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 &amp; Engineering Graduate Fellowship program.

<ol>
	<li>van Dommelen, J. A. W., Hrapko, M., Peters, G. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+Properties+of+Brain+Tissue:+Characterisation+and+Constitutive+Modelling.">Mechanical Properties of Brain Tissue: Characterisation and Constitutive Modelling.</a> Mechanosensitivity of the Nervous System. , 249-281 (2009).</li><li>Liu, F., Tschumperlin, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Micro-mechanical+characterization+of+lung+tissue+using+atomic+force+microscopy.">Micro-mechanical characterization of lung tissue using atomic force microscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (54), e2911 (2011).</li><li>Peaucelle, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=AFM-based+mapping+of+the+elastic+properties+of+cell+walls:+at+tissue,+cellular,+and+subcellular+resolutions.">AFM-based mapping of the elastic properties of cell walls: at tissue, cellular, and subcellular resolutions.</a> Journal of Visualized Experiments. (89), e51317 (2014).</li><li>Thomas, G., Burnham, N. A., Camesano, T. A., Wen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+the+mechanical+properties+of+living+cells+using+atomic+force+microscopy.">Measuring the mechanical properties of living cells using atomic force microscopy.</a> Journal of Visualized Experiments. (76), e50497 (2013).</li><li>Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. d. M., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress+relaxation+and+creep+on+living+cells+with+the+atomic+force+microscope:+a+means+to+calculate+elastic+moduli+and+viscosities+of+cell+components.">Stress relaxation and creep on living cells with the atomic force microscope: a means to calculate elastic moduli and viscosities of cell components.</a> Nanotechnology. 21, 445101 (2010).</li><li>Desprat, N., Richert, A., Simeon, J., Asnacios, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Creep+function+of+a+single+living+cell.">Creep function of a single living cell.</a> Biophysical Journal. 88 (3), 2224-2233 (2005).</li><li>Lu, H., Wang, B., Ma, J., Huang, G., Viswanathan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+creep+compliance+of+solid+polymers+by+nanoindentation.">Measurement of creep compliance of solid polymers by nanoindentation.</a> Mechanics Time-Dependent Materials. 7 (3/4), 189-207 (2003).</li><li>Cheng, L., Xia, X., Scriven, L. E., Gerberich, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spherical-tip+indentation+of+viscoelastic+material.">Spherical-tip indentation of viscoelastic material.</a> Mechanics of Materials. 37, 213-226 (2005).</li><li>Kalcioglu, Z., Qu, M., Van Vliet, <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiscale+characterization+of+relaxation+times+of+tissue+surrogate+gels+and+soft+tissues.">Multiscale characterization of relaxation times of tissue surrogate gels and soft tissues.</a> 7th Army Science Conference Proceedings. , (2010).</li><li>Moreno-Flores, S., Benitez, R., Vivanco, M. D., Toca-Herrera, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress+relaxation+microscopy:+Imaging+local+stress+in+cells.">Stress relaxation microscopy: Imaging local stress in cells.</a> Journal of Biomechanics. 43 (2), 349-354 (2010).</li><li>Kalcioglu, Z. I., Qu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+impact+indentation+of+hydrated+biological+tissues+and+tissue+surrogate+gels.">Dynamic impact indentation of hydrated biological tissues and tissue surrogate gels.</a> Philosophical Magazine. 91 (7-9), 1339-1355 (2011).</li><li>Kalcioglu, Z. I., Ra Mrozek, R. a., Mahmoodian, R., VanLandingham, M. R., Lenhart, J. L., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+mechanical+behavior+of+synthetic+organogels+as+biofidelic+tissue+simulants.">Tunable mechanical behavior of synthetic organogels as biofidelic tissue simulants.</a> Journal of Biomechanics. 46 (9), 1583-1591 (2013).</li><li>Janmey, P. A., Georges, P. C., Hvidt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Basic+rheology+for+biologists.">Basic rheology for biologists.</a> Methods in Cell Biology. 83, 3-27 (2007).</li><li>Miller, K., Kurtcuoglu, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Biomechanics of the Brain. , (2011).</li><li>L&#233;vy, R., Maaloum, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+the+spring+constant+of+atomic+force+microscope+cantilevers:+thermal+fluctuations+and+other+methods.">Measuring the spring constant of atomic force microscope cantilevers: thermal fluctuations and other methods.</a> Nanotechnology. 13 (1), 33-37 (2002).</li><li>Fuierer, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Basic+Operation+Procedures+for+the+Asylum+Research+MFP-3D+Atomic+Force+Microscope.">Basic Operation Procedures for the Asylum Research MFP-3D Atomic Force Microscope.</a> MFP-3D Procedureal Operation "Manualette". , (2006).</li><li>Elkin, B. S., Ilankovan, A., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Age-dependent+regional+mechanical+properties+of+the+rat+hippocampus+and+cortex.">Age-dependent regional mechanical properties of the rat hippocampus and cortex.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 132, 011010 (2010).</li><li>Elkin, B. S., Azeloglu, E. U., Costa, K. D., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+heterogeneity+of+the+rat+hippocampus+measured+by+atomic+force+microscope+indentation.">Mechanical heterogeneity of the rat hippocampus measured by atomic force microscope indentation.</a> Journal of Neurotrauma. 24 (5), 812-822 (2007).</li><li>Lee, E. H., Radok, J. R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Contact+Problem+for+Visooelastic+Bodies.">The Contact Problem for Visooelastic Bodies.</a> Journal of Applied Mechanics. 27 (3), 438-444 (1960).</li><li>Lin, D. C., Dimitriadis, E. K., Horkay, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Robust+strategies+for+automated+AFM+force+curve+analysis--I.+Non-adhesive+indentation+of+soft,+inhomogeneous+materials.">Robust strategies for automated AFM force curve analysis--I. Non-adhesive indentation of soft, inhomogeneous materials.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 129 (3), 430-440 (2007).</li><li>Constantinides, G., Kalcioglu, Z. I., McFarland, M., Smith, J. F., Van Vliet, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+mechanical+properties+of+fully+hydrated+gels+and+biological+tissues.">Probing mechanical properties of fully hydrated gels and biological tissues.</a> Journal of Biomechanics. 41 (15), 3285-3289 (2008).</li><li>Shen, F., Tay, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modified+Bilston+Nonlinear+Viscoelastic+Model+for+Finite+Element+Head+Injury+Studies.">Modified Bilston Nonlinear Viscoelastic Model for Finite Element Head Injury Studies.</a> Journal of Biomechanical Engineering -- Transactions of the ASME. 128 (5), 797-801 (2006).</li><li>van Dommelen, J. a. W., vander Sande, T. P. J., Hrapko, M., Peters, G. W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+brain+tissue+by+indentation:+Interregional+variation.">Mechanical properties of brain tissue by indentation: Interregional variation.</a> Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 3 (2), 158-166 (2010).</li><li>Rother, J., N&#246;ding, H., Mey, I., Janshoff, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+force+microscopy-based+microrheology+reveals+significant+differences+in+the+viscoelastic+response+between+malign+and+benign+cell+lines.">Atomic force microscopy-based microrheology reveals significant differences in the viscoelastic response between malign and benign cell lines.</a> Open biology. 4 (5), 140046 (2014).</li><li>Du, P., Lu, H., Zhang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measuring+the+Young's+Relaxation+Modulus+of+PDMS+Using+Stress+Relaxation+Nanoindentation.">Measuring the Young's Relaxation Modulus of PDMS Using Stress Relaxation Nanoindentation.</a> Symposium DD - Microelectromechanical Systems - Materials and Devices III. 1222 (c), (2009).</li><li>Elkin, B. S., Morrison, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+properties+of+the+P17+and+adult+rat+brain+from+indentation+in+the+coronal+plane.">Viscoelastic properties of the P17 and adult rat brain from indentation in the coronal plane.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 135, 114507 (2013).</li><li>Brands, D. W., Bovendeerd, P. H., Peters, G. W., Wismans, J. S., Paas, M. H., van Bree, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+the+dynamic+behavior+of+brain+tissue+and+two+model+materials.">Comparison of the dynamic behavior of brain tissue and two model materials.</a> 43rd Stapp Car Crash Conference Proceedings. , 313-320 (1999).</li><li>Hrapko, M., van Dommelen, J. A. W., Peters, G. W. M., Wismans, J. S. H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterisation+of+the+mechanical+behaviour+of+brain+tissue+in+compression+and+shear.">Characterisation of the mechanical behaviour of brain tissue in compression and shear.</a> Biorheology. 45 (6), 663-676 (2008).</li><li>Pogoda, K., Chin, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compression+stiffening+of+brain+and+its+effect+on+mechanosensing+by+glioma+cells.">Compression stiffening of brain and its effect on mechanosensing by glioma cells.</a> New Journal of Physics. 16 (7), 075002 (2014).</li><li>Peters, G. W. M., Meulman, J. H., Sauren, A. A. H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+applicability+of+the+time/temperature+superposition+principle+to+brain+tissue.">The applicability of the time/temperature superposition principle to brain tissue.</a> Biorheology. 34 (2), 127-138 (1997).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Bu çalışmada sunulan her teknik beyin dokusunun mekanik özellikleri farklı yönlerini ölçer. Bozulma uyumu ve stres gevşeme modülleri zamana bağlı mekanik özelliklerinin bir ölçüsüdür. Depolama ve kayıp modülleri oranı bağımlı mekanik özellikleri temsil eder. Darbe girinti ayrıca oran bağımlı mekanik özelliklerini ölçen, ancak enerji dağılımı bağlamında. Doku mekanik özelliklerini karakterize ederken, hem AFM etkin girinti ve reolojisi yaygın kullanılan yöntemlerdir. Daha önce tarif edildiği gibi zamana bağlı malzeme özelliklerini sağlamaya ek olarak, farklı deney parametreleri, hücre ve doku elastik modül 4 ve hatta frekansa bağımlı özellikler 24 ölçmek için kullanılabilir, çünkü AFM etkin girinti özellikle yararlıdır. Ancak, deney verilerinin ve tasarım doğru yorumlanması uyumlu, hidratlı dokular için zor olabilir. reometre önlemleri uygun ambalajsız ikendoku bağları, AFM etkin girinti hücrelerin mikroçevresinin ilgili mikro hacimleri araştırıyor. Etki Girinti malzemenin fokal etkisi nedeniyle, travmatik beyin hasarı okuyan gibi uygulamalarda yararlı olan bir konsantre, dinamik darbe yükü bağlamında deforme nasıl özellikle ölçmek için bir araç sağlar. Her tekniğin sonuçları doğrudan karşılaştırılabilir olmasa da aşağıda tartışıldığı gibi, darbe girinti aracılığıyla ölçülen enerji sönümleme özellikleri, reoloji üzerinden ölçülen kayma kayıp modülü aynı trendleri takip. Burada gösterilen beyin dokusu AFM etkin girinti, biz sürünme uyumu ve gevşeme kuvvet kullanarak viskoelastik özelliklerini ölçülür. Çünkü AFM prob küçük ölçekli, bu tekniğin, sırasıyla korpus kallosum ve korteks (Şekil beyaz ve gri madde bölgeleri olarak beynin anatomik farklı alanlarda, mekanik özelliklerini ölçebilir. 4 </strong&gt;). Manyetik büküm sitometrisi optik cımbız ve microrheology olarak - - biyolojik örneklerin mikro mekanik özelliklerini ölçmek için başka teknikler birlikte bu teknikler başarılı yarı-opak olan ışık nispeten güçlü saçılması kısmen doku örnekleri üzerinde kullanılmamıştır dokular. Bu şekilde ölçülen beyin dokusunun viskoelastik davranış önce Thurmond ve Morrison 26, sonuçları rapor ile benzer olduğu bulunmuştur. gevşeme modülü için ölçülen değerlerin büyüklüğü kabul değilse de, bu durum, deney koşullarında fark muhtemeldir. Elkin &amp; Morrison bizim 20 mikron çapında küre ile karşılaştırıldığında, 250 mikron çapında düz yumruk kullanın. Biz farelerden elde edilen beyin dokusu üzerinde ölçümler yapılmıştır iken Ayrıca, Elkin &amp; Morrison, sıçanların beyin dokusu üzerinde ölçümler yapmak. Bu farklılıkların, teknikler her iki ölç rağmenKorpus kallosum beyaz cevher koronal düzlemde korteksin gri cevherde daha düşük gevşeme modülü sergiler, özellikle beyin dokusu içinde heterojen mekanik özelliklere değe- ya. Biz sürünme uyumu hesaplanır ve istenen basamak yük veya adım girinti cevaben gevşeme modülüne kuvvet ise, sırasıyla, deneysel uygulanan yük ve girinti idealdir (anlık) basamak fonksiyonları olmadığını not etmek önemlidir. Yükler ve girintiler kısa zaman ölçekleri (&lt;1 sn) üzerine uygulanır ve bu yükleme geçmişleri ölçülen sürünme ve rahatlama yanıtları 7,25 etkileyebilir. sürünme uyum modülü hafif aşırı tahmininde uygulanan basamak yük sonuçlarını varsayarak ederken Özellikle, altında tahmin gevşeme modülü hafif bir uygulamalı adım girinti sonuçlarını varsayarak. Gerçek ve hesaplanan elastik modülünün arasındaki farklılıklar rampa oranları azalacakuygulanan yüklere ve girinti artış. Yük gevşeme yürütülmesinde önemli bir adım tutulan kuvvetin doğru büyüklüğünü seçerek (yani, uygulanan kuvvet ile doğrudan ilişkili fotodiyot gerilimine karşılık gelen nominal değer). bozulma uyumu için istenen bir güç seçilmelidir ki: (1) müdahale girinti derinliği kolayca ölçülebilir bir değişiklik oluşturmak için yeterince büyük olduğu; ve (2) ayar noktası kuvveti korumak için gerekli olan girinti derinliği AFM konsol baz dikey konumunu modüle AFM piezoelektrik aktüatörün aralığı dışında kayması için çok büyük hale gelmez kadar küçük delikler. sunulan protokol, bizim deney düzeneği için çalıştı 5 nN, bir set gücünü ileri sürmüşlerdir. AFM piezo nedeniyle hareket sınırlı aralıkta (Şek. 4A, içerlek bakınız) bu kuvvet koruyamazsa Ancak, bu değeri düşürülebilir. Bu deneysel sorun karşılaşırsanız değilBir geri besleme döngüsü boyunca sabit hesaplanan girinti derinliği sürdürmek kuvvet gevşeme deneyleri ile göz önünde bulundurmuştur. nanoNewton (NN) de yarı-statik AFM etkin girinti aksine kuvvetleri ve mikron ölçekli derinliklerini ölçek olarak, darbe girinti mN ölçekli güçlerin konsantre dinamik yük uygular ve milimetre çaplı yaklaşan derinliklere kadar numune en deformasyon tepkisini ölçer. Biz daha önce kalp ve karaciğer 9,11,12 davranışını ölçmek için darbe girinti kullanılır ve bu organların dokular için yükleme hızına enerji dağılımı tepkisinin benzer bir bağımlılık gözlemledik. Darbe girinti um den mm arasında değişen sonda yarıçapı barındırabilir. Buna ek olarak, darbe girinti deneyleri hidratlı dokuları, 21 mekanik özelliklerinin sağlar tamamen daldırılmış ortamlarda gerçekleştirilebilir. beyin dokusu gibi son derece uyumlu örnekleri test ederken, important hususlar dikkate alınmalıdır. İlk olarak, malzeme içine en ölçülebilir derinliği yaklaşık 1 mm, enstrümanın ölçeklerde tarafından belirlenen bir sınırlama olduğu; başka sarkaç deplasman fiziksel sarkaç üst ve durağan manyetik plaka bulunan elektromanyetik bobinin arasındaki çarpışmanın tarafından durduruldu edilecektir. beyin dokusu, bu başarılı bir şekilde yaklaşık 5 mm / sn uygulanabilir yüksek çarpma hızı sınırlar. Darbe hızları sipariş mm / s üzerinde iken, ilgili zorlanma enerjisi yoğunlukları nedeniyle sonda yarıçapı 11 küçük boyutları, balistik koşulları yaklaşımları kJ / m 3 mertebesinde, üzerinde olduğunu unutmayın. alet probu ve doku yüzeyi arasındaki teması tespit etmek için İkincisi, potansiyel zor olabilir. Örnek sahne probu doğru ilerlerken sarkaç hareketli numunesi geri itildiğinde, iletişim tespit edilir. Ancak, için son derece complianprobun numuneye nüfuz ederken T örnekleri, sarkaç algılanabilir saptırılabilir olabilir. Bu sorunu çözmek için, biz örnek sahne geri sarkaç götürmek için temas sırasında büyük bir ivme olacak şekilde hareket hızını artırabilir. Örnek, bundan başka, uygun bir temas noktası tespit hataları en aza indirmek için mümkün olduğu kadar düz olması gerekir. Son olarak, darbe yükü sarkaç üstündeki elektromanyetik akım ilk darbe olayından sonra penetrasyon için bir itici güç sağlamak için devam ettiğini gerçek bir darbe yükü, olmadığını unutmayın. Bunun bir sonucu olarak, katlama, özellikle enerji yitirme özelliklerinin analizi karmaşıklaştıran yüksek yükleme koşulları, oluşabilir. Bu teknikle ilgili daha fazla çalışma miroskop yoluyla doku örneği yüzeyinin görselleştirme vücut sıcaklığında çalışmalarını sağlamak için ısı kontrolü tanıtan ve dahil olmak üzere, darbe yanıtından sürünme yanıtını ayırma içerebilirSıvı hücre ile uyumlu e. Reometre macroscale düzeyde viskoelastik katıların frekansa bağlı mekanik özelliklerini ölçmektedir. Kesme modülü parçalar, depolama G &#39;ve zarar G &quot;, tipik olarak alet, prob geometrisi, ve örnek 13 bağlı olarak, 10-100 rad / sn 0,001-0,1 rad / sn kapsayan frekans aralığını ölçülebilir. Doğru ölçüm için , bir genlik süpürme malzemenin doğrusal elastik aralığını belirlemek için bir frekans taraması öncesinde yapılmalıdır, bu 14,27 sabit kalır &#39;hangi G&#39; ve G &#39;için gerginlik aralığı frekansı için seçilen kayma gerginlik. süpürme yeterli tork ölçümü sırasında elde edildiği (tipik olarak% 1-2 kesme zorlanması) bu tür doğrusal viskoelastik sınırı içinde mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. ölçümler sırasında tork her zaman olduğu gibi sağlamak için üretici tarafından sağlanan izin verilen aralığın içinde olmalıdırgürültü oranı ufficient sinyali. Buna ek olarak, reometre prob torku en üst düzeye çıkarmak için mümkün olduğu kadar büyük olmalıdır kullanılır, ancak örnek tamamen 13 paylaşımlı gerekir. örnek hazırlama, doku plakaları arasında yapıldığında eğimlerini en aza indirmek için mümkün olduğu kadar düz dilimlenmiş edilmelidir. iletişim örneği ile yapıldığında, doku o arayüzde kayma en aza indirmek için üzerinde herhangi bir su damlacıkları olmamalıdır. Bu doku yapısı 13 düşer Ancak, aynı zamanda doku önce ya da ölçüm sırasında kurutulmuş edilmemelidir. doku tamamen her iki plaka arasındaki temastan sonra medya ile hidrate edilmeli. Yapıştırıcı, su geçirmez zımpara da kayma 28 en aza indirmek için plakalara bağlı olabilir. Buna ek olarak, eksenel basınç beyin dokusu 29 G &#39;büyüklüğünü değiştirmek için gösterilmiştir. reoloji örnekleri, yüksekliği küçük değişiklikler (~ 500 (~ 5 mm), tipik olarak ince olduğuum) büyük bir sıkıştırıcı (örneğin, ±% 10) ve kayma modülü bu nedenle belirgin bir değişiklik olabilir. Örnek viskoelastik olduğu Dahası, malzeme nedeniyle ölçümlerini etkileyebilecek eksenel basınç 28 stres gevşeme uğrayacaktır. Bu nedenle, tekrar ölçümleri içindeki çalışma eksenel suşlar yapılmalıdır, ve örnek ölçümden önce (örneğin, 5-10 dakika) gevşemesine izin verilmelidir. bu fenomen ile alakalı hata tekniğinin bir sınırlama yoktur. Rheometrisi Diğer sınırlamalar genellikle doku örnekleri 13 doğru değildir malzeme homojen ve izotrop olduğu varsayımını içerir. Buna ek olarak, sıcaklık, G etkiler gibi fizyolojik koşullarda muhafaza edilmelidir güç kanunu Beha değiştirmeden mütevazi ve G &quot; &#39;&#39; ve G&quot; 22. Beyin dokusunda özel olarak ise, arttırılmış bir sıcaklık hem de G azalttığı gösterilmiştir &#39;frekansta vior böylece zaman-sıcaklık üst üste asil 22,30 et. Bizim verilerimiz G &#39;ve G&#39; benzer büyüklüklerini yanı sıra hem G &#39;ve G &quot;zayıf bir güç yasası frekans bağımlılığı gözlenen domuz beyninde önceki çalışmalarda 22,27, iyi bir uyum içindedir. Hesaplanan oran tanδ = G &quot;/ G &#39;(Şek. 6) rheometrisi ve darbe girinti arasındaki karşılaştırma bir temel sağlar. Darbe girinti, biz beyin dokusunun enerji sönümleme kapasitesi artırılacak yükleme oranları ile arttığını gördük. Reometre kullanarak, bulundu frekans arttıkça tanδ, diğer bir deyişle, malzeme yüksek frekanslarda daha yutucu oldu. artmıştır. Buna ek olarak, darbe girinti ölçümler, doğrudan bir elastik modülüne miktarını yok ederken, doğrudan nüfuz derinliklerini X maks increasin ileg elastik modüle sahiptir. Birlikte, bu yazıda anlatılan yöntemleri mikro, mezo ve makro uzunluk ölçeklerinde beyin dokusunun mekanik karakterizasyonu etkinleştirmek ve farklı yükleme hızlarında. Bu tarifnamede sunulan yöntemler, biyolojik doku ve mühendislik hidrojeller de dahil olmak uygun malzeme, bir dizi de kullanılabilir. Beyin dokusu multiscale viskoelastik özelliklerinin derinlemesine bir anlayış ile, beynin mekanik yanıtını taklit için tasarlanmış tasarım malzemeleri daha iyi yapamaz. Bu doku Uyarıcı maddeler mekanik hasar ve koruyucu stratejilerin mühendislik tahmini kolaylaştırabilir. Buna ek olarak, beyin malzeme özellikleri daha özellikle, otizm ve multipl skleroz gibi nörolojik hastalıklar bağlamında, merkezi sinir sistemindeki hücrelerin büyümesini ve bağlantı anlaşılması için in vitro ve in vivo çalışmalar Biyolojik Tabanlı Akıllı malzeme tasarımı için kullanılabilir.

Biyolojik organları içeren en yumuşak dokular mineralize kemik ya da mühendislik malzemelerine göre, mekanik ve yapısal olarak karmaşık ve düşük sertliğe sahiptir ve doğrusal olmayan ve zamana bağlı deformasyon sergiler. Vücudun diğer dokulara kıyasla, beyin dokusu Pa 1 100&#39;ler mertebesinde elastik modülü E, son derece uyumludur. Beyin dokusu farklı ve birbirine kenetlenmiş gri ve aynı zamanda işlevsel farklılık beyaz cevher bölgeleri ile yapısal heterojenliği sergiler. Anlamak beyin doku mekaniği, yaralanma sırasında beynin yanıtı taklit mekanik hasar tahmini kolaylaştırmak ve koruyucu stratejilerin mühendislik sağlamak için malzemeler ve hesaplama modelleri tasarımında yardımcı olacaktır. Buna ek olarak, bu tür bilgiler doku rejenerasyonu için tasarım hedeflerini belirlemek için kullanılabilir ve daha iyi multipl skleroz ve otizm gibi hastalıklarla ilişkili beyin dokusunda yapısal değişiklikleri anlamak için. Here, biz tarif ve mezo, mikro de, beyin dokusu dahil mekanik uyumlu dokuların viskoelastik özelliklerini karakterize etmek için kullanılabilir birkaç deneysel yaklaşımlar göstermek ve makro-ölçekler. mikroölçeklerde, biz sürünme-uyum yürütülen ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) etkinleştirilmiş girinti kullanarak gevşeme deneyleri zorlamak. Tipik haliyle, AFM etkin girinti örnek 2-4 arasında bir esneklik modülüne (ya da ani sertlik) tahmin etmek için kullanılır. Ancak, aynı enstrüman, aynı zamanda mikro viskoelastik (zaman veya oran bağlı) özelliklerini 5-10 ölçmek için kullanılabilir. Şekil 1&#39;de gösterildiği bu deneylerden prensibi, zamanla, beyin dokusu içine probu dirsekli bir AFM girinti kuvvet veya girinti derinliği belirli bir büyüklüğü korumak ve sırasıyla girinti derinliği ve kuvvet, karşılık gelen değişiklikleri ölçmektir. Bu verileri kullanarak, biz sürünme kompozisyonu hesaplayabilirsinizsırasıyla liance J, C ve dinlenme modülü G R,. orta ölçekli, biz bir sarkaç tabanlı aletli nanoindenter kullanarak, doku yapısı ve hidrasyon düzeylerini korumak sıvı su altı koşullarında darbe girinti deneyler yapılmıştır. Deney düzeneği, Şekil 2&#39;de gösterilmiştir. Sarkaç doku ile temas salıncaklar gibi, salınan sarkaç doku içinde hareketsiz hale gelene kadar yer değiştirme, zamanın bir fonksiyonu olarak kaydedilmektedir prob. Prob ortaya çıkan sönümlü harmonik salınım hareketi, biz dokusunun 11,12 (enerji dağılımı oranına ilgilidir), maksimum penetrasyon derinlik x max, enerji sönümleme kapasitesi K, ve dağıtma kalite faktörü Q hesaplayabilirsiniz. makroölçekte, biz, frekansa bağımlı kayma elastik modüle ölçmek için bir paralel plakalı reometre kullanıldı. dokusunun depolama modülü G &#39;ve zarar modülü G &quot;olarak adlandırılan rheometrisi Bu tip, bir harmonik açısal gerginlik uygulamak (ve kayma gerginlik karşılık gelir) bilinen genlik ve frekanslarda ve tepkisel tork ölçmek (ve kayma gerilmesi karşılık gelir) Şekil 3 &#39;de gösterildiği gibi. ölçülen tork elde edilen genlik ve faz gecikmesi ve sistemin geometrik değişkenlerden, çıkar 13,14 uygulamalı frekanslarda &quot;G&#39; ve G hesaplayabilir.

<table><tbody><tr><td>Xylazine</td><td>Lloyd Laboratoried</td><td></td><td>perscription drug</td></tr><tr><td>Ketamine</td><td>AnaSed Injections</td><td></td><td>perscription drug</td></tr><tr><td>Vibratome (Vibrating blade microtome)</td><td>Leica</td><td>VT1200</td><td></td></tr><tr><td>Hibernate-A Medium</td><td>Gibco</td><td>A1247501</td><td>CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;-independent neural medium for adult tissue</td></tr><tr><td>Atomic Force Microscope, MFP-3D-BIO</td><td>Asylum Research</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Petri Dish Heater</td><td>Asylum Research</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>AFM Probe, 0.03 N/m, 10&amp;nbsp;&amp;micro;m radius borosilicate sphere</td><td>Novascan</td><td>PT.GS</td><td></td></tr><tr><td>Cell-Tak</td><td>Corning</td><td>354240</td><td>mussel-derived bioadhesive</td></tr><tr><td>Sodium Bicarbonate</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5761</td><td>alternate suppliers can be used</td></tr><tr><td>Sodium Hydroxide, 1 N</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>59223C</td><td>alternate suppliers can be used</td></tr><tr><td>Instrumented Indenter, NanoTest Vantage</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td>probe tip needs to be machined (steel flat punch, 1&amp;nbsp;mm diameter, 4-5&amp;nbsp;mm length)</td></tr><tr><td>NanoTest Liquid Cell</td><td>Micro Materials Ltd.</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>Parallel Plate Rheometer MCR501</td><td>Anton-Parr</td><td>-</td><td></td></tr><tr><td>PP25&amp;nbsp;</td><td>Anton-Parr</td><td>-</td><td>25 mm diameter flat measurement plate</td></tr><tr><td>Adhesive Sandpaper</td><td>McMaster-Carr</td><td>4184A48</td><td>alternate suppliers can be used</td></tr><tr><td>Loctite 4013 Instant Adhesive</td><td>Henkel</td><td>20268</td><td>alternate suppliers can be used</td></tr></tbody></table>

characterizing multiscale mechanical properties of brain tissue using atomic force microscopy, impact indentation, and rheometry

mekanik simulants veya doku rejenerasyonu çalışmalarında olsun, beynin özelliklerine esinlenerek malzeme tasarımı ve mühendis için, beyin dokusu kendisi de çeşitli uzunluk ve zaman ölçeklerinde karakterize edilmelidir. Birçok biyolojik dokular gibi, beyin dokusu karmaşık, hiyerarşik bir yapı sergiler. Bununla birlikte, diğer dokuların tersine, beyin Pa 100&#39;ün mertebesinde Young elastik modülleri E, çok düşük mekanik sertlik taşımaktadır. Bu düşük sertlik önemli mekanik özellikler deneysel karakterizasyonu için zorluklar ortaya çıkabilir. Burada, farklı uzunluk ölçeklerinde ve yükleme hızlarında beyin dokusu gibi sulandırılmış, uyumlu biyolojik malzemelerin elastik ve viskoelastik özelliklerini ölçmek için adapte edilmiş birçok mekanik karakterizasyon teknikleri göstermektedir. mikroölçeklerde, biz Atomik kuvvet mikroskobu etkin girinti kullanarak sürünme uyum ve kuvvet gevşeme deneyleri yaparlar. mesos atcale, bir sarkaç tabanlı aletli dişinin kullanarak darbe girinti deneyleri. makroölçekte, biz frekans bağımlı kayma elastik modüle ölçmek için paralel plakalı reometre yapıyoruz. Biz de her yöntemi ile ilişkili zorlukları ve sınırlamaları tartışmak. Birlikte bu teknikler daha iyi beynin yapısını anlamak ve biyo-esinlenmiş malzemeleri mühendisi için kullanılabilir beyin dokusunun derinlemesine bir mekanik karakterizasyonu sağlar.

Şekil 4, sırasıyla uygulanan bir kuvvet veya girinti derinliği (Şekil 4A, D), verilen, sürünme uyumu için zaman yanıtları (Şekil 4B, E) vs temsili girinti ve kuvvetini göstermektedir ve dinlenme deneyleri zorlamak. Bu veri ve sistemin geometrisini kullanarak, sürünme uyum J c (t) ve gevşeme modülü G R (t) zorlamak beyin (Şekil 4C, F) farklı bölgeler için hesaplanabilir. Daha önceki çalışmalar, beyin 23 farklı alanlarının elastik modülünün arasında bir fark göstermiştir birlikte, viskoelastik özellikleri, belirli bir doku dilimi içinde arası varyasyon gösterme fare beyin dokusu dilimleri için bu yolla ölçülür. Darbe girinti mekansal ve zamansal konsantrasyon yüksek hızlarda doku mekanik özelliklerini ölçented yükleniyor. Bu deneylerin sonuçları doku travmatik yaralanma veya ameliyat ile ilgili kasıtlı deformasyon yanıt olarak enerji yayılır hakkında bilgi sağlar. Darbe girinti prob sönümlü salınım hareketi (Şekil 2B) maksimum penetrasyon derinlik x max (Şekil 5A), enerji dağıtımı kapasitesi K (Şekil 5B) ve doku enerji sönümleme oranı Q (Şekil 5C) hesaplamak için bilgi sağlar. Penetrasyon derinliği güçlü dokusunun elastik modülü ile ilişkilidir deformasyon direnci ölçer: katı dokular, belirli bir darbe hızı ve darbe enerjisi için daha küçük penetrasyon derinlikleri sergilerler. , Enerji dağılımı kapasitesini dokusu ilk etkisi döngüsü sırasında darbe enerjisini dağıtır hangi ölçüde bir birimsiz bir ölçüsüdür. Yayımı kalite faktörü önlemleri kaç döngüleri i gelen salınımlar önce meydanaMPACT önemli ölçüde bastırılır - Bu enerji dağılımı oranı ile doğrudan ilişkili bu zaman birimleri cinsinden ifade olmasa da. Bu üç etkisi karşılık parametreleri doku hızı bağımlı özelliklerini incelemek için bir araç sağlar, farklı etki hızı, önceki belirlenebilir. Şekil 6 0.1 rad / sn 50 rad / sn arasında değişen frekanslar için macroscale G &#39;ve G &quot;gösterir. Depolama modülü neredeyse düşük frekanslarda kayıp modülü daha büyük büyüklükte bir emirdir. Ancak, depolama ve zarar modüllerine arasındaki oran frekans arttıkça azalmaktadır. Bu depolama modülü elastik özelliklere açıklar ve kayıp modülü malzemenin viskoz kaybını tarif etmektedir elastik özellikler, beyin dokusunun davranışı hakim olduğunu göstermektedir. yeteri kadar yüksek bir yükleme frekansında, depolama ve kayıp modülü eşit olacak, noktayı belirten hangimalzeme (yani, viskoz özellikleri örnek davranış hakim) akmaya başlar. Bu tarifnamede açıklandığı gibi ölçülen beyin dokusu durum için, enstrümantasyon fiziksel kısıtlamalar daha yüksek bir frekansa da malzeme özelliklerini ölçmek için izin yoktur. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/54201/54201fig1.jpg" /> Şekil AFM etkin bozulma uyumu 1. İllüstrasyon ve kuvvet gevşeme deneyleri. (A) AFM etkin girinti serbest ucuna bağlanmış mikro yarıçapı nano bir küresel boncuk ile esnek bir konsol kullanılarak yapılır. Girinti sırasında (B), konsol sapma lazer konsol ve bir fotodiyot üzerine sonunu yansıyan kullanılarak ölçülür. (C) Kuvvet gevşeme deneyleri, sürekli uygulanan derinliğe kadar konsol girinti tarafından yürütülen ise res kuvvet çürümezamana pect ölçülür. (D) Sürünme uyum tedbirleri sürekli uygulanan kuvvet ile konsolun değişen girinti derinliği. (C) ve (D) beş bölgede (yeşil metin) ayrılmıştır: Örnek yüzeye AFM probu (1) Yaklaşım, (2) numune ile temas ve set girinti / kuvvet kadar rampa, (3) set girinti / kuvvet bakım, (4) rampa aşağı ve numune yüzeyinden AFM prob (5) geri çekilme. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54201/54201fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="şekil 2" src="/files/ftp_upload/54201/54201fig2.jpg" /> Darbe girinti deneyleri Şekil 2. İllüstrasyon. Darbe girinti (A) şematik, tamamen hidratlanmış koşullarda deneyler yeteneğini gösteren. (B) repres<html> Bir fare beyin dilim ve karşılık gelen hız profilinden toplanmıştır zamanın bir fonksiyonu olarak entative prob değiştirme profili. Anahtar ölçülen deplasman ve gösterilir enerji dağılımını ölçmek için kullanılan hesaplanmış hız parametreleri. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54201/54201fig2large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 3," src="/files/ftp_upload/54201/54201fig3.jpg" /> Paralel plaka reometre deneyleri Şekil 3. İllüstrasyon. Paralel plakalı reometre deney ve uygulamalı osilatör kesme suşu ile ilgili tanımların (A) şematik. (B) Örnek zamanın bir fonksiyonu olarak gerginlik ve elde edilen stres uygulanmış. Kayma depolama modülü G &#39;ve kesme kayıp modülü G &quot;gerilme genliği ile hesaplanır54201 / 54201eq12.jpg &quot;/&gt;, tork genlik T &#39;0, faz gecikmesi <img alt="denklem 1" src="/files/ftp_upload/54201/54201eq13.jpg" /> Prob ve örnek yarıçapı R, ve örnek yüksekliği h. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54201/54201fig3large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 4," src="/files/ftp_upload/54201/54201fig4.jpg" /> Şekil 4. Temsilcisi sürünme uyum veri ve kuvvet gevşeme deneyleri. (A, B) Şekil 1&#39;de ham verilerden, ilgi bir bölge uygulanan kuvveti süresi gibi sürünme uyumu için tanımlanan sabit (A) kalır girinti derinliği ise (B) ölçülür. (A) ilave AFM piezo açamadı başarısız bir deney verileri gösteriruygulanan kuvveti ve (B) &#39;de girintisini sağlamak için (B)&#39; de gösterildiği başarılı deney verileri ile benzer olan karşılık gelen girinti tepkisini gösterir. Uygulanan kuvvet veri ölçülen girinti ve prob geometrisi bilgisi ile (C), bozulma uyumu J, C (t) hesaplanır. Zamana karşı kuvveti (E) ölçülür kuvvetin gevşeme (D, E), girinti derinliği, sabit (D) yapılır. Bu veriler kullanılarak (F), kuvvet gevşeme modülü G R (t) hesaplanabilir. Sünme uyum ve kuvvet gevşeme deneyleri gibi korpus kallosum (kırmızı) ve korteks (mavi) olarak beynin anatomik farklı bölgelerinde, üzerinde yapılabilir. (C, F) veri n = 5 fareden ölçümün bir ortalamasıdır. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54201/54201fig4large.jpg" target="_blank">Tiklayiniz lütfen</a>Bu rakamın büyük halini görmek için buraya k. <img alt="Şekil 5," src="/files/ftp_upload/54201/54201fig5.jpg" /> Fare beyin dokusu Şekil etkisi girinti deneylerinden 5. Temsilcisi verileri. Maksimum penetrasyon derinlik x max, enerji sönümleme kapasitesi K, ve dağıtma kalite faktörü Q farklı etki hızlarda elde edilen ham deplasman profilleri hesaplanır. Veriler (n = nokta başına 18 çoğaltmak ölçümleri) olarak ortalama ± standart sapma temsil edilmektedir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54201/54201fig5large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> <img alt="Şekil 6," src="/files/ftp_upload/54201/54201fig6.jpg" /> Reometre deneylerinden elde edilen Şekil 6. Temsilcisi verileri. Depolama G &#39;vekayıp G &#39;&#39; domuz beyinleri koronal dilim miyarları. miktar tanδ depolama modülü kayıp oranı olarak hesaplanır. Veriler (n = nokta başına 4 suret ölçümler) olarak ortalama ± standart sapma temsil edilmektedir. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/54201/54201fig6large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry at JoVE.com

Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry

We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.

Atomik Kuvvet Mikroskobu, Darbe girinti ve reometre kullanarak Beyin Doku Ölçekli Mekanik Özellikleri karakterize

To design and engineer materials inspired by the properties of the brain, whether for mechanical simulants or for tissue regeneration studies, the brain ...

characterizing-multiscale-mechanical-properties-brain-tissue-using

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

12.3K Görüntüleme.  Massachusetts Institute of Technology. We present a set of techniques to characterize the viscoelastic mechanical properties of brain at the micro-, meso-, and macro-scales.

Video: Characterizing Multiscale Mechanical Properties of Brain Tissue Using Atomic Force Microscopy, Impact Indentation, and Rheometry

Measuring the Mechanical Properties of Living Cells Using Atomic Force Microscopy

Mechanical properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many biological processes including stem cell differentiation, tumor formation, and wound healing. Changes in stiffness of cells and ECM are often signs of changes in cell physiology or diseases in tissues. Hence, cell stiffness is an index to evaluate the status of cell cultures. Among the multitude of methods applied to measure the stiffness of cells and tissues, micro-indentation using an Atomic Force Microscope (AFM) provides a way to reliably measure the stiffness of living cells. This method has been widely applied to characterize the micro-scale stiffness for a variety of materials ranging from metal surfaces to soft biological tissues and cells. The basic principle of this method is to indent a cell with an AFM tip of selected geometry and measure the applied force from the bending of the AFM cantilever. Fitting the force-indentation curve to the Hertz model for the corresponding tip geometry can give quantitative measurements of material stiffness. This paper demonstrates the procedure to characterize the stiffness of living cells using AFM. Key steps including the process of AFM calibration, force-curve acquisition, and data analysis using a MATLAB routine are demonstrated. Limitations of this method are also discussed.

This paper demonstrates a protocol to characterize the mechanical properties of living cells by means of microindentation using an Atomic Force Microscope (AFM).

Atomik Kuvvet Mikroskobu kullanarak Yaşam Hücrelerinin Mekanik Özellikleri Ölçme

Mechanical  properties of cells and extracellular matrix (ECM) play important roles in many  biological processes including stem cell differentiation, ...

Biyomühendislik

Quantitative Hardness Measurement by Instrumented AFM-indentation

In this work, a combination of amplitude-modulated non-contact atomic force microscopy and atomic force spectroscopy is applied for instrumented hardness measurements on an Au(111) surface with atomistic resolution of single plasticity events. A careful experimental procedure is described that includes the force sensor selection, its calibration, the calibration of the cantilever deflection detection system, and the minimization of instrumental drift for accurate and reproducible force-distance measurements. Also, a method for the data analysis is presented that allows the extraction of force-penetration curves from recorded force-distance curves. A typical curve displays a clear elastic deformation regime up to the first plasticity event, or pop-in, with a length in the range of one to two Burger's vectors. Later plasticity events exhibit the same magnitude. The work of plasticity is further extracted from the measurements. Finally, the hardness is determined in combination with the indentation curve using non-contact atomic force microscopy images of the remaining indents.

This experimental protocol describes how atomic force microscopy can be used to measure hardness at the true nanometer scale and to detect single atomistic plasticity events.

Enstrumanlı AFM-girinti Kantitatif Sertlik Ölçümü

In this work, a combination of amplitude-modulated non-contact atomic force microscopy and atomic force spectroscopy is applied for instrumented hardness ...

Mühendislik

Characterization Of Multi-layered Fish Scales (Atractosteus spatula) Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle shells provides unique design principles with potentials for guiding the design of protective materials and systems in the future. Understanding the structure-property relationships for these material systems at the microscale and nanoscale where failure initiates is essential. Currently, experimental techniques such as nanoindentation, X-ray CT, and SEM provide researchers with a way to correlate the mechanical behavior with hierarchical microstructures of these material systems1-6. However, a well-defined standard procedure for specimen preparation of mineralized biomaterials is not currently available. In this study, the methods for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of A. spatula using nanoindentation, FTIR, SEM, with energy-dispersive X-ray (EDX) microanalysis, and X-ray CT are presented.

Characterization Of Multi-layered Fish Scales Atractosteus spatula Using Nanoindentation, X-ray CT, FTIR, and SEM

This paper presents the methods used for probing spatially correlated chemical, structural, and mechanical properties of the multilayered scale of Atractosteus spatula (A. spatula) using nanoindentation, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray computed tomography (X-ray CT). The experimental results have been used to investigate the design principles of protective biological materials.

Çok katmanlı Balık Ölçekler (Of Karakterizasyonu<em&gt; Atractosteus spatula</em&gt;) Nanoindentation, X-ray CT, FTIR ve SEM kullanma

The hierarchical architecture of protective biological materials such as mineralized fish scales, gastropod shells, ram&#8217;s horn, antlers, and turtle ...

Atomic Force Microscopy Cantilever-Based Nanoindentation: Mechanical Property Measurements at the Nanoscale in Air and Fluid

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by the probe tip and its contact area with the sample can be quantified, it is possible to determine the nanoscale mechanical properties (e.g., elastic or Young&#39;s modulus) of the surface being probed. A detailed procedure for performing quantitative AFM cantilever-based nanoindentation experiments is provided here, with representative examples of how the technique can be applied to determine the elastic moduli of a wide variety of sample types, ranging from kPa to GPa. These include live mesenchymal stem cells (MSCs) and nuclei in physiological buffer, resin-embedded dehydrated loblolly pine cross-sections, and Bakken shales of varying composition.
Additionally, AFM cantilever-based nanoindentation is used to probe the rupture strength (i.e., breakthrough force) of phospholipid bilayers. Important practical considerations such as method choice and development, probe selection and calibration, region of interest identification, sample heterogeneity, feature size and aspect ratio, tip wear, surface roughness, and data analysis and measurement statistics are discussed to aid proper implementation of the technique. Finally, co-localization of AFM-derived nanomechanical maps with electron microscopy techniques that provide additional information regarding elemental composition is demonstrated.

Quantifying the contact area and force applied by an atomic force microscope (AFM) probe tip to a sample surface enables nanoscale mechanical property determination. Best practices to implement AFM cantilever-based nanoindentation in air or fluid on soft and hard samples to measure elastic modulus or other nanomechanical properties are discussed.

Atomik Kuvvet Mikroskobu Konsol Tabanlı Nanogirinti: Hava ve Sıvıda Nanoölçekte Mekanik Özellik Ölçümleri

An atomic force microscope (AFM) fundamentally measures the interaction between a nanoscale AFM probe tip and the sample surface. If the force applied by ...

Micro-Mechanical Characterization of Lung Tissue Using Atomic Force Microscopy

Matrix stiffness strongly influences growth, differentiation and function of adherent cells1-3. On the macro scale the stiffness of tissues and organs within the human body span several orders of magnitude4. Much less is known about how stiffness varies spatially within tissues, and what the scope and spatial scale of stiffness changes are in disease processes that result in tissue remodeling. To better understand how changes in matrix stiffness contribute to cellular physiology in health and disease, measurements of tissue stiffness obtained at a spatial scale relevant to resident cells are needed. This is particularly true for the lung, a highly compliant and elastic tissue in which matrix remodeling is a prominent feature in diseases such as asthma, emphysema, hypertension and fibrosis. To characterize the local mechanical environment of lung parenchyma at a spatial scale relevant to resident cells, we have developed methods to directly measure the local elastic properties of fresh murine lung tissue using atomic force microscopy (AFM) microindentation. With appropriate choice of AFM indentor, cantilever, and indentation depth, these methods allow measurements of local tissue shear modulus in parallel with phase contrast and fluorescence imaging of the region of interest. Systematic sampling of tissue strips provides maps of tissue mechanical properties that reveal local spatial variations in shear modulus. Correlations between mechanical properties and underlying anatomical and pathological features illustrate how stiffness varies with matrix deposition in fibrosis. These methods can be extended to other soft tissues and disease processes to reveal how local tissue mechanical properties vary across space and disease progression.

The stiffness of the extracellular matrix strongly influences multiple behaviors of adherent cells. Matrix stiffness varies spatially throughout a tissue, and undergoes modification in various disease conditions. Here we develop methods to characterize spatial variations in stiffness in normal and fibrotic mouse lung tissue using atomic force microscopy microindentation.

Atomik Kuvvet Mikroskobu kullanarak Akciğer Doku Mikro-Mekanik Karakterizasyonu

Matrix stiffness strongly influences growth, differentiation and function of adherent cells1-3.  On the macro scale the stiffness of tissues and organs ...

Biyoloji

Application of Atomic Force Microscopy to Detect Early Osteoarthritis

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in elasticity can propagate or trigger the onset of major diseases like cancer or osteoarthritis (OA). Atomic force microscopy (AFM) has emerged as a strong tool to qualitatively and quantitatively characterize the biomechanical properties of specific biological target structures on a microscopic scale, measuring forces in a range from as small as the piconewton to the micronewton. Biomechanical properties are of special importance in musculoskeletal tissues, which are subjected to high levels of strain. OA as a degenerative disease of the cartilage results in the disruption of the pericellular matrix (PCM) and the spatial rearrangement of the chondrocytes embedded in their extracellular matrix (ECM). Disruption in PCM and ECM has been associated with changes in the biomechanical properties of cartilage. In the present study we used AFM to quantify these changes in relation to the specific spatial pattern changes of the chondrocytes. With each pattern change, significant changes in elasticity were observed for both the PCM and ECM. Measuring the local elasticity thus allows for drawing direct conclusions about the degree of local tissue degeneration in OA.

We present a method to investigate early osteoarthritic changes at the cellular level in articular cartilage by using atomic force microscopy (AFM).

Erken Osteoartrit tespit etmek için Atomik Kuvvet Mikroskobu Uygulaması

Biomechanical properties of cells and tissues not only regulate their shape and function but are also crucial for maintaining their vitality. Changes in ...

Near Simultaneous Laser Scanning Confocal and Atomic Force Microscopy (Conpokal) on Live Cells

Techniques available for micro- and nano-scale mechanical characterization have exploded in the last few decades. From further development of the scanning and transmission electron microscope, to the invention of atomic force microscopy, and advances in fluorescent imaging, there have been substantial gains in technologies that enable the study of small materials. Conpokal is a portmanteau that combines confocal microscopy with atomic force microscopy (AFM), where a probe &#8220;pokes&#8221; the surface. Although each technique is extremely effective for the qualitative and/or quantitative image collection on their own, Conpokal provides the capability to test with blended fluorescence imaging and mechanical characterization. Designed for near simultaneous confocal imaging and atomic force probing, Conpokal facilitates experimentation on live microbiological samples. The added insight from paired instrumentation provides co-localization of measured mechanical properties (e.g., elastic modulus, adhesion, surface roughness) by AFM with subcellular components or activity observable through confocal microscopy. This work provides a step by step protocol for the operation of laser scanning confocal and atomic force microscopy, simultaneously, to achieve same cell, same region, confocal imaging, and mechanical characterization.

Near Simultaneous Laser Scanning Confocal and Atomic Force Microscopy Conpokal on Live Cells

Presented here is the protocol of the Conpokal technique, which combines confocal and atomic force microscopy into a single instrument platform. Conpokal provides same cell, same region, near simultaneous confocal imaging and mechanical characterization of live biological samples.

Canlı Hücrelerde Eşzamanlı Lazer Tarama Konfokal ve Atomik Kuvvet Mikroskobu (Conpokal) Yakınında

Techniques available for micro- and nano-scale mechanical characterization have exploded in the last few decades. From further development of the scanning ...

Experimental and Data Analysis Workflow for Soft Matter Nanoindentation

Nanoindentation refers to a class of experimental techniques where a micrometric force probe is used to quantify the local mechanical properties of soft biomaterials and cells. This approach has gained a central role in the fields of mechanobiology, biomaterials design&#160;and tissue engineering, to obtain a proper mechanical characterization of soft materials with a resolution comparable to the size of single cells (&#956;m). The most popular strategy to acquire such experimental data is to employ an atomic force microscope (AFM); while this instrument offers an unprecedented resolution in force (down to pN) and space (sub-nm), its usability is often limited by its complexity that prevents routine measurements of integral indicators of mechanical properties, such as Young&#39;s Modulus (E). A new generation of nanoindenters, such as those based on optical fiber sensing technology, has recently gained popularity for its ease of integration while allowing to apply sub-nN forces with &#181;m spatial resolution, therefore being suitable to probe local mechanical properties of hydrogels and cells.
In this protocol, a step-by-step guide detailing the experimental procedure to acquire nanoindentation data on hydrogels and cells using a commercially available ferrule-top optical fiber sensing nanoindenter is presented. Whereas some steps are specific to the instrument used herein, the proposed protocol can be taken as a guide for other nanoindentation devices, granted some steps are adapted according to the manufacturer&#39;s guidelines. Further, a new open-source Python software equipped with a user-friendly graphical user interface for the analysis of nanoindentation data is presented, which allows for screening of incorrectly acquired curves, data filtering, computation of the contact point through different numerical procedures, the conventional computation of E, as well as a more advanced analysis particularly suited for single-cell nanoindentation data.

The protocol presents a complete workflow for soft material nanoindentation experiments, including hydrogels and cells. First, the experimental steps to acquire force spectroscopy data are detailed; then, the analysis of such data is detailed through a newly developed open-source Python software, which is free to download from GitHub.

Yumuşak Madde Nanoindentasyonu için Deneysel ve Veri Analizi İş Akışı

Nanoindentation refers to a class of experimental techniques where a micrometric force probe is used to quantify the local mechanical properties of soft ...

Addressing Practical Issues in Atomic Force Microscopy-Based Micro-Indentation on Human Articular Cartilage Explants

Without a doubt, atomic force microscopy (AFM) is currently one of the most powerful and useful techniques to assess micro and even nano-cues in the biological field. However, as with any other microscopic approach, methodological challenges can arise. In particular, the characteristics of the sample, sample preparation, type of instrument, and indentation probe can lead to unwanted artifacts. In this protocol, we exemplify these emerging issues on healthy as well as osteoarthritic articular cartilage explants. To this end, we first show via a step-by-step approach how to generate, grade, and visually classify ex vivo articular cartilage discs according to different stages of degeneration by means of large 2D mosaic fluorescence imaging of the whole tissue explants. The major strength of the ex vivo model is that it comprises aged, native, human cartilage that allows the investigation of osteoarthritis-related changes from early onset to progression. In addition, common pitfalls in tissue preparation, as well as the actual AFM procedure together with the subsequent data analysis, are also presented. We show how basic but crucial steps such as sample preparation and processing, topographic sample characteristics caused by advanced degeneration, and sample-tip interaction can impact data acquisition. We also subject to scrutiny the most common problems in AFM and describe, where possible, how to overcome them. Knowledge of these limitations is of the utmost importance for correct data acquisition, interpretation, and, ultimately, the embedding of findings into a broad scientific context.

We present a step-by-step approach to identify and address the most common problems associated with atomic force microscopy micro-indentations. We exemplify the emerging problems on native human articular cartilage explants characterized by various degrees of osteoarthritis-driven degeneration.

İnsan Eklem Kıkırdak Eksplantlarında Atomik Kuvvet Mikroskobu Tabanlı Mikro Girintide Pratik Konuların Ele Alınması

Without a doubt, atomic force microscopy (AFM) is currently one of the most powerful and useful techniques to assess micro and even nano-cues in the ...

Extracting the Young's Modulus of Native Murine Pulmonary Basement Membranes from Atomic Force Microscopy Derived Force Maps

Atomic force microscopy (AFM) allows the characterization of the mechanical properties of a sample with a spatial resolution of several tens of nanometers. Because mammalian cells sense and react to the mechanics of their immediate microenvironment, the characterization of biomechanical properties of tissues with high spatial resolution is crucial for understanding various developmental, homeostatic, and pathological processes. The basement membrane (BM), a roughly 100 - 400 nm thin extracellular matrix (ECM) substructure, plays a significant role in tumor progression and metastasis formation. Although determining Young&#39;s modulus of such a thin ECM substructure is challenging, biomechanical data of the BM provides fundamental new insights into how the BM affects cell behavior and, in addition, offers valuable diagnostic potential. Here, we present a visualized protocol for assessing BM mechanics in murine lung tissue, which is one of the major organs prone to metastasis. We describe an efficient workflow for determining the Young&#39;s modulus of the BM, which is located between the endothelial and epithelial cell layers in lung tissue. The step-by-step instructions comprise murine lung tissue freezing, cryosectioning, and AFM force-map recording on tissue sections. Additionally, we provide a semi-automatic data analysis procedure using the CANTER Processing Toolbox, an in-house developed user-friendly AFM data analysis software. This tool enables automatic loading of recorded force maps, conversion of force versus piezo-extension curves to force versus indentation curves, computation of Young&#39;s moduli, and generation of Young&#39;s modulus maps. Finally, it shows how to determine and isolate Young&#39;s modulus values derived from the pulmonary BM through the use of a spatial filtering tool.

This protocol visualizes how to prepare cryosections of murine lung tissue, perform atomic force microscopy force map experiments, and analyze the data to determine Young's modulus of the native murine pulmonary basement membrane.

Atomik Kuvvet Mikroskobu, Darbe girinti ve reometre kullanarak Beyin Doku Ölçekli Mekanik Özellikleri karakterize

Özet

Daha Fazla Video Keşfet