원자 힘 현미경, 충격 들여 쓰기 및 유변학를 사용하여 뇌 조직의 멀티 스케일 기계 속성을 특성화
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
기계 모조품 또는 조직 재생 연구에 대한 여부, 뇌의 특성에 의해 영감 재료를 설계 및 엔지니어, 뇌 조직 자체는 물론 다양한 길이와 시간 규모에서 특징해야합니다. 많은 생물학적 조직과 마찬가지로 뇌 조직은 복잡한 계층 구조를 나타낸다. 그러나 대부분의 다른 조직과는 대조적으로, 뇌는 아빠의 100 단위 정도의 영의 탄성 계수를 E로, 매우 낮은 기계적 강성이다.이 낮은 강성 키 기계적 특성의 실험적 특성에 문제를 표시 할 수 있습니다. 여기, 우리는 서로 다른 길이 스케일과 로딩 속도에서 뇌 조직으로 수화, 준수 생물학적 재료의 탄성 및 점탄성 특성을 측정하도록되어 여러 가지 기계적 특성 분석 기법을 보여줍니다. 마이크로 스케일에서, 우리는 원자 힘 현미경을 사용 들여 쓰기를 사용하여 크리프 준수 및 강제 휴식 실험을 실시하고 있습니다. 메소에서케일, 우리는 진자 기반 계측 압자를 사용하여 충격 압입 실험을 수행합니다. 거시적, 우리는 주파수에 의존 전단 탄성 계수를 정량화하는 평행 판 레오 메타를 실시하고 있습니다. 우리는 또한 각 방법과 관련된 문제 및 제한 사항에 대해 설명합니다. 이 두 기술은 더 뇌의 구조를 이해하는 바이오 고무 물질을 설계하는 데 사용될 수 뇌 조직의 충분히 기계적 특성을 가능하게한다.
Introduction
생물학적 장기를 포함하는 대부분의 부드러운 조직 광물 뼈 재료 또는 설계에 비하여 기계적 및 구조적으로 복잡하고, 저 강성이고, 비선형 및 시간에 따른 변형을 나타낸다. 신체의 다른 조직에 비해 뇌 조직은 아빠 1의 100 단위 정도의 탄성 계수를 E로, 현저하게 준수합니다. 뇌 조직은 독특하고 깍지 회색과도 기능적으로 차이가 백질 영역과 구조적 이질성을 나타낸다. 이해 뇌 조직 역학 부상시 뇌의 반응을 모방하는 기계적 손상의 예측을 용이하게하고, 보호 전략 공학 있도록 재료 및 계산 모델의 설계에 도움이된다. 또한, 이러한 정보는 조직의 재생을위한 설계 목표를 고려하는 것이 사용될 수 있고, 더 다중 경화증 및 자폐증과 같은 질병과 관련된 뇌 조직의 구조적 변화를 이해. H의 전에, 우리는 설명하고 중간 -, 마이크로에서 뇌 조직을 포함하여 기계적으로 준수하는 조직의 점탄성 특성을 특성화 할 수있는 여러 가지 실험 방법을 설명하고, 매크로 규모.
마이크로 스케일에서, 우리는 크리프 컴플라이언스를 실시 및 원자 현미경 (AFM)을 이용하여 사용이 가능한 압입 완화 실험 강제. 일반적으로, AFM 기반 압입는 시료 2-4의 탄성률 (강성 또는 순시)를 추정하는데 사용된다. 그러나, 같은 기기는 또한 마이크로 점탄성 (또는 시간 – 속도 – 의존적) 특성 5-10를 측정하는데 사용될 수있다. 도 1에 도시 한 실험의 원리는 시간이 지남에 따라, 뇌 조직에 프로브 외팔보 AFM에 들여 힘 또는 압입 깊이의 특정 크기를 유지하고, 각각 압입 깊이와 힘의 대응 변화를 측정하는 것이다. 이러한 데이터를 사용하여, 우리는 크리프 샘플 콘텐츠를 계산할 수각각 liance J C 및 휴식 계수 G R,.
중규모, 우리는 진자 기반 인스트루먼트 나노 인 덴터를 이용하여 조직 구조 및 수분 레벨을 유지하는 유체 침지 조건에 영향을 들여 실험을 수행 하였다. 실험 장치는도 2에 도시되어있다. 진자가 조직과 접촉하여 요동으로 진동 진자 조직 내 쉴 때까지의 변위가 시간의 함수로서 기록된다 프로브. 프로브 얻어진 감쇠 고조파 진동 운동에서, 우리는 조직 (11, 12)의 (에너지 손실의 속도에 관한)의 최대 침투 깊이 X 최대 에너지 소산 용량 K 및 소산 품질 인자 Q를 계산할 수있다.
매크로 스케일에서, 우리는, 주파수 의존 전단 탄성률을 정량화하는 평행 판 레오 미터를 사용하여. 조직의 저장 탄성률 G '와 손실 탄성률 G "를 지칭 유변학이 유형에서는, 고조파 각 균주를 적용 (전단 변형을 대응하는) 공지의 진폭과 주파수 및 reactional 토크 측정 (및 전단 응력에 대응) 도 3에 도시 된 바와 같이. 상기 측정 된 토크의 결과 진폭 및 위상 지연과 시스템의 기하학적 변수부터는 관심 13,14의인가 주파수 'G'와 G를 계산할 수있다.
Protocol
Representative Results
Discussion
본 논문에서는 각 기술은 뇌 조직의 기계적 성질의 다른 측면을 측정합니다. 크리프 준수 및 응력 완화 계수는 시간에 따른 기계적 특성의 측정이다. 저장 및 손실 모듈러스는 속도 의존 기계적 특성을 나타낸다. 충격 압입은 속도 – 종속 기계적 특성을 측정하지만, 에너지 소비의 맥락이다. 조직의 기계적 특성을 특성화 할 때, 모두 AFM 사용 들여 쓰기 및 유변학은 일반적으로 방법을 사용한다. 전…
Declarações
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 |
Referências
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