Name: Caracterizando Propriedades Multiscale mecânicas do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto, e Reologia (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-09-06T12:30:00.000+00:00
Duration: 11 min 19 s
Description: Aprenda a caracterizar propriedades viscoelásticas do tecido cerebral em múltiplas escalas usando microscopia de força atômica, recuo de impacto e reologia. Essas técnicas avançadas permitem analisar desde células individuais até cérebros inteiros.

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Reconhecemos o apoio a este trabalho da National Multiple Sclerosis Society e do Simons Center for the Social Brain. A BQ reconhece o apoio do programa de Bolsas de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Defesa Nacional dos EUA.

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<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>

Os autores não têm nada a divulgar.

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 ...

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 simular a resposta do cérebro durante a lesão, facilitar a previsão de dano mecânico, e permitir a engenharia de estratégias de protecção. Para além disso, tal informação pode ser utilizada para considerar alvos ideais para a regeneração de tecidos, e para melhor compreender as alterações estruturais no tecido cerebral que estão associados a doenças tais como esclerose múltipla e autismo. Here, descrevemos e demonstrar várias abordagens experimentais que estão disponíveis para caracterizar as propriedades viscoelásticas dos tecidos compatíveis mecanicamente incluindo tecido cerebral, na micro, meso e macro-escalas. Em microescala, realizamos creep-conformidade e forçar experiências de relaxamento usando microscópio de força atômica (AFM) recuo habilitado. Tipicamente, a indentação permitiu-AFM é utilizado para estimar o módulo de elasticidade (rigidez ou instantânea) de uma amostra de 2-4. No entanto, o mesmo instrumento pode também ser utilizado para medir a viscoelasticidade microescala (tempo ou dependente da taxa de) propriedades 5-10. O princípio destas experiências, mostrado na Figura 1, é para recuar um AFM em cantilever sonda no tecido cerebral, manter uma magnitude especificada de força ou de profundidade de penetração, e medir as alterações correspondentes na profundidade de indentação e força, respectivamente, ao longo do tempo. Usando esses dados, podemos calcular o comp fluêncialiance J C e relaxamento módulo G R, respectivamente. No mesoescala, realizamos experimentos de recuo de impacto em condições imersas de líquido que mantêm a estrutura do tecido e os níveis de hidratação, usando um nanoindenter instrumentado à base de pêndulo. A montagem experimental é ilustrada na Figura 2. Uma vez que o pêndulo oscila em contacto com o tecido, a sonda de deslocamento é registada como uma função do tempo até que o pêndulo oscilante vem a descansar dentro do tecido. A partir do movimento oscilatório amortecido harmónica, resultante da sonda, pode-se calcular a profundidade máxima de penetração X max, a capacidade de dissipação de energia de K, e o factor de qualidade Q de dissipação (que diz respeito à taxa de dissipação de energia) do tecido 11,12. No macroescala, foi utilizado um reómetro de placas paralelas para quantificar o corte dependente módulos elásticos frequência,denominado o módulo de armazenamento G &#39;e o módulo de perda G &quot;, do tecido. Neste tipo de reometria, aplica-se uma tensão angular harmónica (e tensão de cisalhamento correspondente) em amplitudes conhecidos e frequências e medir o binário reacional (e tensão de cisalhamento correspondente) , como mostrado na Figura 3. a partir da amplitude e da fase lag resultante do binário medido e variáveis ​​geométricas do sistema, pode-se calcular G &#39;e G &quot;aplicados a frequências de interesse 13,14.

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

caracterizando propriedades multiscale mecânicas do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto, e reologia

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

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.

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...

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

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

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

O objetivo geral dessas técnicas de caracterização mecânica é medir as propriedades viscoelásticas de tecidos biológicos em diferentes escalas de comprimento e taxas de carregamento. Esses métodos podem ser usados para responder perguntas fundamentais na engenharia biológica. Por exemplo, como o cérebro se deforma sob taxas muito altas de carregamento, ou como doenças como esclerose múltipla ou autismo afetam as propriedades mecânicas do tecido cerebral.A principal vantagem dessas técnicas reside no fato de que, para materiais com rigidez muito baixa e alta hidratação, como um tecido biológico, é possível realizar testes sob uma ampla gama de condições de carregamento, bem como em uma ampla faixa de volumes de material, desde o nível de uma única célula até o de um cérebro inteiro. As implicações dessas técnicas estendem-se à modelagem da resposta do cérebro durante lesões, o que é importante para o desenvolvimento de estratégias protetivas. Embora este método possa fornecer informações sobre as propriedades mecânicas do cérebro, ele também pode ser aplicado a outros tecidos biológicos compliantes, como o coração e o fígado.Durante a caracterização mecânica de tecidos compliantes,

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

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A rigidez da matriz extracelular influencia fortemente os comportamentos múltiplo de células aderentes. Rigidez da matriz varia espacialmente ao longo de um tecido, e sofre modificação nas condições de várias doenças. Aqui nós desenvolvemos métodos para caracterizar as variações espaciais na rigidez do tecido normal e pulmão fibrótico do mouse usando microindentation microscopia de força atômica.

Micro-Mecânica Caracterização do tecido pulmonar Usando Microscopia de Força Atômica

Fonte: Canovic, E. P., et al. Caracterização de propriedades mecânicas multiescala do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto e reometria. J. Vis. Exp. (2016)Este vídeo demonstra o uso da microscopia de força atômica (AFM) para medir as propriedades viscoelásticas do tecido cerebral, onde um cantilever com uma sonda esférica interage com o tecido e se dobra sob forças aplicadas. Um feixe de laser desviado para um detector rastreia o cantilever para medir a...

Caracterização das propriedades mecânicas do tecido cerebral de camundongos usando microscopia de força atômica

Fonte: Canovic, E. P., et. al., Caracterização das propriedades mecânicas multiescala do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto e reometria. J. Vis. Exp. (2016)O vídeo demonstra o uso de recuo de impacto para medir as propriedades mecânicas de um tecido cerebral de camundongo hidratado, incluindo rigidez, dissipação de energia e amortecimento, por meio do deslocamento da sonda e análise de velocidade.

Indentação de impacto para avaliar as propriedades mecânicas de um tecido cerebral de camundongo

Fonte: Canovic, E. P., et al. Caracterização de propriedades mecânicas multiescala do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto e reometria. J. Vis. Exp. (2016)Neste vídeo, um reômetro foi usado para aplicar movimento rotacional oscilatório controlado ao tecido cerebral para gerar tensão de cisalhamento e avaliar as propriedades viscosas e elásticas do tecido. O reômetro, como ferramenta funcional, fornece informações sobre a mecânica cerebral durante lesões ou...

Medindo as propriedades viscoelásticas do tecido cerebral de camundongos usando reometria

Este documento revela um protocolo para caracterizar as propriedades mecânicas de células vivas por meio de microindentação utilizando um microscópio de força atómica (AFM).

Medir as propriedades mecânicas das células vivas Usando Microscopia de Força Atômica

Este protocolo experimental descreve como a microscopia de força atômica pode ser usada para medir a dureza na escala nanométrica verdadeira e para detectar eventos de plasticidade atomística única.

Medição de dureza quantitativa por Instrumented AFM-recuo

Apresentamos um método para investigar alterações osteoartríticas precoces no nível celular na cartilagem articular usando microscopia de força atômica (AFM).

Aplicação de microscopia de força atômica para detectar osteoartrite precoce

O protocolo apresenta um fluxo de trabalho completo para experimentos de nanoindentação de materiais moles, incluindo hidrogéis e células. Primeiro, as etapas experimentais para adquirir dados de espectroscopia de força são detalhadas; em seguida, a análise de tais dados é detalhada através de um software Python de código aberto recém-desenvolvido, que é gratuito para download no GitHub.

Fluxo de trabalho experimental e de análise de dados para nanoindentação de matéria mole

Apresentamos um protocolo para medir os módulos elásticos de áreas ricas em colágeno em fígado normal e doente usando microscopia de força atômica. O uso simultâneo da microscopia de polarização fornece alta precisão espacial para localizar áreas ricas em colágeno nas seções do fígado.

Medição da rigidez hepática usando microscopia de força atômica acoplada à microscopia de polarização

A quantificação da área de contato e da força aplicadas por uma ponta de sonda de microscópio de força atômica (AFM) à superfície de uma amostra permite a determinação de propriedades mecânicas em nanoescala. As melhores práticas para implementar nanoindentação baseada em balil AFM em ar ou fluido em amostras moles e duras para medir módulo elástico ou outras propriedades nanomecânicas são discutidas.

Nanoindentação baseada em cantilever por microscopia de força atômica: medidas de propriedades mecânicas em nanoescala no ar e fluido

Este protocolo visualiza como preparar criossecções de tecido pulmonar murino, realizar experimentos de mapa de força de microscopia de força atômica e analisar os dados para determinar o módulo de Young da membrana basal pulmonar murina nativa.

Extraindo o módulo de Young de membranas basais pulmonares murinas nativas de mapas de força derivados de microscopia de força atômica

Aprenda a caracterizar propriedades viscoelásticas do tecido cerebral em múltiplas escalas usando microscopia de força atômica, recuo de impacto e reologia. Essas técnicas avançadas permitem analisar desde células individuais até cérebros inteiros.

Caracterizando Propriedades Multiscale mecânicas do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto, e Reologia (Vídeo) | JoVE Journal

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

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