Caracterizando Propriedades Multiscale mecânicas do tecido cerebral usando microscopia de força atômica, recuo de impacto, e Reologia
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Para projetar e engenheiro de materiais inspirados nas propriedades do cérebro, seja para simuladores mecânicos ou para estudos de regeneração de tecidos, o próprio tecido cerebral deve ser bem caracterizada em várias escalas de comprimento e hora. Como muitos tecidos biológicos, tecido cerebral apresenta uma estrutura complexa, hierárquica. No entanto, em contraste com a maioria dos outros tecidos, o cérebro é de muito baixa rigidez mecânica, com elástico módulos E de novo na ordem de 100s de Pa. Esta baixa rigidez pode apresentar desafios para a caracterização experimental das propriedades mecânicas importantes. Aqui, demonstramos diversas técnicas de caracterização mecânicas que foram adaptados para medir as propriedades elásticas e viscoelásticas dos materiais hidratados, compatíveis biológicos, tais como tecido do cérebro, em diferentes escalas de comprimento e taxas de carregamento. Em microescala, realizamos creep-conformidade e força de relaxamento experimentos usando de força atômica recuo habilitado para microscópio. Nas mesoscale, realizamos experimentos de impacto de recuo usando um penetrador instrumentado à base de pêndulo. No macroescala, realizamos reometria de placas paralelas para quantificar o corte módulos elásticos dependente da freqüência. Nós também discutir os desafios e limitações associadas a cada método. Juntas, estas técnicas permitem uma caracterização mecânica em profundidade de tecido cerebral que pode ser usado para entender melhor a estrutura do cérebro e ao engenheiro de materiais bio-inspirados.
Introduction
Mais tecidos moles que compreendem órgãos biológicos são mecanicamente e estruturalmente complexa, de baixa rigidez em comparação com o osso mineralizado ou materiais de engenharia, e exibem deformação não-linear e dependente do tempo. Em comparação com outros tecidos do corpo, o tecido cerebral é extraordinariamente compatível, com módulos de elasticidade E na ordem de 100s de 1 Pa. O tecido cerebral apresenta heterogeneidade estrutural com regiões da substância branca, que também diferem funcionalmente distinta e cinza e interdigitados. Compreendendo mecânica de tecido cerebral irá ajudar na concepção de materiais e modelos computacionais para simular a resposta do cérebro durante a lesão, facilitar a previsão de dano mecânico, e permitir a engenharia de estratégias de protecção. Para além disso, tal informação pode ser utilizada para considerar alvos ideais para a regeneração de tecidos, e para melhor compreender as alterações estruturais no tecido cerebral que estão associados a doenças tais como esclerose múltipla e autismo. Here, descrevemos e demonstrar várias abordagens experimentais que estão disponíveis para caracterizar as propriedades viscoelásticas dos tecidos compatíveis mecanicamente incluindo tecido cerebral, na micro, meso e macro-escalas.
Em microescala, realizamos creep-conformidade e forçar experiências de relaxamento usando microscópio de força atômica (AFM) recuo habilitado. Tipicamente, a indentação permitiu-AFM é utilizado para estimar o módulo de elasticidade (rigidez ou instantânea) de uma amostra de 2-4. No entanto, o mesmo instrumento pode também ser utilizado para medir a viscoelasticidade microescala (tempo ou dependente da taxa de) propriedades 5-10. O princípio destas experiências, mostrado na Figura 1, é para recuar um AFM em cantilever sonda no tecido cerebral, manter uma magnitude especificada de força ou de profundidade de penetração, e medir as alterações correspondentes na profundidade de indentação e força, respectivamente, ao longo do tempo. Usando esses dados, podemos calcular o comp fluêncialiance J C e relaxamento módulo G R, respectivamente.
No mesoescala, realizamos experimentos de recuo de impacto em condições imersas de líquido que mantêm a estrutura do tecido e os níveis de hidratação, usando um nanoindenter instrumentado à base de pêndulo. A montagem experimental é ilustrada na Figura 2. Uma vez que o pêndulo oscila em contacto com o tecido, a sonda de deslocamento é registada como uma função do tempo até que o pêndulo oscilante vem a descansar dentro do tecido. A partir do movimento oscilatório amortecido harmónica, resultante da sonda, pode-se calcular a profundidade máxima de penetração X max, a capacidade de dissipação de energia de K, e o factor de qualidade Q de dissipação (que diz respeito à taxa de dissipação de energia) do tecido 11,12.
No macroescala, foi utilizado um reómetro de placas paralelas para quantificar o corte dependente módulos elásticos frequência,denominado o módulo de armazenamento G 'e o módulo de perda G ", do tecido. Neste tipo de reometria, aplica-se uma tensão angular harmónica (e tensão de cisalhamento correspondente) em amplitudes conhecidos e frequências e medir o binário reacional (e tensão de cisalhamento correspondente) , como mostrado na Figura 3. a partir da amplitude e da fase lag resultante do binário medido e variáveis geométricas do sistema, pode-se calcular G 'e G "aplicados a frequências de interesse 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cada técnica apresentada neste artigo mede diferentes facetas de propriedades mecânicas do tecido cerebral. cumprimento fluência e relaxação de tensão módulos são uma medida das propriedades mecânicas dependentes do tempo. Os módulos de armazenamento e de perda representam propriedades mecânicas dependentes de taxa. Impacto recuo também mede propriedades mecânicas dependentes da taxa, mas no contexto de dissipação de energia. Ao caracterizar as propriedades mecânicas dos tecidos, tanto recuo permitiu-AFM…
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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