Характеризуя Многомасштабное механических свойств ткани головного мозга Использование атомно-силовой микроскопии, наезд отступы и Реологии

Общая цель данных методов механической характеризации заключается в измерении вязкоупругих свойств биологической ткани на различных пространственных масштабах и при разных скоростях нагружения. Эти методы могут быть использованы для поиска ответов на ключевые вопросы биоинженерии. Например, как деформируется мозг при очень высоких скоростях нагружения или как такие заболевания, как рассеянный склероз или аутизм, влияют на механические свойства ткани мозга.

Основным преимуществом этих методов является то, что для материалов с очень низкой жесткостью и очень высокой степенью гидратации, таких как биологические ткани, можно проводить испытания в широком диапазоне условий нагружения, а также на материалах различных объемов — от уровня отдельной клетки до всего мозга. Применение этих методов позволяет моделировать реакцию мозга при травмах, что крайне важно для разработки защитных стратегий. Хотя данный метод дает возможность изучить механические свойства мозга, он также может быть применен к другим податливым биологическим тканям, таким как сердце и печень.

При механической характеристике податливых тканей крайне важно обеспечить надлежащий контакт между измерительным зондом и тканью. Осторожно установите в держатель АСМ-зонд с номинальной константой жесткости 0,03 N/m и боросиликатной микросферой диаметром 20 µm. Поместите срез мозга, закрепленный в чашке Петри, на нагреватель, установленный на предметном столике АСМ, предварительно разогретый до 37 °C.

Затем добавьте около двух миллилитров предварительно подогретой среды. После этого осторожно нанесите каплю среды на зонд AFM, чтобы предотвратить его полом компанию из-за поверхностного натяжения при погружении в среду, окружающую срез мозга. Затем снова установите головку AFM на предметный столик и начните ее опускание до полного погружения в среду.

С помощью оптического микроскопа переместите предметный столик так, чтобы интересующая область находилась под откалиброванным зондом АСМ, затем опустите зонд АСМ до контакта с поверхностью ткани. Для проведения экспериментов по определению податливости при ползучести создайте функцию прикладываемой силы в редакторе функций программного обеспечения. Функция состоит из линейного увеличения силы в течение 0,1 секунды до заданного значения 5 nanonewton, которое поддерживается в течение 20 секунд, с последующим линейным снижением силы до zero nanonewton в течение одной секунды.

Программное обеспечение будет регистрировать данные о вдавливании зонда АСМ в ткань во время выполнения функции приложения силы. После проведения эксперимента по определению податливости при ползучести проведите эксперименты по релаксации силы, создав в программном обеспечении функцию заданного вдавливания. Запустите эту функцию, пока программное обеспечение собирает данные о силе, воздействующей на зонд АСМ при его вдавливании в ткань.

Для начала испытаний на ударное индентирование установите сферический зонд, надев его на маятник с помощью пинцета. Затем закрепите образец из плавкого кварца на пластине и прикрутите пластину к трансляционному столику. Для проведения экспериментов по динамическому удару на гидратированных тканях мозга сначала выполните калибровку жидкостной ячейки.

Перейдите в меню Calibration (Калибровка) в программном обеспечении, выберите Liquid Cell (Жидкостная кювета) и следуйте подсказкам программы, чтобы установить контакт с образцом из плавленного кварца. Затем в поле Indenter Type (Тип индентора) выберите Normal (Нормальный) и используйте значение по умолчанию 0.05 millinewtons для Indenter Load (Нагрузка индентора). После этого нажмите continue (продолжить), чтобы выполнить калибровку для нормальной конфигурации индентора.

Теперь переместите предметный столик назад минимум на пять миллиметров и установите рычаг. Повторите калибровку жидкостной ячейки в новой конфигурации, выбрав Liquid Cell в качестве типа индентора. Нажмите Continue, чтобы получить калибровочный коэффициент для жидкостной ячейки.

Затем увеличьте расстояние между обкладками конденсатора. Увеличение этого расстояния позволяет увеличить максимально измеряемую глубину, что необходимо при тестировании материалов с высокой податливостью. С помощью гаечного ключа поворачивайте по часовой стрелке три гайки, регулирующие расстояние между обкладками конденсатора, небольшими шагами.

После каждого полного поворота по часовой стрелке выберите пункт Bridge Box Adjustment в меню Maintenance и проведите качественный тест маятника. Продолжайте медленно подстраивать гайки до тех пор, пока значение Approx. Depth Calibration не достигнет 70,000 нанометров на вольт или выше.

Затем установите в нижней части маятника новый концевой ограничитель, который можно включать и выключать с помощью блока питания. Уберите исходный концевой ограничитель, расположенный позади маятника, чтобы устранить возможное препятствие движению маятника и обеспечить более высокие скорости удара, а также большую глубину проникновения в податливые образцы. Включите блок питания соленоида и установите напряжение 10 вольт.

Затем перейдите в меню «Experiment» и выберите «Impact and Adjust Impulse Displacement». Следуйте инструкциям программного обеспечения, чтобы откалибровать амплитуду колебания маятника. После полного завершения настройки для нанесения ударного повреждения удалите среду и высушите срез мозга.

Затем нанесите тонкий слой цианоакрилатного клея, чтобы закрепить срез мозга на алюминиевом предметном столике. После этого наденьте жидкостную камеру на второе уплотнительное кольцо предметного столика и заполните камеру пятью миллилитрами среды, не требующей добавления CO2, чтобы полностью погрузить ткань. Переместите ванну в отрицательном направлении по оси X, пока наконечник рычага не окажется в правильном положении над ванной.

Затем переместитесь в положительном направлении по оси Z, пока наконечник полностью не погрузится в ванну и не окажется перед образцом. Используя окно управления столиком для образцов, осторожно установите контакт, а затем отведите столик от поверхности образца примерно на 30 micrometers. В меню «Эксперимент» (Experiment) выберите «Удар» (Impact) и настройте эксперимент по определению ударных свойств.

Выберите определенное импульсное воздействие, которое будет напрямую определять результирующую скорость удара на основе калибровки расстояния размаха. Затем проведите запланированный эксперимент. Когда маятник вернется назад и поверхность образца продолжит движение к измерительной плоскости, выключите нижний концевой выключатель.

Программное обеспечение будет регистрировать смещение зонда в зависимости от времени. Прикрепите наждачную бумагу к измерительному зонду диаметром 25 миллиметров. Затем подключите термическую систему и установите зонд.

Наконец, прикрепите еще один лист наждачной бумаги к нижней платформе так, чтобы она была выровнена относительно верхней платформы. Откалибруйте реометр в соответствии с инструкциями производителя. Сначала установите нулевое значение силы на датчике.

Во-вторых, установите контакт между зондом и нижней пластиной. Затем измерьте инерцию зонда. В завершение выполните регулировку двигателя.

Затем медленно опустите измерительную пластину. Когда до ткани останется один миллиметр, опускайте пластину с шагом 0,1 миллиметра до тех пор, пока она полностью не коснется верхней поверхности ткани, а измеренная нормальная сила не достигнет заданного значения. Нанесите небольшое количество среды по краям образца, чтобы поддерживать гидратацию в ходе процедуры.

Опустите термокожух. Затем нажмите File, New и на вкладке Gel выберите Frequency Sweep. После этого нажмите на window measurement one frequency sweep и дважды щелкните по полю oscillation.

Введите диапазон частот, деформацию и количество точек. Затем нажмите OK и нажмите Start, чтобы начать частотное сканирование. Ниже представлены репрезентативные графики зависимости глубины индентации и силы от времени для экспериментов по определению податливости при ползучести и релаксации силы.

Используя эти данные и геометрию системы, можно рассчитать модуль ползучести и модули релаксации силы для различных областей мозга. Ударное индентирование позволяет измерить механические свойства ткани при высоких скоростях пространственно и временно концентрированной нагрузки. Результирующие параметры ударного отклика могут быть количественно определены при различных скоростях удара, что дает возможность изучить скоростьно-зависимые свойства ткани.

Реология позволяет измерить зависящие от частоты вязкоупругие свойства объемной ткани с помощью модулей накопления и потерь. При низких частотах модуль накопления почти на порядок превышает модуль потерь, что указывает на доминирование упругих свойств в поведении ткани мозга. При выполнении данной процедуры важно поддерживать достаточную гидратацию ткани или погружать её в жидкость, помогающую сохранить правильную структуру ткани.

Разработка этих продемонстрированных методов открыла исследователям материалов путь к проектированию и оптимизации синтетических гелей, способных имитировать механический отклик головного мозга. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как индентация с помощью атомно-силового микроскопа, ударная индентация и реология используются для характеристики вязкоупругих механических свойств ткани. При интерпретации полученных данных помните об основополагающем предположении, что деформируемый объем ткани является структурно однородным и упруго изотропным.

Это не обязательно верно для всех биологических тканей. По мере того как ваши вопросы о механике биологических тканей будут становиться более конкретными, вы сможете выбрать один или несколько из этих механических экспериментов, чтобы получить ответ на интересующий вас вопрос на соответствующем пространственном или временном масштабе.