Atomik Kuvvet Mikroskobu, Darbe girinti ve reometre kullanarak Beyin Doku Ölçekli Mekanik Özellikleri karakterize
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
mekanik simulants veya doku rejenerasyonu çalışmalarında olsun, beynin özelliklerine esinlenerek malzeme tasarımı ve mühendis için, beyin dokusu kendisi de çeşitli uzunluk ve zaman ölçeklerinde karakterize edilmelidir. Birçok biyolojik dokular gibi, beyin dokusu karmaşık, hiyerarşik bir yapı sergiler. Bununla birlikte, diğer dokuların tersine, beyin Pa 100'ün mertebesinde Young elastik modülleri E, çok düşük mekanik sertlik taşımaktadır. Bu düşük sertlik önemli mekanik özellikler deneysel karakterizasyonu için zorluklar ortaya çıkabilir. Burada, farklı uzunluk ölçeklerinde ve yükleme hızlarında beyin dokusu gibi sulandırılmış, uyumlu biyolojik malzemelerin elastik ve viskoelastik özelliklerini ölçmek için adapte edilmiş birçok mekanik karakterizasyon teknikleri göstermektedir. mikroölçeklerde, biz Atomik kuvvet mikroskobu etkin girinti kullanarak sürünme uyum ve kuvvet gevşeme deneyleri yaparlar. mesos atcale, bir sarkaç tabanlı aletli dişinin kullanarak darbe girinti deneyleri. makroölçekte, biz frekans bağımlı kayma elastik modüle ölçmek için paralel plakalı reometre yapıyoruz. Biz de her yöntemi ile ilişkili zorlukları ve sınırlamaları tartışmak. Birlikte bu teknikler daha iyi beynin yapısını anlamak ve biyo-esinlenmiş malzemeleri mühendisi için kullanılabilir beyin dokusunun derinlemesine bir mekanik karakterizasyonu sağlar.
Introduction
Biyolojik organları içeren en yumuşak dokular mineralize kemik ya da mühendislik malzemelerine göre, mekanik ve yapısal olarak karmaşık ve düşük sertliğe sahiptir ve doğrusal olmayan ve zamana bağlı deformasyon sergiler. Vücudun diğer dokulara kıyasla, beyin dokusu Pa 1 100'ler mertebesinde elastik modülü E, son derece uyumludur. Beyin dokusu farklı ve birbirine kenetlenmiş gri ve aynı zamanda işlevsel farklılık beyaz cevher bölgeleri ile yapısal heterojenliği sergiler. Anlamak beyin doku mekaniği, yaralanma sırasında beynin yanıtı taklit mekanik hasar tahmini kolaylaştırmak ve koruyucu stratejilerin mühendislik sağlamak için malzemeler ve hesaplama modelleri tasarımında yardımcı olacaktır. Buna ek olarak, bu tür bilgiler doku rejenerasyonu için tasarım hedeflerini belirlemek için kullanılabilir ve daha iyi multipl skleroz ve otizm gibi hastalıklarla ilişkili beyin dokusunda yapısal değişiklikleri anlamak için. Here, biz tarif ve mezo, mikro de, beyin dokusu dahil mekanik uyumlu dokuların viskoelastik özelliklerini karakterize etmek için kullanılabilir birkaç deneysel yaklaşımlar göstermek ve makro-ölçekler.
mikroölçeklerde, biz sürünme-uyum yürütülen ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) etkinleştirilmiş girinti kullanarak gevşeme deneyleri zorlamak. Tipik haliyle, AFM etkin girinti örnek 2-4 arasında bir esneklik modülüne (ya da ani sertlik) tahmin etmek için kullanılır. Ancak, aynı enstrüman, aynı zamanda mikro viskoelastik (zaman veya oran bağlı) özelliklerini 5-10 ölçmek için kullanılabilir. Şekil 1'de gösterildiği bu deneylerden prensibi, zamanla, beyin dokusu içine probu dirsekli bir AFM girinti kuvvet veya girinti derinliği belirli bir büyüklüğü korumak ve sırasıyla girinti derinliği ve kuvvet, karşılık gelen değişiklikleri ölçmektir. Bu verileri kullanarak, biz sürünme kompozisyonu hesaplayabilirsinizsırasıyla liance J, C ve dinlenme modülü G R,.
orta ölçekli, biz bir sarkaç tabanlı aletli nanoindenter kullanarak, doku yapısı ve hidrasyon düzeylerini korumak sıvı su altı koşullarında darbe girinti deneyler yapılmıştır. Deney düzeneği, Şekil 2'de gösterilmiştir. Sarkaç doku ile temas salıncaklar gibi, salınan sarkaç doku içinde hareketsiz hale gelene kadar yer değiştirme, zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilmektedir prob. Prob ortaya çıkan sönümlü harmonik salınım hareketi, biz dokusunun 11,12 (enerji dağılımı oranına ilgilidir), maksimum penetrasyon derinlik x max, enerji sönümleme kapasitesi K, ve dağıtma kalite faktörü Q hesaplayabilirsiniz.
makroölçekte, biz, frekansa bağımlı kayma elastik modüle ölçmek için bir paralel plakalı reometre kullanıldı. dokusunun depolama modülü G 've zarar modülü G "olarak adlandırılan rheometrisi Bu tip, bir harmonik açısal gerginlik uygulamak (ve kayma gerginlik karşılık gelir) bilinen genlik ve frekanslarda ve tepkisel tork ölçmek (ve kayma gerilmesi karşılık gelir) Şekil 3 'de gösterildiği gibi. ölçülen tork elde edilen genlik ve faz gecikmesi ve sistemin geometrik değişkenlerden, çıkar 13,14 uygulamalı frekanslarda "G' ve G hesaplayabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada sunulan her teknik beyin dokusunun mekanik özellikleri farklı yönlerini ölçer. Bozulma uyumu ve stres gevşeme modülleri zamana bağlı mekanik özelliklerinin bir ölçüsüdür. Depolama ve kayıp modülleri oranı bağımlı mekanik özellikleri temsil eder. Darbe girinti ayrıca oran bağımlı mekanik özelliklerini ölçen, ancak enerji dağılımı bağlamında. Doku mekanik özelliklerini karakterize ederken, hem AFM etkin girinti ve reolojisi yaygın kullanılan yöntemlerdir. Daha önce t…
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 |
References
- van Dommelen, J. A. W., Hrapko, M., Peters, G. W. M. Mechanical Properties of Brain Tissue: Characterisation and Constitutive Modelling. Mechanosensitivity of the Nervous System. , 249-281 (2009).
- Liu, F., Tschumperlin, D. J. Micro-mechanical characterization of lung tissue using atomic force microscopy. Journal of Visualized Experiments. (54), e2911 (2011).
- Peaucelle, A. AFM-based mapping of the elastic properties of cell walls: at tissue, cellular, and subcellular resolutions. Journal of Visualized Experiments. (89), e51317 (2014).
- Thomas, G., Burnham, N. A., Camesano, T. A., Wen, Q. Measuring the mechanical properties of living cells using atomic force microscopy. Journal of Visualized Experiments. (76), e50497 (2013).
- Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. d. M., Toca-Herrera, J. L. Stress relaxation and creep on living cells with the atomic force microscope: a means to calculate elastic moduli and viscosities of cell components. Nanotechnology. 21, 445101 (2010).
- Desprat, N., Richert, A., Simeon, J., Asnacios, A. Creep function of a single living cell. Biophysical Journal. 88 (3), 2224-2233 (2005).
- Lu, H., Wang, B., Ma, J., Huang, G., Viswanathan, H. Measurement of creep compliance of solid polymers by nanoindentation. Mechanics Time-Dependent Materials. 7 (3/4), 189-207 (2003).
- Cheng, L., Xia, X., Scriven, L. E., Gerberich, W. W. Spherical-tip indentation of viscoelastic material. Mechanics of Materials. 37, 213-226 (2005).
- Kalcioglu, Z., Qu, M., Van Vliet, Multiscale characterization of relaxation times of tissue surrogate gels and soft tissues. 7th Army Science Conference Proceedings. , (2010).
- Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. D., Toca-Herrera, J. L. Stress relaxation microscopy: Imaging local stress in cells. Journal of Biomechanics. 43 (2), 349-354 (2010).
- Kalcioglu, Z. I., Qu, M., et al. Dynamic impact indentation of hydrated biological tissues and tissue surrogate gels. Philosophical Magazine. 91 (7-9), 1339-1355 (2011).
- Kalcioglu, Z. I., Ra Mrozek, R. a., Mahmoodian, R., VanLandingham, M. R., Lenhart, J. L., Van Vliet, K. J. Tunable mechanical behavior of synthetic organogels as biofidelic tissue simulants. Journal of Biomechanics. 46 (9), 1583-1591 (2013).
- Janmey, P. A., Georges, P. C., Hvidt, S. Basic rheology for biologists. Methods in Cell Biology. 83, 3-27 (2007).
- Miller, K., Kurtcuoglu, V. . Biomechanics of the Brain. , (2011).
- Lévy, R., Maaloum, M. Measuring the spring constant of atomic force microscope cantilevers: thermal fluctuations and other methods. Nanotechnology. 13 (1), 33-37 (2002).
- Fuierer, R. Basic Operation Procedures for the Asylum Research MFP-3D Atomic Force Microscope. MFP-3D Procedureal Operation “Manualette”. , (2006).
- Elkin, B. S., Ilankovan, A., Morrison, B. Age-dependent regional mechanical properties of the rat hippocampus and cortex. Journal of Biomechanical Engineering. 132, 011010 (2010).
- Elkin, B. S., Azeloglu, E. U., Costa, K. D., Morrison, B. Mechanical heterogeneity of the rat hippocampus measured by atomic force microscope indentation. Journal of Neurotrauma. 24 (5), 812-822 (2007).
- Lee, E. H., Radok, J. R. M. The Contact Problem for Visooelastic Bodies. Journal of Applied Mechanics. 27 (3), 438-444 (1960).
- Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. Robust strategies for automated AFM force curve analysis–I. Non-adhesive indentation of soft, inhomogeneous materials. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (3), 430-440 (2007).
- Constantinides, G., Kalcioglu, Z. I., McFarland, M., Smith, J. F., Van Vliet, K. J. Probing mechanical properties of fully hydrated gels and biological tissues. Journal of Biomechanics. 41 (15), 3285-3289 (2008).
- Shen, F., Tay, T. E., et al. Modified Bilston Nonlinear Viscoelastic Model for Finite Element Head Injury Studies. Journal of Biomechanical Engineering — Transactions of the ASME. 128 (5), 797-801 (2006).
- van Dommelen, J. a. W., vander Sande, T. P. J., Hrapko, M., Peters, G. W. M. Mechanical properties of brain tissue by indentation: Interregional variation. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 3 (2), 158-166 (2010).
- Rother, J., Nöding, H., Mey, I., Janshoff, A. Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines. Open biology. 4 (5), 140046 (2014).
- Du, P., Lu, H., Zhang, X. Measuring the Young’s Relaxation Modulus of PDMS Using Stress Relaxation Nanoindentation. Symposium DD – Microelectromechanical Systems – Materials and Devices III. 1222 (c), (2009).
- Elkin, B. S., Morrison, B. Viscoelastic properties of the P17 and adult rat brain from indentation in the coronal plane. Journal of Biomechanical Engineering. 135, 114507 (2013).
- Brands, D. W., Bovendeerd, P. H., Peters, G. W., Wismans, J. S., Paas, M. H., van Bree, J. L. Comparison of the dynamic behavior of brain tissue and two model materials. 43rd Stapp Car Crash Conference Proceedings. , 313-320 (1999).
- Hrapko, M., van Dommelen, J. A. W., Peters, G. W. M., Wismans, J. S. H. M. Characterisation of the mechanical behaviour of brain tissue in compression and shear. Biorheology. 45 (6), 663-676 (2008).
- Pogoda, K., Chin, L., et al. Compression stiffening of brain and its effect on mechanosensing by glioma cells. New Journal of Physics. 16 (7), 075002 (2014).
- Peters, G. W. M., Meulman, J. H., Sauren, A. A. H. J. The applicability of the time/temperature superposition principle to brain tissue. Biorheology. 34 (2), 127-138 (1997).
