Mekanisk karaktärisering av p56-hjärnan under stor deformation dynamisk intryck | vetenskapliga rapporter

Mekanisk karaktärisering av p56-hjärnan under stor deformation dynamisk intryck | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Biomedicinsk forskning
  • Biofysiska modeller
  • vävnader

Abstrakt

Hjärnan är ett komplext organ som består av många olika funktionella och strukturella regioner som består av olika typer av celler som neuroner och glia, såväl som komplexa anatomiska geometrier. Det antas att de olika regionerna i hjärnan uppvisar signifikant olika mekaniska egenskaper, vilket kan tillskrivas mångfalden av celler och anisotropi av neuronfibrer inom enskilda hjärnregioner. De regionala dynamiska mekaniska egenskaperna hos P56-hjärnvävnad i mus in vitro och in situ vid hastigheter av 0, 71–4, 28 mm / s, upp till en deformation på 70 μm presenteras och diskuteras i samband med traumatisk hjärnskada. De experimentella data som erhölls från mikroindikationsmätningar passade till tre hyperelastiska materialmodeller med användning av den omvända Finite Element-metoden. Hjärnbarken framkallade ett styvare svar än småhjärn-, thalamus- och medulla oblongata-regionerna för alla hastigheter. Talamusen visade sig vara den minst känsliga för förändringar i hastighet och medulla oblongata var mest kompatibla. Resultaten visar att olika regioner av mushjärnan har betydande olika mekaniska egenskaper, och en betydande skillnad finns också mellan in vitro och in situ hjärnan.

Introduktion

Traumatisk hjärnskada (TBI) är en viktig dödsorsak och funktionshinder i hela världen och står för 1, 7 miljoner skador, 275 000 sjukhusinläggningar och 50 000 dödsfall i USA varje år 1 . I Europa är skador den främsta dödsorsaken mellan 15 och 44 år, med trafikolyckor i södra Europa och fall relaterade till alkoholkonsumtion i Nordeuropa som utgör huvuddelen av dessa fall, och med huvudtrauma står för majoriteten av trauma relaterade dödsfall 2 . TBIs 3: s höga förekomst, fysiska och socioekonomiska påverkan har inneburit att det är ett viktigt fokusområde för forskning med många laboratorier som skapar detaljerade 3D Finite Element-modeller av huvud och hjärna 4, 5, 6, 7 . Dessa modeller används för att undersöka effekterna som påfrestningar och påfrestningar har på hjärnan och för att identifiera vilka områden i hjärnan som utsätts för maximala värden på stress och belastning. Hjärnan är emellertid ett komplext organ som består av många olika funktionella och strukturella regioner som består av olika typer av celler såsom neuroner och glia, såväl som komplexa anatomiska geometrier 8 . Det antas att de olika regionerna i hjärnan uppvisar signifikant olika mekaniska egenskaper, vilket kan tillskrivas mångfalden av celler och anisotropi av neuronfibrer inom enskilda hjärnregioner. Nuvarande datorsimuleringsmodeller saknar exakta konstitutiva data om hjärnans enskilda regioner med dynamiska belastningsfrekvenser som är jämförbara med dem som upplevdes under traumatiska händelser. Dessa data krävs för att korrekt förutsäga de spänningar och stammar som produceras i hjärnan under dessa scenarier och för att förutse vilka regioner som är mest mottagliga för mekanisk skada.

Den nuvarande forskningen presenterar vävnadsnivå hyperelastisk konstitutiv data för musen cortex, cerebellum, thalamus och medulla, under stor deformation dynamisk intryck med hjälp av en specialbyggd mikroindikeringsapparat (fig 1). Indikationsställen markeras i fig. 2. Hyperelastiska modeller används för att bestämma det icke-linjära kraftförskjutningsresponset hos mushjärnvävnad med olika hastigheter, med användning av en invers Finite Element (FE) -metod (fig. 3), hyperelastiska data som rapporteras här kan vara används med befintliga viskoelastiska data för att modellera mushjärnvävnad vid dessa deformationshastigheter. Indragning presenteras som en idealisk laddningsmodalitet för att studera hjärntrauma. De spänningsfält som uppstår i vävnaden på grund av dessa fördjupningar är en kombination av tryckkraft, dragkraft och skjuvkrafter, och liknar de som uppstår under huvudpåverkan 9, 10, 11, 12, 13 och de krafter som appliceras på hjärnan med kirurgisk utrustning. Det har emellertid varit lite publicerat arbete om hjärnvävnadens mikroskalaegenskaper med hjälp av mikroindragningsmetoden för att karakterisera det lokala hyperelastiska svaret från olika hjärnregioner med dynamiska hastigheter.

Image

( a ) Schematisk diagram över testapparater, ( b ) FemtoTools FTS-10000 Microforce Sensing Probe, detaljerad i MacManus (2015) 39 .

Bild i full storlek

Image

Indragningar utfördes till ett djup av 70 mikrometer vid 0, 71, 2, 14 och 4, 28 mm / s på ytorna av hjärnbarken, cerebellum och medulla oblongata. Mushjärnan delades sedan genom mittlinjesprickan för att exponera thalamusvävnaden för intryck. Pilarna indikerar riktningen att indragningen utfördes för cortex, cerebellum och medulla oblongata. Talamusen var inrymd i det sagittala planet.

Bild i full storlek

Image

Bild i full storlek

Här presenteras den första mekaniska karaktäriseringsstudien av det dynamiska, hyperelastiska svaret för olika regioner av P56-mushjärnan, under stor deformation intryck, in vitro och in situ . Indragningar utförs med hastigheter mellan 0, 71–4, 28 mm / s, jämförbara med de i både kirurgiska och traumatiska hjärnskador. Kraftförskjutningsdata registrerade från experiment är anpassade till tre hyperelastiska materialmodeller (Neo-Hookean, Mooney-Rivlin och Ogden) med användning av den omvända Finite Element-metoden. Dessa konstitutiva modeller valdes baserat på deras utbredda användning i biomechanics community 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18 och enkel implementering i Finite Element-program. Modellerna använder en spänningsenergitäthetsfunktion för att relatera stress och belastning. Neo-Hookean-modellen använder materialparametern C 10, där μ = 2C 10, och Mooney-Rivlin-modellen använder parametrarna C 10 och C 01, där μ = 2 (C 10 + C 01 ), och μ är skjuvmodulen . Skjuvmodulen används för att tolka styvheten hos ett prov och kan användas i materialmodeller för att beskriva deformationsprocessen för ett material under applicerade krafter. För en djupgående diskussion om elasticitet och hyperelastiska modeller som används på mjukvävnadsmekanik hänvisas läsarna till någon annanstans 10, 11, 14, 19, 20 . De här rapporterade materialparametrarna, tillsammans med tidigare rapporterade viskoelastiska data 10, kan implementeras i datormodeller av mushuvudet och hjärnan för att ge en approximation av effekten som trauma har på de enskilda regionerna i organet.

Resultat

Kraftförskjutningsbeteende hos mushjärnvävnad

Totalt användes 180 möss i denna studie; tio möss användes för varje hastighet och region. Indragningar utfördes med hastigheter av 0, 71, 2, 14 och 4, 28 mm / s på hjärnbarken, cerebellum, thalamus och medulla oblongata av P56 blandade könsmöss. Dessa platser valdes på grund av deras vitala fysiologiska och psykologiska betydelse för livskvalitet och för att redovisa regionala skillnader i hjärnvävnadens mekaniska egenskaper. Oberoende indragningar utfördes också på cortex och cerebellum in situ för att undersöka om skillnader mellan in vitro och in situ vävnad existerar. Data från kraftförskjutningskurvor analyserades upp till en 70 μm förskjutning för varje experiment (fig. 4) för att undersöka hjärnvävnadens olinjära belastningsrespons. Resultaten visar en ökning av reaktionskraften hos vävnaden med ökande hastighet vilket belyser vävnadens hastighetsberoende egenskaper. Varje region visar sin egen unika hastighetseffektrespons, varvid medulla är mest känslig för förändringar i hastighet och thalamus är minst känslig. Medulla var indragad vinkelrätt mot fiberriktningen och visade sig vara den mest kompatibla av de uppmätta hjärnregionerna. Cortex in situ var mindre känsligt för förändringar i hastighet och producerade större reaktionskrafter med varje hastighet jämfört med in vitro cortex. Omvänt uppvisar cerebellum in situ en starkare hastighetseffekt jämfört med in vitro- cerebellum; emellertid är reaktionskrafterna jämförbara med varje hastighet. Det framgår av kraftförskjutningskurvorna att vart och ett av de undersökta regionerna har unika svar på de mekaniska krafterna och även på hastigheten för dessa applicerade krafter, vilket antyder att vissa områden i hjärnan kan vara mer mottagliga för trauma än andra.

Image

Även visas de individuella kraftförskjutningskurvorna för in situ cortex och cerebellum för samma hastigheter. De olika reaktionerna i de enskilda regionerna på mekaniska belastningar framgår av denna graf. Det som är mest anmärkningsvärt är de betydligt större krafterna som registrerats från hjärnbarken in vitro och in situ med högre hastigheter jämfört med de andra undersökta regionerna.

Bild i full storlek

Mekanisk karakterisering av musvävnad, in vitro

Kraftförskjutningsdata från experimentet passade till tre hyperelastiska materialmodeller, Neo-Hookean, Mooney-Rivlin, Ogden, för varje region och varje hastighet med användning av den omvända Finite Element-metoden. Vävnadens skjuvmodul för alla regioner ökade med en ökande hastighet, vilket visar vävnadens hastighetsberoendeegenskap. Hjärnbarken har skjuvmodulvärden av 2, 22, 5, 26 och 6, 72 kPa vid 0, 71, 2, 14 respektive 4, 28 mm / s (fig. 5a), vilket motsvarar en total ökning på 67% mellan de lägsta och högsta hastigheterna. Cerebellum, thalamus och medulla upplever totala ökningar på 56%, 11% och 71% i uppenbara skjuvmoduler. Tabell 1 visar materialparametrarna för de tre hyperelastiska materialmodellerna till vilka data passade in; Neo-Hookean, Mooney-Rivlin och Ogden. Uppgifterna i tabell 1 är in vitro- data om inget annat anges. Var och en av modellerna uppnådde en utmärkt passform med data, R 2 > 0, 9 för alla modeller. Men Ogden-modellen uppnådde en marginellt bättre passform än de andra. Detta beror på den icke-linjära parametern, a, som redovisar den icke-linjära kraften för kraftförskjutningskurvor. De flesta regioner som passade med Ogden-modellen uppnådde ett R 2- värde på 0, 999. Modellen med det lägsta R2-värdet (0, 976) var för 4, 28 mm / s cortexdata när den passade till Mooney-Rivlin-modellen. ANOVA med ett post hoc-test genomfördes för att jämföra skjuvmodulvärdena för varje region för att bestämma om det finns en statistiskt signifikant skillnad mellan hjärnregionerna. En signifikant skillnad hittades mellan de undersökta regionerna och rapporteras i fig. 5b. In vitro- regioner som inte var signifikant olika bestod av cerebellum och thalamus vid alla hastigheter, medulla och thalamus vid 2, 14 och 4, 28 mm / s, och cerebellum och medulla vid 4, 28 mm / s. Alla andra regioner var signifikant olika för alla hastigheter in vitro , vilket tillfredsställer hypotesen att hjärnregioner har sina egna unika mekaniska egenskaper.

Image

( A ) Jämförelse av skjuvmodul för thalamus, medulla och in vitro och in situ (IS) cortex och cerebellum. Varje regions unika materialegenskaper presenteras tydligt här. Även tydlig är skillnaden mellan mekaniska egenskaper mellan vävnaderna in vitro och in situ under dynamiska hastigheter. ( B ) * representerar ett statistiskt signifikant resultat från ANOVA post-hoc-test, - representerar en obetydlig skillnad. Varje region jämförs med de andra regionerna för motsvarande hastigheter. Väsentliga skillnader mellan hastigheter i samma region presenteras inte.

Bild i full storlek

Full storlek bord

Mekanisk karakterisering av musvävnad, in situ

Kraftförskjutningskurvorna in situ passade till samma hyperelastiska materialmodeller som in vitro- data. Emellertid kunde endast cortex- och cerebellumregionerna undersökas med hjälp av denna metod. Det finns en uppenbar skillnad mellan det mekaniska svaret på in situ och in vitro- hjärnvävnad, vilket är mest anmärkningsvärt och som tidigare har rapporterats för cortex 21, 22, 23, men till det bästa av författarnas kunskap har det inte rapporterats några rapporter på cerebellumvävnad in situ .

Cortexvävnaden upplever en ökning av den uppenbara skjuvmodulen på 51%, 20% och 10% mellan in vitro- och in situ- miljöer med 0, 71, 2, 14 respektive 4, 28 mm / s. Omvänt uppvisar cerebellum initialt en 70% ökning i skjuvmodul mellan in vitro- och in situ- fall för 0, 71 mm / s. Emellertid upplevs en minskning med 8% och 5% av de uppenbara skjuvmodulema av cerebellum vid 2, 14 respektive 4, 28 mm / s.

Tabell 1 innehåller de mekaniska egenskaperna för in situ cortex och cerebellum för modellerna av Neo-Hookean, Mooney-Rivlin och Ogden. Sammantaget uppnådde varje modell en utmärkt anpassning till experimentdata; det lägsta R2-värdet var för cerebellum med ett värde av 0, 990 för 4, 28 mm / s Neo-Hookean-data. Skillnaderna i uppenbara skjuvmoduler för givna hastigheter presenteras grafiskt i fig. 5a. Figur 5b visar de statistiskt signifikanta skillnaderna mellan de undersökta regionerna. För data in situ var endast 0, 71 mm / s in situ cortex signifikant annorlunda från in vitro cortex data. Cortex in situ var signifikant olika från cerebellum in situ och alla andra in vitro- regioner för varje hastighet. Hjärnan på plats var också signifikant olika jämfört med in vitro- cerebellumdata för 0, 71 mm / s. Det framgår av dessa diagram (fig. 5a, b) att hjärnans olika regioner har betydande olika mekaniska egenskaper.

Diskussion

Den nuvarande studien presenterar de lokala mekaniska egenskaperna för in vitro och P56-hjärnvävnad i mus med dynamiska hastigheter som har antagits för att orsaka skada, dvs> 10 / s töjningshastighet och> 10% stam 10 . Mikroindragningsförsök genomfördes på cortex, cerebellum, thalamus och medulla oblongata (fig. 2). Hastigheter i området 0, 71–4, 28 mm / s applicerades lokalt på dessa regioner för att undersöka de regionala skillnaderna i mekaniska egenskaper vid tillämpningen av dynamisk belastning. De resulterande skjuvmodulema för vävnaden ökar med ökande hastighet såsom visas i fig. 5a, vilket överensstämmer med tidigare studier 10, 11, 14 . För in vitro- studien konstaterades det att varje region hade ett unikt svar på den applicerade mekaniska belastningen, varvid hjärnbarken var den styvaste hjärnregionen som undersöktes med värden som överensstämmer med de som tidigare rapporterats för in vivo muscortex 24 . Talamusen var mer kompatibel än cortex och cerebellum men var styvare än medulla, som var den mest kompatibla av de undersökta regionerna, vilket är i överensstämmelse med tidigare resultat rapporterade om råtta och svinhjärnor 25, 26 . Emellertid befanns cerebellum vara relativt styvare i den musmodell som presenteras här, jämfört med svin- och råttmodellerna 25, 26, och mindre styva i förhållande till cortex, vilket överensstämmer med de viskoelastiska egenskaperna hos humant cerebellum och cortexdata rapporterade tidigare 27 . Den relativa regionala styvheten hos mushjärnan är jämförbar med den hos råttahjärnan som rapporterats av Finan et al. 28, där cortex var en av de styvaste regionerna, visade sig att thalamus var mindre styv än cortex men styvare än medulla (hjärnstam), i överensstämmelse med de resultat som rapporterades här. I råttmodellen rapporteras emellertid cerebellum som den mest kompatibla regionen, medan det för musmodellen är medulla som visade sig vara den mjukaste regionen. Tidigare studier har också visat att thalamus framkallar ett styvare svar jämfört med cortex i svin och mänsklig hjärna 29, 30, vilket är oförenligt med data från mus och råttor. Medulla visade sig också vara den mest känsliga för hastighetsförändringar med en total ökning av skjuvmodulen på 71%, medan talamusen visade sig vara den minst känsliga för förändringar i hastighet med en total ökning av skjuvmodulen på 11% mellan 0, 71 och 4, 28 mm / s. Detta kan vara ett drag i att skära upp hjärnvävnaden som krävs för att komma åt detta område, medan alla andra regioner var indragna på deras yttre ytor. Emellertid antyder detta för närvarande att talamusen är svagt viskoelastisk och bör undersökas vidare i samband med dess mechano-patofysiologi. Thalamus 'låga hastighetseffekt är särskilt betydande i samband med repetitiv hjärnskakning, som diskuterats av Smith et al. 31 . Uppgifterna rapporterade här, presenterade i tabell 1, stöder hypotesen att olika regioner i hjärnan har betydande olika mekaniska egenskaper (fig. 5) och framkallar sina egna unika svar på tillämpningen av mekaniska krafter (fig. 4).

Cortexvävnaden in situ (4, 58 ± 0, 28, 6, 60 ± 0, 17, 7, 52 ± 0, 16 kPa) befanns vara styvare än in vitro- vävnaden (2, 22 ± 0, 12, 5, 26 ± 0, 32, 6, 78 ± 1, 28 kPa) för alla hastigheter, vilket överensstämmer med Prevost et al. 21 och Gefen et al. 22 . Det antas att de högre värdena för cortex-skjuvmodul in situ orsakas av restspänningar i detta område av hjärnan 32 som frigörs vid avlägsnande av gränstillståndet som appliceras av skallen. Omvänt för cerebellum fanns det en obetydlig skillnad mellan in vitro- och in situ- fall som antydde att detta område av mushjärnan har mindre restbelastning. Medelmodulvärdena för in situ cerebellum (1, 90 ± 0, 58, 2, 16 ± 0, 74, 2, 26 ± 1, 90 kPa) befanns vara mindre än värdena för in vitro- cerebellum (1, 34 ± 0, 22, 2, 36 ± 0, 72, 2, 38 ± 0, 34 kPa) för 2, 14 och 4, 28 mm / s, vilket är oförenligt med tidigare rapporter i litteraturen för cortexvävnad 21, 22 . Emellertid befanns dessa skillnader mellan in vitro och in situ cerebellum vara signifikanta med låg hastighet (0, 71 mm / s) endast (fig. 5b).

Skjuvmodulerna och resultaten för effekteffekt som rapporterats här kan ge insikt i hur traumatisk hjärnskada påverkar vissa regioner mer än andra i en musmodell av TBI, såsom de som beskrivits tidigare 33 . Det framgår av data som tillhandahålls i tabell 1 och fig 5 att regionerna i mushjärnan uppvisar regionala unika mekaniska egenskaper. En möjlig förklaring till skillnaderna i mekaniska egenskaper hos hjärnvävnad är den underliggande cellstrukturen i dessa regioner. Azevedo et al. har visat att det mänskliga cortexet innehåller ungefär 3, 76 gånger fler icke-neuronala celler än neuronala celler, medan cerebellum innehåller 4, 3 gånger fler neuronala celler till icke-neuronala celler, och resten av hjärnan (RoB) innehåller 11, 35 gånger mer icke-neuronala celler celler till neuronala celler 34 . Skillnader i de mekaniska egenskaperna hos dessa celler 35, 36 och hur de interagerar med varandra kan ge en mekanisk förklaring till de regionalt varierande materialegenskaperna i hjärnvävnad. Ytterligare analys av celltypernas fördelning och densitet inom specifika hjärnregioner krävs för en mer fullständig förståelse av detta eftersom det finns begränsad data om antalet celler och celltyp i varje region, såsom neuroner, astrocyter, GFAP-mikroglia, och oligodendrocyter.

Medan denna forskning ger ett framsteg i förståelsen för hur olika regioner av mushjärnan svarar på mekaniska trauma, finns det begränsningar i detta arbete som kan redogöra för några av skillnaderna med andra som rapporterats i litteraturen, t.ex. användning av ett fyrkantigt kors -sektionell indenter för att fördjupa proverna istället för en sfärisk eller cylindrisk stans. En axymmetrisk sond skulle tillåta användning av en axymmetrisk FE-modell som skulle minska beräkningstiden som tagits för att utföra den omvända FE-proceduren. Färsk mänsklig vävnad är det ideala provet för att bestämma materialegenskaperna hos hjärnvävnad under traumatisk belastning. Emellertid är svårigheterna med att erhålla färsk människa vävnad, på grund av ökad tid efter död, sjukdom och äldre vävnadsprover, den erhållna humana vävnaden vanligtvis inte i ett idealiskt tillstånd för att kvantifiera de verkliga mekaniska egenskaperna. Experimentstemperaturen, 22 ° C, som används här kan ha en inverkan på de rapporterade mekaniska egenskaperna 37, en experimentell temperatur på 37 ° C kan vara mer lämplig men skulle behöva korreleras med in vivo- resultat för att säkerställa att effekterna efter mortem Det förändrar inte de mekaniska egenskaperna för in vitro vävnad, även de som mäts vid 37 ° C. Det har nyligen föreslagits att Neo-Hookean- och Mooney-Rivlin-modellen som används här kanske inte är tillräcklig för att noggrant modellera hjärnvävnad 38 och att 6 eller 8-termiga Ogden-modeller kan vara mer lämpade för multimodal deformation (kompressionsspänning) . Uppgifterna som presenteras här är emellertid unimodal indragning, och R 2- värdena i tabell 1 antyder att de nuvarande modellerna som används här är tillräckliga för att beskriva beteendet hos mushjärnvävnad under indragning upp till 70 mikrometer och hastigheter mellan 0, 71–4, 28 mm / s, med totala R2-värden på 0, 996, 0, 996, 0, 998, för Neo-Hookean-, Mooney-Rivlin- och Ogden-modellerna.

Den nuvarande forskningen har för första gången kännetecknat de dynamiska mekaniska egenskaperna hos P56 muscortex, cerebellum, thalamus och medulla under stor deformation. De mekaniska egenskaperna hos in situ cortex, och för första gången in situ cerebellum, har också rapporterats, och statistiskt signifikanta skillnader mellan mushjärnregioner har fastställts. Vi har använt den omvända Finite Element-metoden för att anpassa de primära experimentella uppgifterna till tre hyperelastiska modeller, Neo-Hookean, Mooney-Rivlin och Ogden, som har visat sig kunna beskriva den unimodala deformationen av hjärnvävnad. under stor deformationsindikation (medelvärde för alla data = 0, 997). De mekaniska egenskaperna som tillhandahålls för dessa regioner kan implementeras omedelbart i nuvarande och nästa generations Finite Element-modeller av mushjärnan med befintliga viskoelastiska data om hjärnvävnad 10, 11, 14 för att ge en kvalitativ tillnärmning av hur hjärnvävnad kan reagera i traumatisk slagskada händelser och neurokirurgiska scenarier. För att fullständigt kunna beskriva hjärnvävnadens respons vid traumatiska händelser krävs både belastnings- och avkopplingskurvor. Uppgifterna som presenteras här ger en djupanalys av dynamisk belastningsrespons för olika regioner av mushjärnan under stor deformation intryck. Framtida arbete kommer att fokusera på att koppla den hyperelastiska belastningen och viskoelastiska relaxationsbeteendet hos hjärnvävnad för att bestämma de tidsberoende egenskaperna för de enskilda regionerna, och om det finns en betydande skillnad mellan dem som har visats här för de hyperelastiska materialparametrarna

metoder

Experimentuppställning

En specialbyggd mikroindikeringsanordning utvecklades för att undersöka de lokala mekaniska egenskaperna hos hjärnvävnad under dynamiska belastningsförhållanden, (Fig. 1a) 39 . Enheten består av tre huvudkomponenter, det 3D-tryckta kraftavkännande sondsteget, det linjära steget (ZABER-LSQ), som förflyttar det kraftavkännande sondsteget i vertikal riktning med hastigheter som når 1 m / s och ett FemtoTools STS-10000 kraftavkännande sond som används för att mäta vävnadens reaktionskrafter med en samplingshastighet på 10 kHz (Fig. 1b). Sondspetsen har en kvadratisk tvärsnittsarea på 50 × 50 mikrometer.

Vävnadsförberedelse

Musprover, tidigare avlivade med CO 2 -gas, samlades in på testdagen från University College Dublin's Biomedical Facility för intrycksexperiment. Proverna bestod av 56 dagar gamla blandade han- och honmöss efter födseln. Blandade könsmöss användes eftersom det tidigare har rapporterats att kön inte har någon effekt på den dynamiska kompressionsresponsen hos hjärnvävnad 40 . För att utföra intrycksexperimenten avlägsnades hjärnorna från djuren genom att göra ett snitt i mittlinjen genom huden över toppen av huvudet för att få tillgång till skallen. Ett andra snitt i mittlinjen, rörande anteriort från occipital condyle, gjordes genom skallen med hjälp av en skalpell. Två laterala snitt gjordes sedan vid en främre och bakre punkt i mittlinjesnittet så att benet kunde tas bort och möjliggöra åtkomst till hjärnan. Hjärnan separerades sedan från ryggmärgen och togs bort från skallen. Genom att fortsätta avlägsnandet från skallen hölls hjärnorna hydratiserade med fosfatbuffertlösning medan de kortikala ytorna på cortex, cerebellum och medulla indragdes. Hjärnorna fästes inte på plattan eftersom hjärnans vikt var tillräcklig för att förhindra att organet rör sig under applicering av lågkraftsintryckningar. Efter indragningar av dessa regioner delades hjärnorna ut längs sagittal sulci för att få tillgång till thalamus. Denna procedur antogs för att säkerställa att hjärnan hålls så intakt som möjligt för att mäta de mekaniska egenskaperna. Protokollet in situ involverade att göra ett mittlinjesnitt genom toppen av skallen före två laterala snitt över skallen, ovanför det intressanta området, vilket gjorde att benet kunde avlägsnas och hjärnan förblir innesluten i den återstående skallen. Varje hjärna hydratiseras kontinuerligt under hela experimentet med fosfatbuffertlösning. Alla test genomfördes inom 6 timmar efter mortem för att minska mängden proteolys och nekros som tidigare har visats minska vävnadens styvhet 41, 42 .

Indragningsprotokoll

Indragningstester utfördes på in vitro (cortex, cerebellum, thalamus och medulla, n = 120) och in situ (cortex och cerebellum, n = 60), mushjärnor, upp till 70 um förskjutning, med en hastighet av 0, 71, 2, 14, och 4, 28 mm / s, detta omfattar ett intervall av värden som är både över och under den rapporterade tröskeln för skada (10% stam, 10 / s töjningshastighet) 10 . För att upprätta kontaktpunkten med vävnaden fördes inderspetsen nära vävnaden. När indenteren var tillräckligt nära vävnaden sänktes den i steg om 2 mikrometer tills en kraft (<5 μN) registrerades från inderspetsen. Om kraften steg över 5 μN under denna procedur skulle denna region inte mätas och indragaren flyttas till en ny plats för testning. Ingen annan förkonditionering utförs på provet eftersom provet inte förkonditioneras in vivo . Sonden dras sedan tillbaka 100 μm och intryckningen utförs över 70 μm för att säkerställa en konstant hastighet genom hela intryckningsdjupet som används för analys. Alla test utfördes vid rumstemperatur (~ 22 ° C) och ingen vävnad återanvändes efter varje intryckstest på grund av hjärnvävnadens mycket dissipativa natur. Resultaten efterbehandlades i MATLAB med användning av ett rörligt medelfilter över 10 datapunkter. Denna procedur utfördes för att avlägsna högfrekvent brus medan man höll intryckssignalen intakt, detta säkerställdes genom att övervaka den maximala intryckskraften vid 70 um före och efter filtrering så att den maximala kraften inte minskades.

Kraftförskjutningskurvorna importerades sedan till den omvända Finite Element-modellen för att bestämma Neo-Hookean, Mooney-Rivlin och Ogden materialparametrar. Neo-Hookean-modellen valdes eftersom den bara innehåller en passande parameter, C 10 , och många andra hyperelastiska modeller är förlängningar av Neo-Hookean-modellen, t.ex. Mooney-Rivlin och Yeoh. För Neo-Hookean-modellen krävs det omvända Finite Element-programmet bara för att anpassa en materialparameter till dataen så att det optimerade värdet kan uppnås med ett större förtroende än de med mer än en materialparameter, vilket ger en ungefärlighet för värdet på skjuvmodul. När en tillnärmning har gjorts för skjuvmodulen från Neo-Hookean-modellen kan kraftförskjutningsdata appliceras på modeller som innehåller mer än en materialparameter och deras resultat tolkas med större förtroende, som i detta fall Mooney- Rivlin- och Ogden-hyperelastiska materialmodeller. Mooney-Rivlin-modellen valdes eftersom den är en förlängning av Neo-Hookean-modellen till att omfatta den andra stamminvarianten, I 2, som beskriver materialavvikande deformation. Avvikande deformation krävs för att fullständigt beskriva en materialdeformation. Ogden-modellen används här på grund av dess användning vid modellering av beteendet hos mjuka vävnader av biomekanikens samhälle 10, 11, 14, 18 .

Statistisk analys

ANOVA med en post hoc-analys utfördes med varje region in vitro och in situ för att bestämma om det finns en statistiskt signifikant skillnad mellan hjärnregionerna baserat på skjuvmodulvärdena bestämda från Neo-Hookean-materialmodellen för n = 10 prover av varje region vid varje hastighet.

Neo-Hookean hyperelastisk modell

Den tidigaste hyperelastiska materialmodellen baserad på spänningsenergitäthetsfunktionen lades fram av Treloar 1943 och är känd som Neo-Hookean materialmodell 20

Image

där W är spänningsenergitätheten, Cl =

Image

, och μ är skjuvmodulen,

Image

är den första stamminvarianten för den isochoriska delen av Cauchy-stammtensorn, I 1 är den första stamminvarianten för Cauchy-stammtensorn, X är sträckningsförhållandet i huvudriktningarna, och D1 =

Image

, där κ är bulkmodulen för materialet antas vara 10 000 × μ . Detta värde för bulkmodul antar lätt kompressibilitet för materialet.

Mooney-Rivlin hyperelastisk modell

Mooney-Rivlin-hyperelastiska modellen föresloges först av Mooney (1940) som den mest allmänna formen för ett linjärt förhållande mellan stress och belastning i enkel skjuvning 43 . Rivlin använde denna modell och Neo-Hookean-modellen i sitt tidigare arbete med gummielasticitet. Lämpliga värden på C10 och C 01 kan ge bättre anpassning till experimentella data än Neo Hookean-modellen

Image

där W är spänningsenergitätheten, μ = 2 ( C 10 + C 01 ) och μ är skjuvmodulen,

Image

och

Image

är de första och andra staminvianterna av den isochoriska delen av Cauchy-stammtensorn, respektive I2 är den andra stamminvarianten för Cauchy-stammtensorn, J el är det elastiska volymförhållandet och D1 =

Image

, där κ är bulkmodulen för materialet antas vara 10 000 × μ .

Ogden hyperelastisk modell

Mjuk biologisk vävnad under komprimering, spänning och skjuv modelleras ofta bra av Ogden-modellen 11, 14 . I denna studie utvidgas Ogden-modellen till indragning med metoden invers Finite Element. Spänningsenergipotentialen från Ogden uttrycks i termer av de huvudsakliga sträckorna. Abaqus-formuleringen är av formen:

Image

där W är töjningsenergitätheten, μ är skjuvmodulen,

Image

är de huvudsakliga sträckorna av töjningsinvianterna av den isochoriska delen av Cauchy-töjningsspänningen, X är sträckningsförhållandet i huvudriktningarna, D =

Image

, där κ är bulkmodulen för materialet antas vara 10 000 × μ , och α är en materialkonstant som är ett reellt antal, positivt eller negativt 44 .

Inverse Finite Element-analys

De initiala uppskattningarna för materialparametrarna matas in till det omvända Finite Element-analysprogrammet (ABAQUS, Dassault Systemes, MATLAB, Mathworks) för att bestämma de faktiska materialparametrarna för Neo-Hookean, Mooney-Rivlin och Ogden hyperelastiska modeller. Med fördel av modellens symmetri användes en fjärdedels modell. Modellen bestod av en styv indometerspetsgeometri, modellerad vid en fjärdedel av den inre geometrien i fig. Ib, bestående av 1006 linjära fyrkantiga R3D4-element. Den stela inre spetsen var ursprungligen i kontakt med en deformerbar cylinder, med en radie på 1000 um och höjd 1500 μm, bestående av 8160 linjär hexahedralen C3D8RH reducerad integration, hybridelement, som representerar ett prov av hjärnvävnad. Ett fast gränsförhållande applicerades på cylinderns bottenyta, och ett förskjutningsgränsförhållande på 70 um applicerades på den inre spetsen. När den initiala uppskattningen för materialparametrar har matats in till analysen utförs en ABAQUS-finitelementsimulering av experimentet. Kraftförskjutningsdata från inderspetsen extraheras från simuleringsresultatfilen och jämförs med kraftförskjutningskurvorna från experimentet. När uppgifterna med den bästa passningen har fastställts, med summan av metoden för absoluta skillnader, avslutas analysen och materialparametrarna som ger den bästa passningen mellan experimentet och simulering hittas. Denna process upprepas för varje region och hastighet.

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : MacManus, DB et al. Mekanisk karaktärisering av P56-mushjärnan under stor deformation dynamisk intryck. Sci. Rep. 6, 21569; doi: 10.1038 / srep21569 (2016).

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapens riktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.