We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Å designe og ingeniør materialer inspirert av egenskapene i hjernen, enten for mekaniske simulants eller for vev gjenfødelse studier, må hjernevevet selv være godt preget på ulike lengde og tidsskalaer. Som mange andre biologisk vev, oppviser hjernevev et kompleks, hierarkisk struktur. Men i motsetning til de fleste andre vev, er hjerne av meget lave mekaniske stivhet, med Youngs elastisitetsmoduler E i størrelsesorden av 100s av Pa. Denne lave stivhet kan by på utfordringer til eksperimentell karakterisering av viktige mekaniske egenskaper. Her viser vi flere mekaniske karakterisering teknikker som er tilpasset for å måle de elastiske og viskoelastiske egenskaper hydrert, kompatible biologiske materialer som hjernevev, på ulike lengdeskalaer og laste priser. På mikroskala, gjennomfører vi krype-compliance og kraft avslapping eksperimenter med atommikroskop-aktivert innrykk. På mesosCale, utfører vi konsekvensinnrykks eksperimenter ved hjelp av en pendel-baserte instrumentert indenter. På makro utfører vi parallell plate rheometri å kvantifisere frekvensen avhengig skjærelastisitetsmoduler. Vi diskuterer også de utfordringer og begrensninger knyttet til hver metode. Sammen disse teknikkene gjør at en grundig mekanisk karakterisering av hjernevev som kan brukes til å bedre forstå strukturen i hjernen og til ingeniør bio-inspirert materiale.
De fleste myke vev som omfatter biologiske organer er mekanisk og strukturelt komplekse, av lav stivhet i forhold til mineralisert ben eller konstruerte materialer, og oppviser ikke-lineær og tidsavhengig deformasjon. Sammenlignet med andre vev i kroppen, er hjernevev bemerkelsesverdig kompatibel med elastisitetsmoduler E på rekkefølgen av 100s av Pa en. Hjernevev viser strukturell heterogenitet med distinkt og interdigitated grå og hvit substans regioner som også skiller seg funksjonelt. Forståelse hjernevev mekanikk skal hjelpe til i utformingen av materialer og beregningsmodeller for å etterligne responsen i hjernen under skade, lette prediksjon av mekanisk skade, og muliggjøre konstruksjon av beskyttelsesstrategier. I tillegg kan slik informasjon anvendes for å vurdere konstruksjons mål for regenerering av vev, og for bedre å forstå strukturelle endringer i hjernevevet som er forbundet med sykdommer så som multippel sklerose og autisme. Here, vi beskrive og demonstrere flere eksperimentelle tilnærminger som er tilgjengelige for å karakterisere de viskoelastiske egenskapene for mekanisk kompatible vev innbefattende hjernevevet, på mikro-, meso- og makroskala.
På mikroskala, gjennomførte vi krype-compliance og tvinge avslapping eksperimenter ved hjelp av atommikroskop (AFM) -aktiverte innrykk. Vanligvis er AFM-aktivert skår som brukes til å estimere elastisitetsmodulen (eller momentant stivhet) av en prøve 2-4. Imidlertid kan det samme instrumentet også brukes til å måle mikro viskoelastisk (tids- eller hastighetsavhengig) egenskaper 5-10. Prinsippet for disse forsøkene, vist i figur 1, er å rykke inn en AFM utkraget sonde inn i hjernevevet, opprettholde en bestemt størrelse av kraft eller hakk dybde, og måle de tilsvarende endringer i innrykk dybde og styrke, henholdsvis, over tid. Ved hjelp av disse dataene, kan vi beregne krype kompliance J C og avslapning modulus G R, henholdsvis.
På mesoskala, gjennomførte vi slaginnrykks eksperimenter i væskefylte forhold som opprettholder vev struktur og hydration nivåer, ved hjelp av en pendel-baserte instrumentert nanoindenter. Det eksperimentelle oppsettet er vist i figur 2. Da det Pendelen svinger i kontakt med vevet, sonden forskyvning blir registrert som en funksjon av tiden til den oscillerende pendelen kommer til å hvile i vevet. Fra den resulterende dempet harmonisk oscillerende bevegelse av sonden, kan vi beregne den maksimale penetreringsdybden x max, energi avledningskapasitet K, og dissipasjon kvalitetsfaktor Q (som er relatert til hastigheten av energispredning) av vevet 11,12.
Ved macroscale, anvendte vi en parallell plate-reometer for å kvantifisere den frekvensavhengige skjærelastisitetsmoduler,betegnet lagringsmodul G 'og tapsmodulen G ", av vevet. I denne type rheometri, pålegges en harmonisk vinkelformet stamme (og tilsvarende skjær stamme) ved kjente amplituder og frekvenser og måle reactional moment (og tilsvarende skjærspenning) som vist i figur 3. fra den resulterende amplitude og faseforsinkelse av det målte dreiemomentet og geometriske variabler i systemet, kan vi beregne G 'og G "i det anvendte frekvenser av interesse 13,14.
Hver teknikk presentert i denne artikkelen måler forskjellige fasetter av hjernevev mekaniske egenskaper. Creep compliance og stress avslapping modulene er et mål på tidsavhengige mekaniske egenskaper. Lagring og tap moduli representerer renteavhengige mekaniske egenskaper. Impact innrykk måler også hastighet avhengige mekaniske egenskaper, men i sammenheng med energispredning. Når karakterisere vev mekaniske egenskaper, både AFM-aktivert innrykk og reologi brukte metoder. AFM-aktiverte skår er spesielt nyttig f…
The authors have nothing to disclose.
We acknowledge support of this work by the National Multiple Sclerosis Society and Simons Center for the Social Brain. BQ acknowledges support from the U.S. National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship program.
Xylaxine | Lloyd Laboratoried | perscription drug | |
Ketamine | AnaSed Injections | perscription drug | |
Vibratome (Vibrating blade microtome) | Leica | VT1200 | |
Hibernate-A Medium | Gibco | A1247501 | CO2-independent neural medium for adult tissue |
Atomic Force Microscope, MFP-3D-BIO | Asylum Research | – | |
Petri Dish Heater | Asylum Research | – | |
AFM Probe, 0.03 N/m, 10 um radius borosilicate sphere | Novascan | PT.GS | |
Cell-Tak | Corning | 354240 | mussel-derived bioadhesive |
Sodium Bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | alternate suppliers can be used |
Sodium Hydroxide, 1N | Sigma-Aldrich | 59223C | alternate suppliers can be used |
Instrumented Indenter, NanoTest Vantage | Micro Materials Ltd. | – | probe tip needs to be machined (steel flat punch, 1mm diameter, 4-5 mm length) |
NanoTest Liquid Cell | Micro Materials Ltd. | – | |
Parallel Plate Rheometer MCR501 | Anton-Parr | – | |
PP25 | Anton-Parr | – | 25 mm diameter flat measurement plate |
Adhesive Sandpaper | McMaster-Carr | 4184A48 | alternate suppliers can be used |
Loctite 4013 Instant Adhesive | Henkel | 20268 | alternate suppliers can be used |