Karakteriseren Multiscale mechanische eigenschappen van hersenweefsel met behulp van Atomic Force Microscopy, Impact Inspringen en reometrie
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Het ontwerpen en ingenieur materialen geïnspireerd op de eigenschappen van de hersenen, of mechanische simulant of voor weefselregeneratie studies moet het hersenweefsel zelf goed gekarakteriseerd in verschillende lengte- en tijdschalen. Zoals vele biologische weefsel, hersenweefsel vertoont een complexe, hiërarchische structuur. In tegenstelling tot de meeste andere weefsels, hersenen zeer lage mechanische stijfheid, met kleine elastische moduli E in de orde van 100s van Pa. Dit lage stijfheid uitdagingen te stellen karakterisatie van belangrijke mechanische eigenschappen. Hier tonen we verschillende mechanische karakterisatie technieken die zijn aangepast aan de elastische en viscoelastische eigenschappen van gehydrateerde, compliant biologische materialen zoals hersenweefsel op verschillende lengteschalen en beladingsgraad meten. Aan de microschaal, voeren wij kruip-compliance en kracht ontspanning experimenten met atomic force-microscoop ingeschakeld inspringen. Aan het MesosCale, voeren we invloed inspringen experimenten met behulp van een slinger op basis van geïnstrumenteerde indringlichaam. Aan de macroschaal, voeren wij parallelle plaat reometrie om de frequentie afhankelijke shear elasticiteitsmoduli kwantificeren. We bespreken ook de uitdagingen en beperkingen in verband met elke methode. Samen de technieken geeft een grondige mechanische karakterisatie van hersenweefsel die kunnen worden gebruikt om een beter begrip van de structuur van de hersenen en bio ingenieur geïnspireerd materialen.
Introduction
De meeste zachte weefsels bestaande uit biologische organen zijn mechanisch en structureel complexe, van lage stijfheid in vergelijking met gemineraliseerd bot of gemanipuleerde materialen, en vertonen niet-lineaire en tijdsafhankelijke vervorming. In vergelijking met andere weefsels in het lichaam, hersenweefsel opmerkelijk overeenstemming met elastische moduli E in de orde van 100s van 1 Pa. Hersenweefsel vertoont structurele heterogeniteit met verschillende en in elkaar grijpende grijze en witte stof regio's die ook functioneel verschillen. Begrip hersenweefsel monteurs helpen bij de ontwikkeling van materiaal en rekenmodellen de reactie van de hersenen tijdens verwonding bootsen, voorspelling van mechanische schade te vergemakkelijken, en maken engineering van beschermende strategieën. Bovendien kunnen deze gegevens worden gebruikt om ontwerpdoelen voor weefselregeneratie te beschouwen en structurele veranderingen in hersenweefsel die worden geassocieerd met ziekten zoals multiple sclerose en autisme beter te begrijpen. Here, we beschrijven en demonstreren verschillende experimentele benaderingen die ter beschikking van de visco-elastische eigenschappen van mechanisch compliant weefsels, waaronder hersenweefsel te karakteriseren zijn, op micro-, meso- en macro-schaal.
Aan de microschaal, voerden we kruip-compliance en dwingen ontspanning experimenten met atomic force microscope (AFM) -enabled inspringen. Typisch wordt ingeschakeld AFM-indentatie gebruikt om de elastische modulus (of momentane stijfheid) van een monster 2-4 schatten. Echter, kan hetzelfde instrument ook gebruikt worden om microschaal visco-elastische (tijd- of rate-afhankelijk) eigenschappen 5-10 meten. Het principe van deze experimenten weergegeven in figuur 1, is een AFM vrijdragende sonde in het hersenweefsel inspringen, handhaven een bepaalde grootte van de kracht of indrukking diepte en de overeenkomstige veranderingen in inspringen diepte en kracht respectievelijk meten tijd. Met deze gegevens kunnen we de kruip comping berekenenLiance J C en ontspanning modulus G R, respectievelijk.
Voor deze mesoschaal, voerden we experimenten effect inkeping in vloeistof ondergedompeld omstandigheden die de weefselstructuur en hydratatie op peil te houden, met behulp van een slinger gebaseerde geïnstrumenteerde nanoindenter. De experimentele opstelling is weergegeven in figuur 2. Aangezien de slinger in aanraking met het weefsel, sondeverplaatsing wordt geregistreerd als functie van de tijd totdat de oscillerende slinger komt te rusten in het weefsel. Uit de resulterende gedempte harmonische oscillerende beweging van de sonde, kunnen we de maximale penetratiediepte xmax, energiedissipatie capaciteit K en dissipatie kwaliteitsfactor Q (dat betrekking heeft op de snelheid van energiedissipatie) van het weefsel 11,12 berekenen.
Voor deze macroschaal, gebruikten we een parallelle plaat rheometer de frequentieafhankelijke shear elastische moduli kwantificerenaangeduid als de opslagmodulus G 'en de verliesmodulus G ", van het weefsel. Bij dit type reometrie, berekenen we een harmonische hoekige stam (en overeenkomstige afschuifhoek) op bekende amplitudes en frequenties en meet de reactionele koppel (en bijbehorende shear stress) , zie figuur 3. uit de verkregen amplitude en faseverschuiving van het gemeten koppel en geometrische variabelen van het systeem, kunnen we berekenen G 'en G "bij toegepaste frequenties van belang 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Elke techniek in dit document meet verschillende facetten van de mechanische eigenschappen hersenweefsel's. Creep naleving en stress ontspanning moduli zijn een maat voor tijdsafhankelijke mechanische eigenschappen. De opslag en verliesrekening moduli vertegenwoordigen rate-afhankelijke mechanische eigenschappen. Impact inspringen meet ook snelheid-mechanische eigenschappen, maar in de context van energie dissipatie. Bij het karakteriseren van weefsel mechanische eigenschappen, zijn beide AFM-enabled inspringen en r…
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).
