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

Общая цель этих методов определения механических характеристик заключается в измерении вязкоупругих свойств биологической ткани при различных масштабах длины и скоростей нагружения. Эти методы могут быть использованы для ответа на ключевые вопросы биологической инженерии. Например, как мозг деформируется при очень высоких нагрузках, или как такие заболевания, как рассеянный склероз или аутизм, влияют на механические свойства мозговой ткани.

Основное преимущество этих методов заключается в том, что для материалов с очень низкой жесткостью и очень высокой гидратацией, таких как биологическая ткань, вы можете тестировать в широком диапазоне условий нагружения, а также вы можете тестировать в широком диапазоне объемов материала, вплоть до уровня одной клетки и вплоть до уровня всего мозга. Применение этих методов распространяется на моделирование реакции мозга во время травмы, что важно для разработки защитных стратегий. Хотя этот метод может дать представление о механических свойствах мозга, он также может быть применен к другим податливым биологическим тканям, таким как сердце и печень.

При определении механических характеристик податливых тканей решающее значение имеет установление соответствующего контакта между измерительным зондом и тканью. Осторожно загрузите в держатель зонда зонд АСМ с номинальной пружинной постоянной 0,03 ньютона на метр и боросиликатным шариком диаметром 20 микрометров. Поместите срез мозга, установленный в чашке Петри, на нагреватель, установленный на сцене AFM, который был предварительно нагрет до 37 градусов по Цельсию.

Затем добавьте около двух миллилитров предварительно подогретой среды. Затем осторожно добавьте каплю среды на зонд АСМ, чтобы защитить его от разрушения из-за поверхностного натяжения при опускании в среду, окружающую срез мозга. Затем переместите головку АСМ на сцену и начните опускать голову до тех пор, пока она не будет погружена в среду.

С помощью оптического микроскопа переместите предметный столик так, чтобы интересующая область находилась ниже откалиброванного зонда АСМ, затем опустите зонд АСМ, чтобы установить контакт с поверхностью ткани. Чтобы провести эксперименты по соблюдению ползучести, постройте функцию приложенной силы в редакторе функций программного обеспечения. Функция состоит из 0,1-секундного нарастания до заданного значения 5 наноньютонов, которое удерживается в течение 20 секунд, за которым следует односекундное снижение до нуля наноньютонов.

Программное обеспечение будет записывать данные о вдавливании датчика АСМ в ткань во время приложенной силовой функции. После запуска эксперимента по согласованию ползучести проведите эксперименты по релаксации силы, создав в программном обеспечении прикладную функцию отступа. Запустите эту функцию, пока программное обеспечение собирает данные о силе, которую испытывает датчик АСМ при вдавливании в ткань.

Чтобы начать испытания на ударное вдавливание, совместите сферический щуп, надев его на маятник с помощью пинцета. Затем прикрепите столб для образца плавленого кварца к пластине и вкрутите пластину в поступательную ступень. Чтобы провести эксперименты по динамическому воздействию на гидратированные ткани мозга, сначала выполните калибровку жидких клеток.

Перейдите в меню «Калибровка» в программном обеспечении, выберите «Жидкая ячейка» и следуйте инструкциям программного обеспечения, чтобы установить контакт с образцом плавленого кварца. Затем выберите «Нормальный» для параметра «Тип индентора» и используйте значение по умолчанию 0,05 миллиньютона для параметра «Нагрузка индентора». Затем нажмите «Продолжить», чтобы выполнить калибровку для обычной конфигурации индентора.

Теперь отодвиньте предметный столик назад не менее чем на пять миллиметров и установите рычаг. Повторите калибровку жидкостной ячейки в новой конфигурации, выбрав Liquid Cell (Жидкая ячейка) для типа индентора. Нажмите кнопку Продолжить, чтобы получить коэффициент калибровки жидкого элемента.

Далее увеличьте расстояние между пластинами конденсатора. Увеличение расстояния между пластинами конденсатора приведет к увеличению максимальной измеряемой глубины, которая необходима при испытании материалов с высоким уровнем соответствия. С помощью гаечного ключа поверните три гайки, которые управляют расстоянием между пластинами конденсатора, по часовой стрелке с небольшим шагом.

После каждого полного поворота по часовой стрелке выберите «Регулировка коробки моста» в меню «Обслуживание» и проведите хороший маятниковый тест. Продолжайте медленно регулировать гайки, пока калибровка приблизительной глубины не покажет значение 70 000 нанометров на вольт или выше.

Затем установите новый ограничитель в нижней части маятника, который можно включать и выключать с помощью источника питания. Втяните исходный ограничитель, расположенный за маятником, чтобы устранить потенциальное препятствие для движения маятника и обеспечить более высокую скорость удара, а также большую глубину проникновения в податливые образцы. Включите блок питания для соленоида и установите его на 10 вольт.

Затем перейдите в меню «Эксперимент» и выберите «Удар» и «Настройка импульсного смещения». Следуйте инструкциям программного обеспечения, чтобы откалибровать расстояние качания маятника. Когда установка ударного вдавливания будет полностью завершена, аспирируйте среду и высушите срез мозга.

Затем с помощью тонкого слоя цианоакрилатного клея прикрепите разрезанный мозг к столбу с алюминиевым образцом. Затем наденьте жидкую ячейку на второе уплотнительное кольцо на стойке образца и заполните жидкую ячейку пятью миллилитрами угленезависимой среды, чтобы полностью погрузить ткань. Перемещайте ванну в отрицательном направлении по оси X до тех пор, пока наконечник рычага рычага не будет правильно расположен над ванной.

Затем двигайтесь в положительном направлении по оси Z, пока наконечник полностью не погрузится в ванну и не окажется перед образцом. Используя окно Sample Stage Control, осторожно установите контакт, а затем отодвиньте предметный столик от поверхности образца примерно на 30 микрометров. В меню Эксперимент выберите пункт Воздействие и настройте эксперимент с воздействием.

Выберите конкретную импульсную нагрузку, которая будет напрямую связана с результирующей скоростью удара на основе калибровки расстояния замаха. А затем запустить запланированный эксперимент. Когда маятник качнется назад, а поверхность образца продолжает двигаться к плоскости измерения, выключите нижний концевой выключатель.

Смещение датчика в зависимости от времени будет зафиксировано программным обеспечением. Приложите наждачную бумагу к измерительному щупу диаметром 25 мм. Далее прикрепляем тепловую систему и монтируем щуп.

Наконец, приложите еще один кусок наждачной бумаги к нижней пластине, выровненной с верхней пластиной. Откалибруйте реометр в соответствии с инструкциями производителя. Во-первых, обнулите усилие, действующее на зонд.

Во-вторых, установите контакт между щупом и нижней пластиной. Затем измерьте инерцию зонда. Наконец, выполните регулировку мотора.

Затем медленно опустите измерительную пластину. Когда пластина находится в пределах миллиметра от ткани, опускайте ее с шагом 0,1 миллиметра до тех пор, пока пластина полностью не соприкоснется с верхней поверхностью ткани и измеренная нормальная сила не достигнет желаемого значения. Нанесите небольшой объем среды по краям образца для поддержания гидратации во время процедуры.

Опустите термовытяжку. Затем нажмите «Файл», «Создать» и на вкладке «Гель» выберите «Частотный развертка». Затем нажмите на окно измерения одной частоты и дважды щелкните по окошку колебаний.

Введите частотный диапазон, деформацию и количество точек. Наконец, нажмите OK и нажмите кнопку Start, чтобы начать частотный развертку. Ниже приведены репрезентативные реакции на индентирование и зависимость силы от времени как для экспериментов по податливости ползучести, так и для экспериментов по релаксации силы.

Используя эти данные и геометрию системы, можно рассчитать податливость ползучести и модули релаксации сил для различных областей мозга. Ударный индентирование измеряет механические свойства ткани при высоких скоростях пространственно и временно концентрированной нагрузки. Результирующие параметры реакции на удар могут быть количественно определены при различных скоростях удара, что позволяет изучать свойства ткани, зависящие от скорости.

Реология измеряет частотно-зависимые вязкоупругие свойства объемной ткани с точки зрения модулей накопления и потерь. Модуль накопления почти на порядок больше, чем модуль потерь на низких частотах, что указывает на то, что упругие свойства доминируют в поведении тканей мозга. При попытке выполнить эту процедуру важно поддерживать достаточную гидратацию ткани или погружать ее в жидкость, которая помогает ткани сохранять свою надлежащую структуру.

Разработка этих продемонстрированных методов проложила путь исследователям материалов к разработке оптимальных синтетических гелей, которые могут имитировать механическую реакцию мозга. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как индентирование с помощью атомно-силового микроскопа, ударное вдавливание и реология используются для характеристики вязкоупругих механических свойств ткани. Интерпретируя собранные данные, помните о лежащем в основе предположении о том, что деформированный объем ткани структурно однороден и эластически изотропен.

Это не обязательно верно для всех биологических тканей. По мере того, как ваши вопросы о механике биологических тканей становятся более определенными, вы можете выбрать один или несколько из этих механических экспериментов, чтобы ответить на вопрос в соответствующей длине или временной шкале.