Atomik Kuvvet Mikroskobu, Darbe girinti ve reometre kullanarak Beyin Doku Ölçekli Mekanik Özellikleri karakterize

Bu mekanik karakterizasyon tekniklerinin genel amacı, biyolojik dokunun viskoelastik özelliklerini farklı uzunluk ölçeklerinde ve yükleme hızlarında ölçmektir. Bu yöntemler, biyolojik mühendislikteki temel soruları yanıtlamak için kullanılabilir. Örneğin, beynin çok yüksek yükleme hızları altında nasıl deforme olduğu veya multipl skleroz veya otizm gibi hastalıkların beyin dokusunun mekanik özelliklerini nasıl etkilediği incelenebilir.

Bu tekniklerin temel avantajı, biyolojik doku gibi çok düşük sertliğe ve çok yüksek hidrasyona sahip materyaller için, geniş bir yükleme koşulları yelpazesinde test yapabilmeniz ve tek bir hücre seviyesinden tüm beyin seviyesine kadar geniş bir materyal hacmi aralığında test gerçekleştirebilmenizdir. Bu tekniklerin uygulama alanları, koruyucu stratejiler geliştirmek adına kritik olan, beynin yaralanma sırasındaki tepkisinin modellenmesine kadar uzanmaktadır. Bu yöntem, beynin mekanik özellikleri hakkında bilgi sağlayabildiği gibi, kalp ve karaciğer gibi diğer esnek biyolojik dokulara da uygulanabilir.

Esnek dokuların mekanik karakterizasyonu sırasında, ölçüm probu ile doku arasında uygun bir temasın kurulması kritik önem taşır. Nominal yay sabiti 0,03 newtons per meter olan bir AFM probunu ve 20 micrometer çapında bir borosilikat boncuğu prob tutucuya dikkatlice yerleştirin. Petri kabına monte edilmiş bir beyin kesitini, 37 degrees celsius'ye önceden ısıtılmış AFM sahnesine monte bir ısıtıcı üzerine yerleştirin.

Ardından yaklaşık iki mililitre önceden ısıtılmış ortam ekleyin. Sonra, beyin kesitini çevreleyen ortamın içine indirildiğinde yüzey gerilimi nedeniyle kırılmasını önlemek için AFM probunun üzerine bir damla ortam dikkatlice ekleyin. Ardından AFM başlığını sahne üzerine yeniden konumlandırın ve başlık ortamın içine gömülene kadar indirmeye başlayın.

Optik mikroskobu kullanarak, ilgilenilen bölge kalibre edilmiş AFM probunun altına gelecek şekilde sahneyi hareket ettirin, ardından AFM probunu doku yüzeyiyle temas kuracak şekilde indirin. Sünme uyumluluğu deneylerini gerçekleştirmek için, yazılımın fonksiyon düzenleyicisinde bir uygulanan kuvvet fonksiyonu oluşturun. Fonksiyon, 5 nanonewton'luk bir set noktasına 0,1 saniyelik bir rampa, ardından 20 saniye boyunca bu noktada bekleme ve sonrasında sıfır nanonewton'a bir saniyelik bir iniş rampasından oluşmaktadır.

Yazılım, uygulanan kuvvet fonksiyonu sırasında AFM probunun doku üzerindeki girintisine ilişkin verileri kaydedecektir. Sürünme uyumluluğu deneyi tamamlandıktan sonra, yazılımda bir uygulanan girinti fonksiyonu oluşturarak kuvvet gevşemesi deneylerini gerçekleştirin. Yazılım, AFM probunun dokuya girerken maruz kaldığı kuvvetle ilgili verileri toplarken bu fonksiyonu çalıştırın.

Darbeli girinti testlerine başlamak için, cımbız yardımıyla küresel bir probu sarkaç üzerine kaydırarak yerleştirin. Ardından, eritilmiş kuvars numune direğini plakaya takın ve plakayı translasyonel sahneye vidalayın. Hidrate beyin dokuları üzerinde dinamik darbe deneylerini gerçekleştirebilmek için önce sıvı hücre kalibrasyonunu yapın.

Yazılımdaki Kalibrasyon menüsüne gidin, Sıvı Hücre'yi seçin ve eriyik kuvars numuneyle temas kurmak için yazılım istemlerini takip edin. Ardından, İndenter Tipi için Normal'i seçin ve İndenter Yükü için varsayılan 0,05 millinewton değerini kullanın. Daha sonra, normal indenter yapılandırması için kalibrasyonu gerçekleştirmek üzere devam et'e tıklayın.

Şimdi numune tablasını en az beş milimetre geriye çekin ve kaldıraç kolunu takın. İndenter tipi olarak Liquid Cell seçeneğini belirleyerek yeni konfigürasyonda sıvı hücre kalibrasyonunu tekrarlayın. Sıvı hücre kalibrasyon faktörünü elde etmek için Continue düğmesine tıklayın.

Ardından, kapasitör plaka aralığını artırın. Kapasitör plaka aralığının artırılması, yüksek düzeyde uyumlu malzemelerin test edilmesi sırasında gerekli olan maksimum ölçülebilir derinliğin artmasını sağlayacaktır. Bir anahtar yardımıyla, kapasitör plaka aralığını kontrol eden üç somunu küçük artışlarla saat yönünde çevirin.

Her tam saat yönündeki dönüşten sonra, Bakım menüsü altından Köprü Kutusu Ayarı'nı seçin ve başarılı bir sarkaç testi elde edin. Yaklaşık Derinlik Kalibrasyonu değeri 70,000 nanometer/volt veya daha yüksek bir değer okuyana kadar somunları yavaşça ayarlamaya devam edin.

Ardından, sarkaç alt kısmına bir güç kaynağı aracılığıyla açılıp kapatılabilen yeni bir sınır durdurucusu yerleştirin. Sarkacın hareketini engelleyebilecek olası bir tıkanıklığı gidermek, daha yüksek çarpma hızlarına ve esnek numunelerde daha yüksek penetrasyon derinliklerine olanak sağlamak için sarkacın arkasındaki orijinal sınır durdurucusunu geri çekin. Solenoid için güç kaynağını açın ve 10 volt olarak ayarlayın.

Ardından, Deney menüsüne gidin ve Darbe ve İmpuls Yer Değiştirme Ayarı'nı seçin. Sarkaç salınım mesafesini kalibre etmek için yazılım talimatlarını takip edin. Darbe girinti kurulumu tamamen tamamlandığında, medyumu aspire edin ve beyin kesitini kurutun.

Ardından, dilimlenmiş beyni alüminyum numune direğine sabitlemek için ince bir kat siyanoakrilat yapıştırıcı kullanın. Sonra sıvı hücresini numune direğindeki ikinci O-ringin üzerinden kaydırarak geçirin ve dokuyu tamamen daldırmak için sıvı hücresini beş mililitre karbondioksitten bağımsız besiyeri ile doldurun. Banyonun üzerindeki manivela kolunun ucunun uygun konuma gelene kadar banyoyu negatif X yönünde hareket ettirin.

Ardından, uç banyo içine tamamen daldırılana ve örneğin önüne gelene kadar pozitif Z yönünde ilerleyin. Örnek Sahnesi Kontrol (Sample Stage Control) penceresini kullanarak dikkatlice temas sağlayın ve ardından sahneyi örnek yüzeyinden yaklaşık 30 micrometers kadar geri çekin. Deney (Experiment) menüsü altında, Impact seçeneğine tıklayın ve bir darbe deneyi kurun.

Sarkaç mesafe kalibrasyonuna dayanarak, sonuçlanan çarpma hızıyla doğrudan ilişkili olacak spesifik bir impuls yükü seçin. Ardından planlanan deneyi gerçekleştirin. Sarkaç geri sallandığında ve numune yüzeyi ölçüm düzlemine doğru hareket etmeye devam ettiğinde, alt sınır anahtarını kapatın.

Yazılım tarafından, probun yer değiştirmesi zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilecektir. 25 milimetre çapındaki ölçüm probuna zımpara kağıdı tutturun. Ardından, termal sistemi bağlayın ve probu monte edin.

Son olarak, üst plaka ile aynı hizada olacak şekilde alt plakaya başka bir zımpara parçası takın. Reometreyi üretici talimatlarına göre kalibre edin. İlk olarak, prob üzerindeki kuvveti sıfırlayın.

İkinci olarak, prob ile alt plaka arasında temas kurun. Ardından probun ataletini ölçün. Son olarak, motor ayarını gerçekleştirin.

Ardından ölçüm plakasını yavaşça indirin. Plaka dokuya bir milimetre mesafe kaldığında, plaka dokunun üst yüzeyiyle tamamen temas edene ve ölçülen normal kuvvet istenen değere ulaşana kadar 0,1 milimetrelik artışlarla indirmeye devam edin. İşlem sırasında hidrasyonu korumak için örneğin kenarlarına küçük bir hacimde besiyeri damlatın.

Termal kapağı indirin. Ardından Dosya, Yeni'ye tıklayın ve Gel sekmesi altından Frequency Sweep seçeneğini seçin. Daha sonra window measurement one frequency sweep seçeneğine tıklayın ve osilasyon kutusuna çift tıklayın.

Frekans aralığını, gerilimi ve nokta sayısını girin. Son olarak, Tamam'ı seçin ve frekans taramasını başlatmak için Başlat'a tıklayın. Burada, hem sürünme kompliyansı hem de kuvvet relaksasyonu deneyleri için temsili girinti ve zamana karşı kuvvet tepkileri verilmiştir.

Bu veriler ve sistemin geometrisi kullanılarak, beynin farklı bölgeleri için sürünme uygunluğu ve kuvvet gevşeme modülleri hesaplanabilir. Darbe indentasyonu, dokunun mekanik özelliklerini, mekansal ve zamansal olarak yoğunlaşmış yüklemenin yüksek hızlarında ölçer. Ortaya çıkan darbe yanıt parametreleri, dokunun hıza bağlı özelliklerini inceleme imkanı sağlayan farklı darbe hızlarında nicelendirilebilir.

Reoloji, dökme dokunun frekansa bağlı viskoelastik özelliklerini depolama ve kayıp modülleri cinsinden ölçer. Düşük frekanslarda depolama modülü, kayıp modülünden yaklaşık bir mertebe daha büyüktür; bu durum, elastik özelliklerin beyin dokusunun davranışına hakim olduğunu gösterir. Bu prosedürü uygularken, dokunun yeterince nemli tutulması veya dokunun uygun yapısını korumasına yardımcı olacak bir sıvı içinde bekletilmesi önemlidir.

Bu kanıtlanmış tekniklerin geliştirilmesi, malzeme araştırmacılarının beynin mekanik yanıtını taklit edebilen sentetik jeller tasarlamalarının ve optimize etmelerinin önünü açmıştır. Bu videoyu izledikten sonra; atomik kuvvet mikroskobu destekli indentasyon, darbe indentasyonu ve reolojinin, dokunun viskoelastik mekanik özelliklerini karakterize etmek için nasıl kullanıldığına dair iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Toplanan verileri yorumlarken, dokunun deforme olmuş hacminin yapısal olarak homojen ve elastik olarak izotropik olduğu yönündeki temel varsayımı unutmayın.

Bu durum tüm biyolojik dokular için mutlaka geçerli değildir. Biyolojik dokuların mekaniği hakkındaki sorularınız daha net tanımlandıkça, ilgili uzunluk ölçeğinde veya zaman ölçeğinde soruyu yanıtlamak için bu mekanik deneylerden birini veya daha fazlasını seçebilirsiniz.