Characterizing Multiscale Mekaniska egenskaper hos hjärnvävnad Använda atomkraftsmikroskopi, Impact indrag, och Rheometry
Summary
We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.
Abstract
Att utforma och ingenjör material inspirerade av egenskaperna hos hjärnan, oavsett om mekaniska simulatorer eller vävnadsregenereringsstudier måste hjärnvävnaden i sig vara väl karakteriseras vid olika längd och tidsskalor. Liksom många biologiska vävnader, uppvisar hjärnvävnad en komplex, hierarkisk struktur. Men i motsats till de flesta andra vävnader, är hjärnan mycket låg mekanisk styvhet, med Youngs elasticitetsmodul E i storleksordningen 100-tals Pa. Den låga styvhet kan innebära utmaningar för experimentell karakterisering av viktiga mekaniska egenskaper. Här visar vi flera mekaniska karakteriseringstekniker som har anpassats för att mäta de elastiska och viskoelastiska egenskaperna hos hydratiserade, kompatibla biologiska material såsom hjärnvävnad, vid olika längdskalor och lastpriser. På mikro genomför vi krypvillkoren och kraft avkoppling experiment med användning av atomkraftsmikroskop-aktiverade indrag. Vid de mesoscale utför vi slag indrag experiment med hjälp av en pendel baserad instrumente indenter. På makroskala, vi genomför parallella platt rheometry att kvantifiera frekvensberoende skjuvning elasticitetsmoduler. Vi diskuterar också de utmaningar och begränsningar som är förknippade med varje metod. Tillsammans utgör dessa tekniker möjliggör en fördjupad mekanisk karakterisering av hjärnvävnad som kan användas för att bättre förstå strukturen av hjärnan och att konstruera bioinspirerade material.
Introduction
De flesta mjuka vävnader, innefattande biologiska organ är mekaniskt och strukturellt komplex, som saknar styvhet jämfört med mineraliserat ben eller framtagna material, och uppvisar icke-linjär och tidsberoende deformation. Jämfört med andra vävnader i kroppen, är hjärnvävnad anmärkningsvärt kompatibel med elastisk moduler E i storleksordningen 100-tals Pa 1. Hjärnvävnad uppvisar strukturell heterogenitet med tydlig och sammanflätade grå och vita substansen regioner som också skiljer sig funktionellt. Förståelse hjärnvävnadsmekaniken kommer att hjälpa i utformningen av material och beräkningsmodeller för att efterlikna responsen hos hjärnan under skada, underlätta förutsägelse av mekaniska skador, och möjliggör ingenjörs av skyddande strategier. Dessutom kan sådan information användas för att överväga mål konstruktion för vävnadsregenerering, och för att bättre förstå strukturella förändringar i hjärnvävnaden som är förknippade med sjukdomar som multipel skleros och autism. Here vi beskriver och demonstrerar flera experimentella metoder som finns tillgängliga för att karakterisera de viskoelastiska egenskaperna hos mekaniskt kompatibla vävnader inklusive hjärnvävnad, på mikro-, meso- och makroskalor.
På mikrogenomförde vi kryp följs och tvinga avkoppling experiment med hjälp av atomkraftsmikroskop (AFM) -aktiverade indrag. Typiskt är att AFM-aktiverade indrag används för att uppskatta elasticitetsmodul (eller momentana styvhet) hos ett prov 2-4. Däremot kan samma instrument även användas för att mäta mikro viskoelastiska (tids- eller hastighetsberoende) egenskaper 5-10. Principen för dessa experiment, som visas i figur 1, är att dra in en AFM fribärande sond i hjärnvävnaden, upprätthålla en viss storlek av våld eller indrag djup, och mäta motsvarande förändringar i indrag djup och kraft, respektive, över tiden. Med hjälp av dessa data kan vi beräkna kryp compliance J C och avkoppling modul G R, respektive.
Vid mesoskaliga genomförde vi slag indrag experiment vätske nedsänkta betingelser som upprätthåller vävnadsstruktur och vätskenivåer, med hjälp av en pendel baserad instrumente nanoindenter. Den experimentuppställning visas i fig 2. Som pendeln svänger i kontakt med vävnaden, sond förskjutning registreras som en funktion av tiden tills den oscillerande pendeln kommer till vila i vävnaden. Från den resulterande dämpade harmoniska oscillationsrörelse av sonden, kan vi beräkna den maximala penetrationsdjupet x max, energiupptagning kapacitet K, och förlustkvalitetsfaktorn Q (som hänför sig till hastigheten för energiavledning) av vävnaden 11,12.
Vid makroskala, använde vi en parallell platt reometer för att kvantifiera den frekvensberoende skjuvning elasticitetsmoduler,benämnd lagringsmodulen G 'och förlustmodul G ", av vävnaden. I denna typ av reometri tillämpar vi en övertonsvinkel stam (och motsvarande skjuvspänning) vid kända amplituder och frekvenser och mäta reactional vridmoment (och motsvarande skjuvspänning) , såsom visas i figur 3. från den resulterande amplituden och fasförskjutningen hos det uppmätta vridmomentet och geometriska variabler hos systemet, kan vi beräkna G 'och G "vid pålagda frekvenser av intresse 13,14.
Protocol
Representative Results
Discussion
Varje teknik som presenteras i detta dokument mäter olika aspekter av hjärnvävnad mekaniska egenskaper. Kryp efterlevnad och spänningsrelaxationsmoduler är ett mått på tidsberoende mekaniska egenskaper. Lagrings- och förlustmoduler representerar hastighetsberoende mekaniska egenskaper. Slag inbuktning mäter också hastighetsberoende mekaniska egenskaper, men inom ramen för energiavledning. När karakterisera vävnads mekaniska egenskaper, både AFM-aktiverade indrag och reologi vanligaste metoderna. AFM-aktive…
Disclosures
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 |
References
- 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).
