Karaktermultiscale Mekaniske egenskaper av hjernevev Bruke Atomic Force Microscopy, Impact Skår, og Rheometry
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
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).
