निस्र्पक मस्तिष्क के ऊतकों की Multiscale यांत्रिक गुण परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी, प्रभाव खरोज, और rheometry का प्रयोग
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
यांत्रिक simulants के लिए या ऊतक उत्थान के अध्ययन के लिए चाहे, मस्तिष्क के गुणों से प्रेरित सामग्री डिजाइन और इंजीनियर को, मस्तिष्क के ऊतकों में ही अच्छी तरह से विभिन्न लंबाई और समय के तराजू में विशेषता किया जाना चाहिए। कई जैविक ऊतकों की तरह, मस्तिष्क के ऊतकों एक जटिल, सौपानिक संरचना दर्शाती है। हालांकि, ज्यादातर अन्य ऊतकों के विपरीत, मस्तिष्क बहुत कम यांत्रिक कठोरता के पीए के 100s के आदेश पर यंग लोचदार moduli ई के साथ है। यह कम कठोरता कुंजी यांत्रिक गुणों की प्रयोगात्मक लक्षण वर्णन करने के लिए चुनौतियां पेश कर सकते हैं। यहाँ, हम कई यांत्रिक तकनीकों के लक्षण वर्णन है कि इस तरह के मस्तिष्क के ऊतकों के रूप में हाइड्रेटेड, आज्ञाकारी जैविक सामग्री, अलग लंबाई तराजू और लदान दरों पर की लोचदार और viscoelastic गुण को मापने के लिए अनुकूलित किया गया है प्रदर्शित करता है। microscale में, हम परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी सक्षम खरोज का उपयोग कर रेंगना अनुपालन और बल छूट प्रयोगों का संचालन। Mesos परकेल, हम प्रभाव खरोज एक पेंडुलम आधारित instrumented indenter का उपयोग कर प्रयोगों प्रदर्शन करते हैं। macroscale में, हम आवृत्ति निर्भर कतरनी लोचदार moduli यों की समानांतर थाली rheometry आचरण। हम यह भी चुनौतियों और प्रत्येक विधि के साथ जुड़े सीमाओं पर चर्चा की। एक साथ इन तकनीकों का एक में गहराई से मस्तिष्क के ऊतकों बेहतर मस्तिष्क की संरचना समझने के लिए और जैव प्रेरित सामग्री इंजीनियर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि यांत्रिक लक्षण वर्णन सक्षम करें।
Introduction
जैविक अंगों जिसमें अधिकांश मुलायम ऊतकों यंत्रवत् और संरचनात्मक रूप से जटिल है, कम कठोरता के mineralized हड्डी या इंजीनियर सामग्री की तुलना में कर रहे हैं, और प्रदर्शन गैर रेखीय और समय पर निर्भर विरूपण। शरीर में अन्य ऊतकों की तुलना में, मस्तिष्क के ऊतकों Pa 1 के 100s के आदेश पर लोचदार moduli ई के साथ उल्लेखनीय अनुरूप है। मस्तिष्क ऊतक अलग और interdigitated ग्रे और सफेद पदार्थ क्षेत्रों है कि यह भी कार्यात्मक अलग से संरचनात्मक विविधता को दर्शाती है। समझौता मस्तिष्क के ऊतकों यांत्रिकी सामग्री और कम्प्यूटेशनल मॉडल के डिजाइन में सहायता, चोट के दौरान मस्तिष्क की प्रतिक्रिया की नकल यांत्रिक क्षति की भविष्यवाणी की सुविधा, और सुरक्षात्मक रणनीतियों के इंजीनियरिंग सक्षम करने के लिए होगा। इसके अतिरिक्त, इस तरह की जानकारी ऊतक उत्थान के लिए डिजाइन लक्ष्यों पर विचार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, और बेहतर मस्तिष्क के ऊतकों में संरचनात्मक परिवर्तन है कि इस तरह के एकाधिक काठिन्य और आत्मकेंद्रित जैसे रोगों के साथ जुड़े रहे हैं समझने के लिए। एचअरे, हम का वर्णन है और कई प्रयोगात्मक दृष्टिकोण है कि मस्तिष्क के ऊतकों सहित यंत्रवत् अनुरूप ऊतकों के viscoelastic गुण को चिह्नित करने के लिए उपलब्ध हैं प्रदर्शित सूक्ष्म पर, meso-, और मैक्रो-तराजू।
microscale में, हम रेंगना अनुपालन का आयोजन किया और परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोप (AFM) सक्षम खरोज का उपयोग कर छूट प्रयोगों के लिए मजबूर। आमतौर पर, AFM-सक्षम खरोज एक नमूना 2-4 की लोचदार मापांक (या तात्कालिक कठोरता) अनुमान लगाने के लिए प्रयोग किया जाता है। हालांकि, एक ही साधन भी microscale viscoelastic (समय या दर पर निर्भर) गुण 5-10 मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। इन प्रयोगों, चित्रा 1 में दिखाया गया है के सिद्धांत, एक AFM मस्तिष्क के ऊतकों में ब्रैकट जांच इंडेंट करने के लिए बल या खरोज गहराई का एक निर्धारित परिमाण बनाए रखने, और खरोज गहराई और बल, क्रमशः में इसी परिवर्तन को मापने, समय खत्म हो गया है। इन आंकड़ों का उपयोग करना, हम रेंगना कंप्यूटर अनुप्रयोग की गणना कर सकते हैंरिलायंस जे सी और आराम के मापांक जी आर, क्रमशः।
mesoscale में, हम तरल पदार्थ डूबे स्थिति है कि ऊतक संरचना और जलयोजन स्तर को बनाए रखने में प्रभाव खरोज प्रयोगों का आयोजन किया, एक पेंडुलम आधारित instrumented nanoindenter का उपयोग कर। प्रयोगात्मक सेटअप चित्रा 2 में सचित्र है। पेंडुलम ऊतक के साथ संपर्क में झूलों के रूप में, जांच के विस्थापन समय के एक समारोह के रूप में दर्ज की गई है जब तक दोलन पेंडुलम ऊतक के भीतर आराम करने के लिए आता है। जांच के परिणामस्वरूप damped हार्मोनिक oscillatory गति से, हम अधिक से अधिक प्रवेश गहराई एक्स अधिकतम, ऊर्जा अपव्यय क्षमता कश्मीर, और अपव्यय गुणवत्ता कारक क्यू ऊतक 11,12 की (जो ऊर्जा अपव्यय की दर से संबंधित है) की गणना कर सकते हैं।
macroscale में, हम, आवृत्ति निर्भर कतरनी लोचदार moduli यों तो एक समानांतर थाली rheometer इस्तेमाल कियाभंडारण मापांक जी 'और नुकसान मापांक जी ", ऊतक के करार दिया। rheometry के इस प्रकार में, हम एक हार्मोनिक कोणीय तनाव लागू होते हैं (और इसी कतरनी तनाव) के नाम से जाना आयाम और आवृत्तियों पर और reactional टोक़ मापने (और इसी कतरनी तनाव) , के रूप में 3 चित्र में दिखाया गया है। मापा टोक़ के परिणामस्वरूप आयाम और चरण अंतराल और इस प्रणाली के ज्यामितीय चर से, हम जी 'और जी ब्याज 13,14 के एप्लाइड आवृत्तियों पर गणना कर सकते हैं "।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस पत्र में प्रस्तुत प्रत्येक तकनीक मस्तिष्क के ऊतकों के यांत्रिक गुणों के विभिन्न पहलुओं को मापता है। कमीना अनुपालन और तनाव छूट moduli समय पर निर्भर यांत्रिक गुणों का एक उपाय कर रहे हैं। भंडारण और नुकसा?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
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