Charakterisieren Multiskalige Mechanische Eigenschaften von Gehirngewebe mittels Rasterkraftmikroskopie, Schlag Einrückungen und Rheometrie
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Zu entwerfen und Ingenieur Materialien durch die Eigenschaften des Gehirns inspiriert, ob für mechanische simulants oder für die Geweberegeneration Studien sich das Hirngewebe gut sein müssen an verschiedenen Längen- und Zeitskalen charakterisiert. Wie viele biologische Gewebe weist Hirngewebe eine komplexe, hierarchische Struktur. Jedoch im Gegensatz zu den meisten anderen Geweben ist Gehirn sehr geringe mechanische Steifigkeit, mit Young'schen Elastizitätsmoduln E in der Größenordnung von 100 s von Pa. Diese geringe Steifigkeit Herausforderungen experimentellen Charakterisierung von Schlüssel mechanischen Eigenschaften darstellen kann. Hier zeigen wir einige mechanische Charakterisierung Techniken, die angepasst wurden, um die elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von hydriertem, konformen biologischen Materialien wie Hirngewebe zu messen, auf unterschiedlichen Längenskalen und Beladungsraten. Am mikroskaligen führen wir Kriechen-Compliance und Kraft Entspannung Experimente mit Rasterkraftmikroskop-fähigen Einzug. An den MesosCale, führen wir Experimente Auswirkungen Vertiefung ein Pendel-basierte instrumentierten Eindringkörper verwendet wird. Am makroskaligen führen wir Parallelplattenrheometrie die frequenzabhängigen Scherelastizitätsmodul zu quantifizieren. Wir diskutieren auch die Herausforderungen und Einschränkungen bei den einzelnen Methoden verbunden. Zusammen ermöglichen diese Techniken eine gründliche mechanische Charakterisierung von Hirngewebe, das besser genutzt werden kann, um die Struktur des Gehirns zu verstehen und bio-inspirierte Materialien zu konstruieren.
Introduction
Die meisten Weichteile biologische Organe umfassen, sind mechanisch und strukturell komplexen, von geringer Steifigkeit im Vergleich zu mineralisiertem Knochen oder technischen Materialien und weisen eine nichtlineare und zeitabhängige Verformung. Im Vergleich zu anderen Geweben im Körper, ist bemerkenswert Hirngewebe kompatibel ist , mit Elastizitätsmoduln E in der Größenordnung von 100 s von 1 Pa. Das Hirngewebe zeigt strukturelle Heterogenität mit deutlichen und ineinandergreifenden grauen und weißen Substanz Regionen, die auch funktional unterscheiden. Verständnis Hirngewebe Mechanik wird in der Konstruktion von Materialien und Rechenmodelle unterstützen die Antwort des Gehirns während Verletzungen zu imitieren, Vorhersage mechanischer Beschädigung zu erleichtern, und das Engineering von Schutzstrategien ermöglichen. Zusätzlich können solche Informationen verwendet werden Entwurfsziele für die Geweberegeneration zu betrachten und zu einer besseren strukturellen Veränderungen im Hirngewebe zu verstehen, die mit Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Autismus assoziiert sind. Here, wir beschreiben und verschiedene experimentelle Ansätze zeigen, dass die viskoelastischen Eigenschaften von mechanisch nachgiebigen Gewebe einschließlich Hirngewebe, auf der Mikro-, Meso- und Makroskalen zur Verfügung stehen zu charakterisieren.
Am mikroskaligen führten wir Kriechen-Compliance und Relaxationsexperimente Kraft mit Rasterkraftmikroskop (AFM) -fähigen Einzug. Typischerweise wird AFM-fähige Vertiefung verwendet , um den Elastizitätsmodul (oder momentane Steifigkeit) zur Abschätzung einer Probe 2-4. Jedoch kann das gleiche Instrument auch zur Messung mikroskaligen viskoelastischen (zeit- oder geschwindigkeitsabhängig) Eigenschaften 5-10 verwendet werden. Das Prinzip dieser Experimente, die in 1 gezeigt, ist eine AFM – auskragenden Sonde in das Gehirngewebe einrücken, eine festgelegte Größe der Kraft oder Eindringtiefe, zu pflegen und die entsprechenden Änderungen in Eindringtiefe und Kraft messen, die jeweils über die Zeit. Mit Hilfe dieser Daten können wir die Kriechen comp berechnenliance J C und Entspannungsmodul G R.
Am mesoskaliger führten wir Einfluss Einzug Experimente in Flüssigkeit getauchten Bedingungen, die die Gewebestruktur und Hydratationsniveaus, mit einem Pendel-basierten instrumentierten Nanoindentor halten. Der Versuchsaufbau ist in Figur 2 veranschaulicht. Da das Pendel mit dem Gewebe in Kontakt tritt, Sondenverdrängung als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird , bis die oszillierende Pendel im Gewebe zur Ruhe kommt. Aus der resultierenden gedämpften harmonischen Schwingungsbewegung der Sonde kann man die maximale Eindringtiefe x max, Energiedissipation Kapazität K und Verlustqualitätsfaktor Q des Gewebes 11,12 (die der Rate der Energieabgabe bezieht) berechnen.
Im makroskopischen verwendeten wir eine parallele Platte-Rheometer der frequenzabhängigen Scherelastizitätsmoduln zu quantifizieren,der Speichermodul G bezeichnet 'und Verlustmodul G "des Gewebes. In dieser Art von Rheometrie wenden wir einen harmonischen Winkelspannung (und Scherbeanspruchung entspricht) mit bekannten Amplituden und Frequenzen und messen die Reaktions – Drehmoment (und eine entsprechende Scherspannung) , wie in Abbildung 3 dargestellt. aus der resultierenden Amplitude und Phasenverzögerung des gemessenen Drehmoments und geometrischen Variablen des Systems, können wir G 'und G "bei angelegten Frequenzen von Interesse 13,14 berechnen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Jede Technik, die in diesem Papier misst verschiedene Facetten der mechanischen Eigenschaften des Hirngewebes. Kriechnachgiebigkeit und Spannungsrelaxation Moduli sind ein Maß für zeitabhängige mechanische Eigenschaften. Die Speicher- und Verlustmodul repräsentieren geschwindigkeitsabhängigen mechanischen Eigenschaften. Schlag Einbuchtung misst auch geschwindigkeitsabhängigen mechanischen Eigenschaften, sondern im Rahmen der Energiedissipation. Wenn Gewebe mechanische Eigenschaften zu charakterisieren, sowohl AFM-…
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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