Caractériser Propriétés Multiscale mécaniques des tissus de cerveau en utilisant la microscopie à force atomique, Impact indentation et Rheometry
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Pour concevoir et ingénieur des matériaux inspirés par les propriétés du cerveau, que ce soit pour les simulants mécaniques ou pour les études de régénération des tissus, les tissus du cerveau lui-même doit être bien caractérisé à différentes échelles de longueur et de temps. Comme beaucoup de tissus biologiques, les tissus du cerveau présente une structure hiérarchique complexe. Cependant, contrairement à la plupart des autres tissus, le cerveau est de très faible rigidité mécanique, avec élastique des modules E de Young de l'ordre de 100s de Pa. Cette faible rigidité peut présenter des défis à la caractérisation expérimentale des propriétés mécaniques clés. Ici, nous démontrons plusieurs techniques de caractérisation mécaniques qui ont été adaptés pour mesurer les propriétés élastiques et viscoélastiques, les matériaux hydratés conformes biologiques tels que les tissus du cerveau, à différentes échelles de longueur et les taux de chargement. Au micrométrique, nous effectuons fluage-conformité et de relaxation de la force des expériences utilisant microscope à force atomique activé indentation. Au mesoscale, nous effectuons des expériences d'indentation d'impact en utilisant un pénétrateur instrumenté basé pendule. À l'échelle macroscopique, nous effectuons des plaques parallèles rhéométrie pour quantifier la fréquence dépendant de modules de cisaillement élastique. Nous discutons également les défis et les limites associées à chaque méthode. Ensemble, ces techniques permettent une caractérisation mécanique en profondeur du tissu cérébral qui peut être utilisé pour mieux comprendre la structure du cerveau et à l'ingénieur des matériaux bio-inspirés.
Introduction
La plupart des tissus mous comprenant des organes biologiques sont mécaniquement et structurellement complexes, de faible rigidité par rapport à l'os minéralisé ou de matériaux d'ingénierie, et présentent une déformation non linéaire et dépendant du temps. Par rapport à d' autres tissus dans le corps, le tissu cérébral est remarquablement compatible avec les modules d' élasticité E de l'ordre de 100s de 1 Pa. Le tissu cérébral présente hétérogénéité structurelle de gris distincte et interdigitée et les régions de la substance blanche qui diffèrent également fonctionnellement. la mécanique des tissus cérébraux aideront à la compréhension de la conception des matériaux et des modèles informatiques pour simuler la réponse du cerveau au cours de blessure, de faciliter la prédiction des dommages mécaniques, et permettent l'ingénierie des stratégies de protection. En outre, de telles informations peuvent être utilisées pour examiner les objectifs de conception pour la régénération des tissus, et pour mieux comprendre les changements structurels dans le tissu cérébral qui sont associés à des maladies telles que la sclérose en plaques et l'autisme. Havant, nous décrivons et démontrons plusieurs approches expérimentales qui sont disponibles pour caractériser les propriétés viscoélastiques des tissus compatibles mécaniquement, y compris les tissus du cerveau, au micro, meso et macro-échelles.
Au micrométrique, nous avons mené fluage-conformité et la force des expériences de relaxation en utilisant microscope à force atomique (AFM) d'indentation -enabled. En règle générale, l' indentation AFM activé est utilisé pour estimer le module d' élasticité (ou rigidité instantanée) d'un échantillon de 2-4. Cependant, le même instrument peut également être utilisé pour mesurer viscoélastique micrométrique propriétés (temps ou taux dépendant) 5-10. Le principe de ces expériences, montré à la figure 1, est à mettre en retrait un AFM encorbellement sonde dans le tissu cérébral, de maintenir une amplitude déterminée de la force ou de la profondeur d'indentation, et de mesurer les changements correspondants dans la profondeur d'indentation et de la force, respectivement, au fil du temps. L'utilisation de ces données, nous pouvons calculer le fluage compliance J C et module de relaxation G R, respectivement.
A l'échelle méso, nous avons réalisé des expériences de mise en retrait d'impact dans des conditions de fluide immergé qui maintiennent la structure du tissu et le niveau d'hydratation, à l'aide d'un pendule à base nanoindenteur instrumenté. Le dispositif expérimental est illustré sur la figure 2. Comme le pendule oscille en contact avec le tissu, d'une sonde de déplacement est enregistrée en fonction du temps jusqu'à ce que le pendule oscillant vient en appui dans le tissu. De l'amortissement mouvement oscillatoire harmonique résultant de la sonde, on peut calculer la profondeur maximale de pénétration x max, la capacité de dissipation d'énergie K, et le facteur de qualité de dissipation Q (qui concerne le taux de dissipation d'énergie) du tissu 11,12.
À l'échelle macroscopique, nous avons utilisé une plaque rhéomètre parallèle à quantifier la fréquence de cisaillement dépend des modules élastiques,appelé le module de stockage G 'et le module de perte G ", du tissu. Dans ce type de rhéométrie, nous appliquons une souche angulaire harmonique (et la déformation de cisaillement correspondante) à des amplitudes et des fréquences connues et mesurer le couple réactionnel (et la contrainte de cisaillement correspondante) , comme le montre la figure 3. de l'amplitude et la phase résultant décalage du couple mesuré et les variables géométriques du système, nous pouvons calculer G 'et G "à des fréquences appliquées d'intérêt 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Chaque technique présentée dans cet article mesure les différentes facettes de propriétés mécaniques des tissus cérébraux. respect Creep et la relaxation des contraintes des modules sont une mesure de propriétés mécaniques en fonction du temps. Le stockage et la perte des modules représentent des propriétés mécaniques taux dépendant. L'impact indentation mesure également les propriétés mécaniques dépendant du débit, mais dans le contexte de la dissipation d'énergie. Lorsque la caractérisa…
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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