La caratterizzazione delle proprietà meccaniche del multiscala cervello tessuti utilizzando microscopia a forza atomica, Impatto rientro, e Reometria
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Per progettare e ingegnere materiali ispirati dalle proprietà del cervello, sia per simulanti meccanici o per studi di rigenerazione del tessuto, il tessuto cerebrale stesso deve essere ben caratterizzata a varie scale di lunghezza e di tempo. Come molti tessuti biologici, tessuto cerebrale presenta una complessa struttura gerarchica. Tuttavia, a differenza di molti altri tessuti, cervello è molto bassa rigidità meccanica, con moduli di Young elastico E dell'ordine di 100s di Pa. Questa bassa rigidità può presentare sfide alla caratterizzazione sperimentale delle principali proprietà meccaniche. Qui, dimostriamo diverse tecniche di caratterizzazione meccanica che sono state adattate per misurare le proprietà elastiche e viscoelastiche di materiali idratati conformi biologici come tessuto cerebrale, a diverse scale di lunghezza e tassi di carico. Al microscala, conduciamo esperimenti di creep-compliance e la forza di rilassamento utilizzando microscopio a forza atomica abilitato indentazione. Al mesoscale, abbiamo eseguire esperimenti di indentazione di impatto con un penetratore strumentato pendolo-based. Al macroscala, conduciamo piatto reometria paralleli per quantificare il dipendente dalla frequenza di taglio moduli elastici. Discutiamo anche le sfide e le limitazioni associate con ogni metodo. Insieme queste tecniche consentono una caratterizzazione approfondita meccanica del tessuto cerebrale che può essere utilizzato per comprendere meglio la struttura del cervello e di ingegnere dei materiali bio-ispirati.
Introduction
La maggior parte dei tessuti molli comprendenti organi biologici sono meccanicamente e strutturalmente complessa, una bassa rigidità rispetto a osso mineralizzato o materiali ingegnerizzati, e mostrano la deformazione non lineare e tempo-dipendente. Rispetto ad altri tessuti del corpo, tessuto cerebrale è notevolmente compatibile con moduli elastici E dell'ordine di 100s di Pa 1. tessuto cerebrale presenta eterogeneità strutturale con il grigio distinto e interdigitata e le regioni sostanza bianca che differiscono anche funzionalmente. meccanica tessuto cerebrale comprensione sarà di aiuto nella progettazione di materiali e modelli computazionali per imitare la risposta del cervello durante ferita, facilitare la previsione dei danni meccanici e consentire ingegnerizzazione di strategie protettive. Inoltre, tali informazioni possono essere usate per esaminare obiettivi di progettazione per la rigenerazione tissutale, e per comprendere meglio i cambiamenti strutturali nel tessuto cerebrale che sono associati con malattie come la sclerosi multipla e l'autismo. Here, descriviamo e dimostriamo diversi approcci sperimentali che sono disponibili per caratterizzare le proprietà viscoelastiche dei tessuti compatibili meccanicamente tra cui tessuto cerebrale, al micro, meso e macro-scala.
Al microscala, abbiamo condotto scorrimento rispetto e la forza esperimenti di rilassamento utilizzando microscopio a forza atomica (AFM) indentazione -enabled. Tipicamente, indentazione AFM abilitato viene utilizzato per stimare il modulo elastico (o rigidità istantanea) di un campione 2-4. Tuttavia, lo stesso strumento può essere utilizzato anche per misurare viscoelastico microscala (tempo o rate-dipendente) proprietà 5-10. Il principio di questi esperimenti, mostrate nella Figura 1, è far rientrare un AFM sbalzo sonda nel tessuto cerebrale, mantenere una determinata grandezza di forza o profondità di indentazione, e misurare le corrispondenti variazioni di profondità di indentazione e forza, rispettivamente nel tempo. L'utilizzo di questi dati, si può calcolare la deformazione comp, liance J C e relax modulo G R, rispettivamente.
Al mesoscala, abbiamo condotto esperimenti di indentazione impatto in condizioni di liquido immersi che mantengono la struttura dei tessuti e livelli di idratazione, utilizzando un nanoindentatore strumentato pendolo-based. L'apparato sperimentale è illustrato nella figura 2. Come il pendolo oscilla in contatto con il tessuto, sonda spostamento è registrata come una funzione di tempo finché il pendolo oscillante si ferma all'interno del tessuto. Dal smorzato moto oscillatorio armonico risultante della sonda, è possibile calcolare la profondità massima penetrazione x max, capacità di dissipazione di energia K e fattore di qualità Q di dissipazione (che riguarda il tasso di dissipazione dell'energia) del tessuto 11,12.
Al macroscala, abbiamo usato un piatto reometro paralleli per quantificare il dipendente dalla frequenza di taglio moduli elastici,chiamato lo stoccaggio modulo G 'e modulo viscoso G ", del tessuto. In questo tipo di reometria, si applica una tensione angolare armonica (e corrispondente deformazione di taglio) ad ampiezze noti e frequenze e misurare la coppia di reazione (e corrispondente shear stress) , come mostrato in figura 3. Dalla risultante ampiezza e la fase di latenza della coppia misurata e variabili geometriche del sistema, si può calcolare G 'e G "a frequenze applicate di interesse 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ogni tecnica presentata in questo articolo misura diversi aspetti della proprietà meccaniche del tessuto cerebrale. conformità Creep e lo stress di rilassamento moduli sono una misura di dipendenti dal tempo le proprietà meccaniche. I moduli di stoccaggio e perdite rappresentano proprietà meccaniche tasso-dipendente. indentazione Impact misura anche proprietà meccaniche tasso-dipendente, ma nel contesto di dissipazione di energia. Quando caratterizzare le proprietà meccaniche del tessuto, sia indentazione AFM abil…
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 |
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