Характеризуя Многомасштабное механических свойств ткани головного мозга Использование атомно-силовой микроскопии, наезд отступы и Реологии
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Для разработки и инженер материалов, вдохновленные свойствами мозга, будь то для механических имитаторов или для исследований регенерации ткани, сама ткань мозга должны быть хорошо охарактеризованы на различных масштабов длины и времени. Как и многие другие биологические ткани, ткани головного мозга обнаруживает сложную, иерархическую структуру. Тем не менее, в отличие от большинства других тканей, мозг очень низкой механической жесткости, с упругих модулей Юнга Е порядка 100е Па. Такая низкая жесткость может создавать проблемы для экспериментальной характеристике основных механических свойств. Здесь мы покажем несколько механических методов определения характеристик, которые были приспособлены для измерения упругих и вязкоупругих свойств гидратированных, совместимых биологических материалов, таких как ткани мозга, в различных масштабах длины и скоростей нагружения. На микроуровне, мы проводим ползучести соблюдения и релаксации силы эксперименты с использованием атомно-силового микроскопа с поддержкой отступа. На MesosКейл, мы проводим эксперименты с использованием отступов воздействия маятник на основе Instrumented индентора. На макроуровне, мы проводим параллельные пластины Реологии для количественной оценки частоты зависит от модуля упругости при сдвиге. Мы также обсуждаем проблемы и ограничения, связанные с каждым методом. Вместе эти методы позволяют углубленное механическую характеристику ткани головного мозга, которые можно использовать, чтобы лучше понять структуру мозга и инженеру био вдохновленный материалов.
Introduction
Большинство мягких тканей-содержащие биологические органы механически и структурно сложный, низкой жесткости по сравнению с минерализованной костью или спроектированных материалов, а также обладают нелинейную и зависящих от времени деформации. По сравнению с другими тканями в организме, ткани мозга удивительно соответствует, с модулей упругости Е порядка 100е Па 1. Мозговая ткань проявляет структурную гетерогенность с отчетливым и гребенчатой серого и белого вещества областей, которые также отличаются функционально. Понимание механики ткани мозга поможет в разработке материалов и расчетных моделей для имитации реакции головного мозга при травме, облегчить прогнозирование механических повреждений, а также включить инженерных защитных стратегий. Кроме того, такая информация может быть использована, чтобы рассмотреть проектные цели для регенерации ткани, и, чтобы лучше понять структурные изменения в ткани головного мозга, которые связаны с такими заболеваниями, как рассеянный склероз и аутизм. ЧАСERE, мы описываем и продемонстрировать несколько экспериментальных подходов, которые доступны для характеристики вязкоупругих свойств механически совместимых тканей, включая ткани головного мозга, на микро-, мезо- и макро-масштабах.
На микроуровне, мы провели ползучести соблюдения и заставить экспериментов релаксации с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) -Enabled отступа. Как правило, АФМ с поддержкой отступы используются для оценки модуля упругости (или мгновенной жесткости) образца 2-4. Тем не менее, тот же самый инструмент также может быть использован для измерения Microscale вискоэластик ( по времени или скорости-зависимых) свойств 5-10. Принцип этих экспериментов, показанных на рисунке 1, является отступа асМ консольно зонд в ткани головного мозга, поддерживать заданную величину силы или глубины вдавливания, и измерить соответствующие изменения в глубину вдавливания и силы, соответственно, в течение долгого времени. Используя эти данные, мы можем вычислить ползучести компliance J C и модуль релаксации G R соответственно.
В мезомасштабе, мы провели эксперименты отступов воздействия в жидкости, погруженные в условиях, которые поддерживают структуру тканей и уровня гидратации, используя маятник на основе Instrumented наноиндентора. Экспериментальная установка показана на рисунке 2. По мере того как маятник качается в контакт с тканью, зонд смещения записывается как функция времени , пока качающийся маятник не приходит в состояние покоя в ткани. Из полученной затухающей гармоники колебательного движения зонда, можно рассчитать максимальную глубину проникновения х Макс, рассеивание энергии мощности К, а добротность Q (рассеивание , которая относится к скорости диссипации энергии) ткани 11,12.
На макроуровне, мы использовали параллельную пластину реометра для количественной оценки частоты зависит от модуля упругости при сдвиге,называется модуль накопления G 'и модуль потерь G ", ткани. В этом типе реометрии, применим гармоническую угловую деформацию (и соответствующие деформации сдвига) при известных амплитуд и частот и измеряют Реагирующей крутящего момента (и соответствующее напряжение сдвига) , как показано на рисунке 3. из полученной амплитуды и фазы запаздывания измеренного крутящего момента и геометрических переменных системы, мы можем вычислить G 'и G "на прикладной интерес частотах 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Каждый метод в данной работе измеряет различные аспекты механических свойств ткани мозга в. Creep соблюдение и модулей релаксации напряжений являются мерой зависящих от времени механических свойств. Хранение и потери представляют собой модули скорости зависящие от механических свойст…
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).
