco	A1247501	CO2< / sub>-independente meio neural para tecido adulto
Microscópio de Força Atômica, MFP-3D-BIO	Asylum	Research-Petri
Dish Heater	Asylum	Research-AFM
Probe, 0.03 N/m, 10  µ esfera de borossilicato de raio m	Novascan	PT. GS
Cell-Tak	Corning	354240	bioadesivo derivado de mexilhão
Bicarbonato de sódio	Sigma-Aldrich	S5761	fornecedores alternativos podem ser usados
Hidróxido de sódio, 1 N	Sigma-Aldrich	59223C	fornecedores alternativos podem ser usados
Instrumentado Indentador, NanoTest Vantage	Micro Materials Ltd.	-	A ponta da sonda precisa ser usinada (punção plana de aço, 1  mm de diâmetro, 4-5  mm de comprimento)
NanoTest Liquid Cell	Micro Materials Ltd.	-
Reômetro de Placa Paralela MCR501	Anton-Parr-PP25
	Anton-Parr-25	de	diâmetro placa de medição plana
Lixa Adesiva	McMaster-Carr	4184A48	fornecedores alternativos podem ser usados
Loctite 4013 Adesivo Instantâneo	Henkel	20268	fornecedores alternativos podem ser usados