La caracterización de propiedades mecánicas Multiescala de tejido cerebral mediante microscopía de fuerza atómica, Impacto sangría, y Rheometría
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Diseñar e ingeniero de materiales inspirados en las propiedades del cerebro, ya sea para los simuladores mecánicos o para estudios de regeneración de tejidos, el tejido cerebral en sí debe estar bien caracterizado en diversas escalas de tiempo y longitud. Como muchos tejidos biológicos, el tejido cerebral presenta una estructura compleja, jerárquica. Sin embargo, a diferencia de la mayoría de los otros tejidos, el cerebro es de muy baja rigidez mecánica, con módulos de elasticidad E de Young del orden de 100s de Pa. Esta baja rigidez puede presentar desafíos para la caracterización experimental de las propiedades mecánicas clave. Aquí, demostramos varias técnicas de caracterización mecánica que han sido adaptados para medir las propiedades elásticas y viscoelásticas de materiales hidratados, que cumplen biológicos tales como el tejido cerebral, a diferentes escalas de longitud y velocidades de carga. En la microescala, llevamos a cabo experimentos de fluencia de incumplimiento y de relajación utilizando la fuerza de fuerza atómica hendidura microscopio habilitado. En los mesoscale, realizamos experimentos de impacto de indentación usando un indentador instrumentado a base de péndulo. En la macroescala, llevamos a cabo reometría de placas paralelas para cuantificar la función de la frecuencia de cizalla módulos elásticos. También se discuten los desafíos y las limitaciones asociadas con cada método. En conjunto, estas técnicas permiten una caracterización mecánica en profundidad del tejido cerebral que se puede utilizar para comprender mejor la estructura del cerebro y al ingeniero de materiales bio-inspirados.
Introduction
La mayoría-tejidos blandos que comprenden órganos biológicos son mecánicamente y estructuralmente compleja, de baja rigidez en comparación con el hueso mineralizado o materiales de ingeniería, y muestran la deformación no lineal y dependiente del tiempo. En comparación con otros tejidos en el cuerpo, el tejido cerebral es muy compatible, con módulos de elasticidad E del orden de 100s de 1 Pa. El tejido cerebral exhibe heterogeneidad estructural con gris distinta y interdigitados y las regiones de la materia blanca que también difieren funcionalmente. mecánica de tejido cerebral entendimiento ayudar en el diseño de materiales y modelos computacionales para imitar la respuesta del cerebro durante la lesión, facilitar la predicción de daños mecánicos, y permitir la ingeniería de las estrategias de protección. Además, dicha información puede ser usada para considerar los objetivos de diseño para la regeneración de tejidos, y para entender mejor los cambios estructurales en el tejido cerebral que están asociados con enfermedades tales como la esclerosis múltiple y el autismo. MARIDOERE, se describen y demuestran varios enfoques experimentales que están disponibles para caracterizar las propiedades viscoelásticas de los tejidos mecánicamente compatibles incluyendo el tejido cerebral, en la micro, meso y macro-escalas.
En la microescala, se realizó la fluencia de cumplimiento y la fuerza de relajación experimentos usando microscopio de fuerza atómica (AFM) muesca habilitado. Típicamente, la sangría AFM habilitado se utiliza para estimar el módulo elástico (o rigidez instantánea) de una muestra de 2-4. Sin embargo, el mismo instrumento también se puede utilizar para medir viscoelástico microescala propiedades (tiempo o dependiente de la frecuencia) 5-10. El principio de estos experimentos, mostrados en la Figura 1, es para sangrar un AFM sonda en voladizo en el tejido cerebral, mantener una magnitud especificada de la fuerza o profundidad de indentación, y medir los cambios correspondientes en la profundidad de indentación y la fuerza, respectivamente, en el tiempo. Utilizando estos datos, se puede calcular el borrador de fluencialiance J C y G módulo de relajación R, respectivamente.
En la mesoescala, llevamos a cabo experimentos de sangría de impacto en las condiciones de fluido sumergidos que mantienen la estructura del tejido y los niveles de hidratación, usando un nanoindentador instrumentado a base de péndulo. La configuración experimental se ilustra en la Figura 2. A medida que el péndulo oscila en contacto con el tejido, la sonda de desplazamiento se registra como una función del tiempo hasta que el péndulo oscilante viene a descansar dentro del tejido. Desde el movimiento oscilatorio armónico amortiguado resultante de la sonda, se puede calcular la máxima profundidad de penetración x max, capacidad de disipación de energía K, y el factor de calidad Q de disipación (que se refiere a la tasa de disipación de energía) del tejido 11,12.
En la macroescala, se utilizó un reómetro de placas paralelas de cuantificar la frecuencia de cizalla depende módulos elásticos,denomina el módulo de almacenamiento G 'y módulo de pérdida G ", del tejido. En este tipo de reometría, aplicamos una cepa angular armónico (y la tensión de cizallamiento correspondiente) en amplitudes y frecuencias conocidas y medir el par reaccional (y el esfuerzo cortante correspondiente) , como se muestra en la Figura 3. a partir de la amplitud y la fase resultante de retraso del par medido y las variables geométricas del sistema, podemos calcular G 'y G "a frecuencias aplicadas de interés 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cada técnica presentada en este documento mide diferentes facetas de las propiedades mecánicas del tejido cerebral. deformación por fluencia y el estrés módulos de relajación son una medida de las propiedades mecánicas dependientes del tiempo. Los módulos de almacenamiento y pérdida de propiedades mecánicas representan dependiente de la frecuencia. indentación Impact también mide propiedades mecánicas dependiente de la frecuencia, pero en el contexto de la disipación de energía. En la caracterización de …
Divulgazioni
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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