تميز خصائص متعددة النطاقات الميكانيكية للأنسجة المخ عن طريق مجهر القوة الذرية، تأثير المسافة البادئة، وRheometry
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
لتصميم ومهندس المواد مستوحاة من خصائص الدماغ، سواء كان ذلك لالمحاكاة الآلية أو في دراسات تجديد الأنسجة، وأنسجة المخ نفسها يجب أن يتسم جيدا في طول ووقت مختلف المستويات. مثل العديد من الأنسجة البيولوجية، أنسجة المخ المعارض لذلك، بنية هرمية معقدة. ومع ذلك، وعلى النقيض من معظم الأنسجة الأخرى، والدماغ هو من صلابة ميكانيكية منخفضة جدا، مع الرجوعية E يونغ مرنة بناء على أمر من 100s من السلطة الفلسطينية. هذا صلابة منخفضة يمكن أن تشكل تحديات لتوصيف التجريبية من الخواص الميكانيكية الرئيسية. هنا، علينا أن نظهر العديد من التقنيات توصيف الميكانيكية التي تم تكييفها لقياس خصائص المرونة واللزجة من المواد المائية، ومتوافقة البيولوجية مثل أنسجة المخ، في جداول طول مختلفة ومعدلات التحميل. في الميكروسكيل، ونحن إجراء زحف الامتثال والتنفيذ الاسترخاء التجارب باستخدام القوة الذرية المسافة البادئة تمكين المجهر. في mesosكال، ونحن أداء التجارب المسافة البادئة تأثير باستخدام إندينتر المجهزة القائم على البندول. في macroscale، ونحن إجراء مواز لوحة rheometry لقياس التردد يعتمد القص الرجوعية المرنة. نحن أيضا مناقشة التحديات والقيود المرتبطة بكل طريقة. معا هذه التقنيات تمكن توصيف الميكانيكية للأنسجة المخ والتي يمكن استخدامها لفهم أفضل للبنية الدماغ وهندسة المواد مستوحاة من الحيوية في العمق.
Introduction
معظم ما الأنسجة الرخوة التي تضم أجهزة البيولوجية هي ميكانيكيا ومعقدة من الناحية الهيكلية، من صلابة منخفضة مقارنة مع العظام المعدنية أو المواد الهندسية، ويحمل غير الخطية والتي تعتمد على الوقت تشوه. مقارنة مع الأنسجة الأخرى في الجسم، وأنسجة المخ متوافقة بشكل ملحوظ، مع الرجوعية E مرنة بناء على أمر من 100s من السلطة الفلسطينية 1. أنسجة المخ المعارض التجانس الهيكلي مع الرمادي متميزة وinterdigitated والمناطق المادة البيضاء التي تختلف أيضا وظيفيا. سيساعد فهم الميكانيكا أنسجة المخ في تصميم المواد والنماذج الحسابية لتقليد استجابة من الدماغ أثناء الإصابة، وتسهيل التنبؤ الأضرار الميكانيكية، وتمكين الهندسة استراتيجيات وقائية. بالإضافة إلى ذلك، هذه المعلومات يمكن استخدامها للنظر في أهداف التصميم لتجديد الأنسجة، وإلى فهم أفضل للتغيرات الهيكلية في أنسجة المخ التي ترتبط مع أمراض مثل التصلب المتعدد ومرض التوحد. Hيحرث، نحن وصف وشرح العديد من المقاربات التجريبية المتوفرة لتوصيف خصائص اللزجة من الأنسجة المتوافقة ميكانيكيا بما في ذلك أنسجة المخ، في الصغرى، meso-، وجداول الماكرو.
في الميكروسكيل، أجرينا زحف الامتثال واجبار التجارب الاسترخاء باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM) المسافة البادئة تعمل بتقنية. عادة، يتم استخدام المسافة البادئة تمكين AFM لتقدير معامل المرونة (أو تصلب لحظية) من عينة 2-4. ومع ذلك، فإن الصك نفسه يمكن أن تستخدم أيضا لقياس اللزجة الميكروسكيل خصائص (زمنية أو التي تعتمد على معدل) 5-10. مبدأ هذه التجارب، كما هو موضح في الشكل رقم 1، هو البادئة فؤاد الكابولي التحقيق في أنسجة المخ، والحفاظ على حجم معين من القوة أو عمق المسافة البادئة، وقياس التغيرات المقابلة في عمق المسافة البادئة وقوة، على التوالي، مع مرور الوقت. باستخدام هذه البيانات، يمكننا حساب شركات زحفliance جي سي والاسترخاء معامل G R، على التوالي.
في النطاق المتوسط، أجرينا تجارب المسافة البادئة تأثير في ظروف مغمورة السوائل التي تحافظ على بنية الأنسجة ومستويات الترطيب، وذلك باستخدام nanoindenter المجهزة القائم على البندول. ويتضح من الإعداد التجريبية في الشكل 2. كما يتأرجح البندول في اتصال مع الأنسجة، والتحقيق يتم تسجيل النزوح بوصفها وظيفة من الوقت حتى يأتي البندول تتأرجح للراحة داخل الأنسجة. من الناتج ثبط الحركة التذبذبية التوافقي لجنة التحقيق، يمكننا حساب أقصى عمق الاختراق س كحد أقصى، وتبديد الطاقة قدرة K، وعامل الجودة تبديد Q (التي تتعلق معدل تبديد الطاقة) من الأنسجة 11،12.
في macroscale، استخدمنا لوحة مقياس غلفاني مواز لقياس تردد القص تعتمد الرجوعية المرنة،وصف تخزين معامل G 'وفقدان معامل G "، من الأنسجة. في هذا النوع من rheometry، ونحن نطبق سلالة الزاوي التوافقي (وسلالة القص المقابلة) في سعة المعروفة والترددات وقياس عزم الدوران reactional (وإجهاد القص المقابلة) ، كما هو مبين في الشكل (3). من الناتج السعة ومرحلة متخلفة من عزم الدوران قياس والمتغيرات الهندسية للنظام، يمكننا حساب G 'وG "على ترددات التطبيقية التي تهم 13،14.
Protocol
Representative Results
Discussion
كل تقنية الواردة في هذه الورقة يقيس جوانب مختلفة من الخصائص الميكانيكية أنسجة الدماغ. الامتثال زحف والإجهاد الاسترخاء الرجوعية هي مقياس الخواص الميكانيكية تعتمد على الوقت. تمثل التخزين وفقدان الرجوعية الخواص الميكانيكية التي تعتمد على معدل. كما يقيس المسافة الباد?…
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
- 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).
