原子間力顕微鏡、インパクトインデント、およびレオを使用した脳組織のマルチスケール力学的性質を特徴づけます
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
機械的な模擬または組織再生研究のためかどうか、脳の性質に触発された材料を設計エンジニアには、脳組織自体がよく、様々な長さと時間スケールで特徴づけされなければなりません。多くの生物学的組織のように、脳組織は、複雑な階層構造を示します。しかし、大部分の他の組織とは対照的に、脳はPaで数百のオーダーのヤング弾性率をEと、非常に低い機械的剛性のものである。この低剛性は、キーの機械的特性の実験的特性評価に課題を提示することができます。ここでは、異なる長さスケールおよび負荷速度で、例えば、脳組織などの水和、コンプライアントの生物学的材料の弾性および粘弾性特性を測定するように適応されているいくつかの機械的特性評価技術を実証します。マイクロスケールで、我々は原子間力顕微鏡対応のインデントを使用して、クリープコンプライアンスと力緩和実験を行います。 mesosでCALEは、我々は振り子ベースのインストルメント圧子を使用して、衝撃インデント実験を行います。マクロスケールで、我々は周波数に依存するせん断弾性率を定量化するために平行プレートレオメトリーを行っています。また、それぞれの方法に伴う課題や制限について説明します。一緒にこれらの技術は、より良い脳の構造を理解するために、バイオ風の材料を操作するために使用することができます脳組織の徹底的な機械的特性評価を可能にします。
Introduction
生物学的器官を含むほとんどの軟組織石灰化した骨または工学材料と比較して機械的及び構造的に複雑な、低剛性であり、非線形および時間依存の変形を示します。体内の他の組織と比較して、脳組織は1Paで数百程度の弾性率をEと、格段に準拠しています。脳組織は、異なるとの構造的不均一性を示し、また、機能的に異なるグレーと白質領域を互いにかみ合っ。脳組織の力学を理解することは、傷害の間に脳の応答を模倣する材料と計算モデルの設計に役立つ機械的損傷の予測を容易にし、保護戦略の設計を可能にします。さらに、このような情報は、組織再生のための設計目標を考慮するために使用することができ、より良好な多発性硬化症や自閉症などの疾患と関連している脳組織の構造的変化を理解します。 HERE、我々はメソ、ミクロで、脳組織を含む機械的に準拠した組織の粘弾性特性を特徴づけるために利用可能ないくつかの実験的アプローチ、およびマクロスケールを説明し、実証します。
マイクロスケールで、我々はクリープコンプライアンスを行い、原子間力顕微鏡（AFM）対応のインデントを使用して緩和実験を強制します。典型的に、AFM対応くぼみは、試料2-4の弾性率（または瞬間剛性）を推定するために使用されます。しかし、同一の器具はまた特性5-10（タイムまたはレートに依存）マイクロ粘弾性を測定することができます。 図1に示すこれらの実験の原理は、時間の経過とともに、脳組織内にプローブを片持ちAFMをインデント力や押し込み深さの特定の大きさを維持し、それぞれ押し込み深さと力の対応する変化を測定することです。これらのデータを用いて、クリープCOMPを算出することができますそれぞれliance J Cと緩和弾性率G R、。
メソスケールで、我々は振り子ベースのインストルメントナノインデンターを使用して、組織構造と水和レベルを維持する流体に浸漬条件における衝撃インデントの実験を行いました。実験は、 図2に示されている。振り子が組織と接触するように揺動するように、振動振り子が組織内に静止するまでの変位を時間の関数として記録されているプローブ。プローブの結果として生じる減衰高調波振動運動から、我々は、組織11,12の（エネルギー散逸率に関する）の最大侵入深さx MAX、エネルギー散逸能力K、及び散逸品質係数Qを算出することができます。
マクロスケールで、我々は、周波数依存のせん断弾性率を定量化するために、平行平板レオメーターを使用しました。組織の貯蔵弾性率G '及び損失弾性率G "を 、と呼ばれるレオメトリーのこのタイプでは、高調波角度歪みを適用する（剪断歪みに対応する）既知の振幅と周波数で及びreactionalトルクを測定（及びせん断応力に対応します） 図3に示すように、測定されたトルクの結果として得られる振幅と位相遅れおよびシステムの幾何学的な変数から、我々は興味13,14の印加周波数で"G '及びGを計算することができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
本論文で各技術は、脳組織の機械的性質の異なる側面を測定します。クリープコンプライアンスと応力緩和弾性率は時間に依存する機械的特性の尺度です。貯蔵弾性率および損失弾性率は、速度に依存する機械的特性を表します。インパクトインデントも速度に依存する機械的特性を測定したが、エネルギー散逸のコンテキストインチ組織の機械的特性を特徴づけるとき、両方のAFM対応イン?…
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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