Name: 연질 물질 나노인덴테이션을 위한 실험 및 데이터 분석 워크플로우 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 4 s
Description: 학습하세요 연질 물질 나노인덴테이션 실험 및 데이터 분석 워크플로우를 통해 하이드로겔과 세포의 기계적 특성을 측정하는 방법을 배우세요. 오픈소스 Python 소프트웨어를 활용하여 재현 가능한 데이터 분석을 수행할 수 있습니다.

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GC와 MAGO는 CeMi의 모든 회원을 인정합니다. MSS는 EPSRC 프로그램 보조금(EP/P001114/1)을 통해 지원을 인정합니다.
GC : 소프트웨어 (소프트웨어 개발 및 알고리즘에 대한 기여), 공식 분석 (나노인덴테이션 데이터 분석), 검증, 조사 (폴리 아크릴 아미드 겔에 대한 나노 압흔 실험), 데이터 큐레이션, 작성 (원본 초안, 검토 및 편집), 시각화 (그림 및 그래프). MAGO : 조사 (젤 및 세포 샘플 준비, 세포에 대한 나노인덴 테이션 실험), 쓰기 (원본 초안, 검토 및 편집), 시각화 (그림 및 그래프). NA : 검증, 작성 (검토 및 편집). IL : 소프트웨어 (소프트웨어 개발 및 알고리즘에 대한 기여), 검증, 작성 (검토 및 편집); MV : 개념화, 소프트웨어 (원본 소프트웨어 및 알고리즘의 설계 및 개발), 검증, 리소스, 작성 (원본 초안, 검토 및 편집), 감독, 프로젝트 관리, 자금 조달 MSS : 리소스, 작성 (검토 및 편집), 감독, 프로젝트 관리, 자금 조달. 모든 저자는 최종 원고를 읽고 승인했습니다.

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이 프로토콜은 하이드로겔과 단일 세포 모두에서 상업적으로 이용 가능한 페룰 탑 나노인덴터를 사용하여 힘 분광법 나노인덴테이션 데이터를 강력하게 획득하는 방법을 보여줍니다. 또한 나노인덴테이션 데이터 분석을 위한 정확한 워크플로를 포함하는 Python으로 프로그래밍된 오픈 소스 소프트웨어의 사용에 대한 지침이 제공됩니다.
프로토콜의 중요한 단계 다음 단계는 이 프로토콜을 따를 때 특히 중요한 것으로 확인되었습니다.
샘플 준비
측정을 시작하기 전에 측정의 제한 사항을 염두에 두고 샘플을 준비하는 것이 중요합니다. 즉, 샘플은 표면에 부착되어야하며 가능한 한 평평해야합니다. 이는 하이드로겔과 같이 세포처럼 표면에 자연적으로 부착되지 않는 샘플을 준비할 때 특히 중요합니다. 첫째, 샘플이 용액에 떠 있으면 측정을 방해하고 잠재적으로 프로브가 손상될 수 ...

생물학에서 역학의 근본적인 역할은 오늘날 확립되어 있습니다 1,2. 전체 조직에서 단일 세포에 이르기까지 기계적 특성은 조사중인 생체 재료의 병태 생리 학적 상태를 알릴 수 있습니다 3,4. 예를 들어, 암에 의해 영향을받는 유방 조직은 건강한 조직보다 뻣뻣하며, 이는 인기있는 촉진 테스트5의 기초가되는 개념입니다. 특히, 최근 중증 급성 호흡기 증후군 코로나바이러스 2(SARS-CoV-2)로 인한 코로나바이러스 질병 2019(COVID-19)는 SARS-CoV-2-순진한 개인의 혈액 세포와 비교하여 적혈구 변형성 감소, 림프구 및 호중구 경직 감소를 포함한 혈액 세포의 기계적 특성 변화로 강조되는 것으로 나타났습니다6.
일반적으로 세포와 조직의 역학은 본질적으로 얽혀 있습니다 : 각 조직은 구성 세포와 세포 외 기질 (ECM)5의 특성에 동시에 영향을 미치고 의존하는 특정 기계적 특성을 가지고 있습니다. 이 때문에 생물학에서 역학을 연구하는 전략에는 종종 이러한 자극에 대한 반응으로 세포 행동을 설명하기 위해 생리학적으로 관련된 기계적 자극을 가진 엔지니어링 기판이 포함됩니다. 예를 들어, Engler와 동료들의 정액 연구는 부드럽고 뻣뻣한 2차원 폴리아크릴아미드(PAAm) 하이드로겔에 대한 연구와 같이 중간엽 줄기 세포 혈통 헌신이 매트릭스 탄성에 의해 제어된다는 것을보여주었습니다7.
조사중인 생체 재료를 기계적으로 특성화하기위한 많은 전략이 존재하며, 공간 규모 (즉, 국부적 인 대형) 및 변형 모드 (예 : 축 방향 대 전단)가 다양하여 결과적으로 신중한 해석이 필요한 다른 정보를 산출합니다 3,8,9,10. 부드러운 생체 재료의 역학은 일반적으로 강성으로 표현됩니다. 그러나 강성은 재료 특성과 형상 모두에 의존하는 반면 탄성 계수는 재료의 기본 특성이며 재료의 기하학적(11)과 독립적입니다. 따라서 서로 다른 탄성 계수는 주어진 샘플의 강성과 관련이 있으며 각 탄성 계수는 서로 다른 경계 조건 (예 : 자유 팽창 대 감금)에서 특정 변형 모드 (예 : 축 방향 대 전단)에 대한 재료의 저항을 포함합니다 11,12. 나노인덴테이션 실험은 생체 재료가 측면으로 제한되지 않을 때 단축 변형(indentation)과 관련된 E를 통한 기계적 특성의 정량화를 가능하게 한다(10,11,12).
마이크로 스케일에서 생물학적 시스템의 E를 정량화하는 가장 보편적 인 방법은 AFM13,14,15,16입니다. AFM은 pN 수준까지의 힘 분해능과 서브 nm 규모의 공간 분해능을 갖춘 매우 강력한 도구입니다. 또한, AFM은 보완적인 광학 및 기계 도구와의 결합 측면에서 극도의 유연성을 제공하여 조사 중인 생체 재료로부터 풍부한 정보를 추출하는 기능을 확장합니다13. 그러나 이러한 매력적인 기능에는 실험 설정의 복잡성으로 대표되는 진입 장벽이 있습니다. AFM은 사용자가 강력한 데이터를 획득하기 전에 광범위한 교육이 필요하며, 특히 고유한 힘과 공간 분해능이 필요하지 않은 경우 생물학적 물질의 일상적인 기계적 특성화에 AFM을 사용하는 것이 정당화되지 않는 경우가 많습니다.
이 때문에 새로운 종류의 나노인덴터는 사용 편의성으로 인해 최근 인기를 얻었으며, 관련 길이척도에서 세포가 가하고 감지하는 힘을 반영하여 nN 이하 힘 분해능 및 μm 공간 분해능으로 AFM과 비교할 수 있는 데이터를 계속 제공합니다2. 특히, 광섬유 감지 기술17,18을 기반으로 한 페룰 탑 나노 압흔 장치는 기계 생물학 및 그 이상의 분야에서 활동하는 연구자들 사이에서 인기를 얻고 있습니다. 그리고 세포19,20, 하이드로겔8,21 및 조직22,23을 포함하여 이러한 장치를 사용하여 생체 재료의 기계적 특성을 보고하는 풍부한 연구가 출판되었습니다. 국부적 동적 기계적 특성(즉, 저장 및 손실 계수)을 조사하는 이러한 시스템의 기능에도 불구하고, E를 산출하는 준정적 실험은 여전히 가장 인기 있는 선택 8,19,20,21로 남아 있습니다. 간단히 말해서, 준 정적 나노인덴테이션 실험은 최대 변위, 힘 또는 압입 깊이로 정의된 설정점까지 일정한 속도로 샘플을 들여쓰기하고 캔틸레버의 힘과 수직 위치를 소위 힘-거리(F-z) 곡선으로 기록하는 것으로 구성됩니다. 그런 다음 F-z 곡선은 접촉점(CP)의 식별을 통해 힘-압입(F-δ) 곡선으로 변환되고 적절한 접촉 역학 모델(일반적으로 Hertz 모델13)을 장착하여 E를 계산합니다.
페룰 탑 나노인덴터의 작동은 AFM 측정과 유사하지만 고려해야 할 특수성이 있습니다. 이 연구에서는 상용 페룰 탑 나노인덴터를 사용하여 세포와 조직 모방 하이드로겔에서 F-z 곡선을 강력하게 획득하기 위한 단계별 가이드가 제공되어 이 장치와 다른 유사한 장치를 사용하는 연구 그룹 간의 실험 절차 표준화를 장려합니다. 또한 나노인덴테이션 실험을 수행하기 위해 하이드로겔 샘플과 세포를 가장 잘 준비하는 방법에 대한 조언과 실험 경로를 따른 문제 해결 팁이 제공됩니다.
또한, 나노인덴테이션 결과(즉, E 및 그 분포)의 많은 변동성은 데이터를 분석하는 데 사용되는 특정 절차에 따라 달라지며, 이는 사소하지 않습니다. 이 문제를 해결하기 위해 Python으로 프로그래밍되고 F-z 곡선의 배치 분석을 위한 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 장착된 새로 개발된 오픈 소스 소프트웨어 사용 지침이 제공됩니다. 이 소프트웨어는 빠른 데이터 스크리닝, 데이터 필터링, 다양한 수치 절차를 통한 CP 계산, E의 기존 계산 및 탄성 스펙트럼24라는 고급 분석을 허용하여 세포의 벌크 영률, 액틴 피질의 영률 및 액틴 피질의 두께를 추정 할 수 있습니다. 이 소프트웨어는 GitHub에서 자유롭게 다운로드 할 수 있으며 적절한 데이터 파서를 추가하여 다른 시스템에서 발생하는 데이터를 분석하는 데 쉽게 적용 할 수 있습니다. 이 프로토콜은 다른 페룰 탑 나노인덴테이션 장치 및 일반적으로 다른 나노인덴테이션 장치에 사용될 수 있으며 일부 단계는 특정 기기의 지침에 따라 조정됩니다. 프로토콜은 그림 1에 개략적으로 요약되어 있습니다.

<table><tbody><tr><td>12mm 커버 슬립</td><td>VWR</td><td>631-1577P</td><td></td></tr><tr><td>35mm 세포 처리 배양 접시</td><td>Greiner CELLSTAR</td><td>627160</td><td></td></tr><tr><td>아크릴 아미드</td><td>시그마 - 알드리치</td><td>A4058</td><td></td></tr><tr><td>아크릴 실란</td><td>알파 Aesar</td><td>L16400</td><td></td></tr><tr><td>과황산 암모늄</td><td>Merk</td><td>7727-54-0</td><td></td></tr><tr><td>Bisacrylamide</td><td>Merk</td><td>110-26-9</td><td></td></tr><tr><td>Chiaro 나노 인덴터</td><td>광학 11 Life</td><td></td><td>&nbsp; 카톨로그 번호 없음</td></tr><tr><td>에탄올</td><td></td><td></td><td>일반</td></tr><tr><td>태아 소 혈청</td><td>Gibco</td><td>16140071</td><td></td></tr><tr><td>고혈당 DMEM</td><td>Gibco</td><td>11995065</td><td></td></tr><tr><td>이소프로판올</td><td></td><td></td><td>일반</td></tr><tr><td>Kimwipe</td><td>Kimberly Clark</td><td>21905-026</td><td></td></tr><tr><td>현미경 유리 슬라이드</td><td>VWR</td><td>631-1550P</td><td></td></tr><tr><td>MilliQ system</td><td>Merk Millipore</td><td>ZR0Q008WW</td><td></td></tr><tr><td>OP1550 간섭계</td><td>Optics11 수명</td><td></td><td>카탈로그 번호</td></tr><tr><td>없음 광학 11 수명 프로브(k = 0.02-0.005 N/m, R = 3-3.5um)</td><td>광학 11 수명</td><td></td><td>카톨로그 번호 없음</td></tr><tr><td>광학 11 수명 프로브(k = 0.46-0.5 N/m, R = 50-55 um)</td><td>광학 11 수명</td><td></td><td>카톨로그 번호</td></tr><tr><td>없음 페니실린/스트렙토마이신</td><td>Gibco</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>RainX 방수 RainX</td><td></td><td>26012</td><td></td></tr><tr><td>표준 페트리 접시(90mm)</td><td>Thermo Scientific</td><td>101RTIRR</td><td></td></tr><tr><td>테트라메틸에틸렌디아민</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>110-18-9</td><td></td></tr><tr><td>진공 건조제</td><td>Thermo Scientific</td><td>531-0250</td><td></td></tr><tr><td>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>데이터 수집 소프트웨어(v 3.4.1)</td><td>Optics 11 Life</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GitHub Desktop(선택 사항)</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Python 3</td><td>Python Software Foundation</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Visual Studio Code(선택 사항)</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

연질 물질 나노인덴테이션을 위한 실험 및 데이터 분석 워크플로우

Experimental and Data Analysis Workflow for Soft Matter Nanoindentation

나노인덴테이션은 마이크로메트릭 힘 프로브를 사용하여 연질 생체 재료 및 세포의 국부적 기계적 특성을 정량화하는 실험 기술의 한 종류를 말합니다. 이 접근법은 기계 생물학, 생체 재료 설계 및 조직 공학 분야에서 중심적인 역할을 수행하여 단일 세포 크기 (μm)에 필적하는 해상도로 연질 재료의 적절한 기계적 특성을 얻습니다. 이러한 실험 데이터를 얻는 가장 인기있는 전략은 원자력 현미경 (AFM)을 사용하는 것입니다. 이 기기는 힘(pN까지) 및 공간(sub-nm)에서 전례 없는 분해능을 제공하지만 영률(E)과 같은 기계적 특성의 적분 지표의 일상적인 측정을 방해하는 복잡성으로 인해 유용성이 제한되는 경우가 많습니다. 광섬유 감지 기술을 기반으로 하는 것과 같은 차세대 나노인덴터는 최근 μm 공간 분해능으로 nN 이하 힘을 적용할 수 있는 동시에 통합이 용이하여 하이드로겔 및 세포의 국부적 기계적 특성을 조사하는 데 적합하다는 점에서 인기를 얻고 있습니다.
이 프로토콜에서는 상용 페룰 탑 광섬유 감지 나노인덴터를 사용하여 하이드로겔 및 세포에 대한 나노인덴테이션 데이터를 획득하는 실험 절차를 자세히 설명하는 단계별 가이드를 제공합니다. 일부 단계는 본원에 사용된 기기에 특정되는 반면, 제안된 프로토콜은 다른 나노인덴테이션 장치에 대한 가이드로서 취해질 수 있으며, 일부 단계는 제조업체의 가이드라인에 따라 적응될 수 있습니다. 또한 나노인덴테이션 데이터 분석을 위한 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스를 갖춘 새로운 오픈 소스 Python 소프트웨어가 제공되어 잘못 획득된 곡선의 스크리닝, 데이터 필터링, 다양한 수치 절차를 통한 접점 계산, 기존의 E 계산, 특히 단일 세포 나노인덴테이션 데이터에 적합한 고급 분석이 가능합니다.

프로토콜에 따라 F-z 곡선 세트가 얻어집니다. 데이터 세트에는 양호한 곡선과 분석을 계속하기 전에 폐기해야 할 곡선이 포함될 가능성이 큽니다. 일반적으로 곡선의 모양이 그림 4A에 표시된 것과 다른 경우 버려야 합니다. 그림 5AI는 NanoPrepare GUI에 업로드된 예상 E 0.8 KPa35의 소프트 PAAm 하이드로겔에서 얻은 ~100개의 곡선 데이터 세트를 보여줍니다. 대부분의 곡선은 명확하고 평평한 기준선, 전이 영역 및 재료(13)의 겉보기 강성에 비례하는 경사 영역을 나타냅니다. 그러나 소수의 곡선은 기준선의 부재, 접촉 누락 또는 경사 기준선과 같이 그림 4A에 표시된 형상의 변화를 보여줍니다. 이러한 곡선은 NanoPrepare(그림...

이 프로토콜은 하이드로겔 및 세포를 포함한 연질 물질 나노인덴테이션 실험을 위한 완전한 워크플로우를 제공합니다. 첫째, 힘 분광법 데이터를 획득하기 위한 실험 단계가 자세히 설명되어 있습니다. 그런 다음 이러한 데이터의 분석은 GitHub에서 무료로 다운로드할 수 있는 새로 개발된 오픈 소스 Python 소프트웨어를 통해 자세히 설명됩니다.

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

이 프로토콜은 상용 나노인덴터를 사용하여 하이드로겔 및 세포의 강성을 측정하는 단계별 가이드를 보여주고 획득한 데이터를 재현 가능하게 분석할 수 있는 오픈 소스 소프트웨어도 제공합니다. 그러나 이 프로토콜을 사용하면 원자력 현미경과 같은 데이터를 훨씬 더 복잡하게 얻을 수 있습니다. 따라서 이 프로토콜은 건강하고 병든 샘플의 기계적 특성을 연구하는 데 관심이 있는 과학자들에게 유용할 뿐만 아니라 부드러운 재료에 대한 나노인덴테이션의 맥락에서 더 광범위하게 적용될 수 있을 것이라고 믿습니다.기기를 켜고 실험을 위해 선택한 프로브를 장착한 후 프로브 교정을 시작합니다. 기본 소프트웨어 창에서 초기화를 클릭합니다. 보정 메뉴가 나타나면 입력 상자에 프로브 세부 정보를 입력합니다.다음으로, 두꺼운 유리 페트리 접시에 샘플 접시와 동일한 매체로 평평한 바닥을 채우고 매체의 온도를 샘플의 온도와 일치시킵니다. 그런 다음 프로브 아래에 보정 접시를 놓습니다. 액체에서 교정하려면 피펫 끝이 유리 페룰과 가볍게 접촉하도록 70 % 에탄올 또는 이소프로판올 방울로 프로브를 미리 적셔 방울이 캔틸레버 및 구형 팁 위로 미끄러지도록합니다.그런 다음 프로브가 완전히 잠기지만 페트리 접시 바닥에서 멀리 떨어져 있을 때까지 나노인덴터의 팔을 수동으로 아래쪽으로 밉니다. 액체에서 평형 조건에 도달 할 때까지 5 분 동안 기다리십시오. 그런 다음 소프트웨어의 초기화 메뉴에서 스캔 파장을 클릭합니다.간섭계의 화면에 진행률 표시줄이 표시됩니다. 간섭계 상자의 파장 스캔 패널로 이동하여 광학 스캔이 성공했는지 확인합니다. 그런 다음 초기화 메뉴에서 표면 찾기를 클릭하여 프로브를 점진적으로 낮춥니다.프로브는 유리 페트리 접시에 닿으면 움직이지 않습니다. 프로브가 표면에 닿으면 주 소프트웨어 창의 y 아래쪽 화살표 버튼을 사용하여 프로브를 1마이크로미터 아래로 이동합니다. 각 1마이크로미터 단계에서 기준선의 변화에 대한 라이브 창의 녹색 신호를 관찰합니다.그런 다음 초기화 메뉴에서 보정을 클릭합니다. 보정이 완료되면 표시된 팝업 창에서 이전 보정 계수와 새 보정 계수를 확인합니다. 원고에 설명된 대로 새 보정 계수가 올바른 범위에 있으면 새 계수 사용을 클릭합니다.다음으로, 피에조를 500 마이크로 미터 위로 이동하십시오. 그런 다음 간섭계 데스크탑의 복조 탭으로 이동하여 복조 원이 올바르게 보정되었는지 확인합니다. 광학 테이블이나 나노인덴터를 부드럽게 두드려 충분한 소음을 유도합니다.불연속 데이터 요소의 흰색 원은 빨간색 원을 대략적으로 덮어야 합니다. 샘플이 들어 있는 페트리 접시를 현미경 스테이지에 놓고 나노인덴터의 프로브를 샘플 위의 원하는 위치로 수동으로 이동합니다. 프로브와 샘플 표면 사이에 1-2mm를 남겨 두면서 프로브를 용액에 밀어 넣습니다.프로브가 용액에서 평형을 이룰 때까지 5분 정도 기다립니다. 광학 현미경으로 프로브에 초점을 맞춥니다. Young의 연질 재료 계수를 측정하려면 실험 구성을 클릭합니다.표면 찾기 단계와 변위 제어에 단일 들여쓰기를 추가하여 이후에 자동 매트릭스 스캔에 사용할 실험 매개변수를 결정합니다. 단일 압입에 성공하면 10-100마이크로미터 간격으로 50-100개의 포인트가 포함된 매트릭스 스캔을 구성합니다. 표면 자동 찾기 상자가 선택되어 있는지 확인한 후 스테이지 위치 사용을 클릭하여 현재 스테이지 위치에서 매트릭스 스캔을 시작합니다.변위 제어에서 매트릭스 스캔 프로파일을 설정합니다. 세그먼트 수를 5로 두고 기본 변위 프로파일을 사용합니다. 필요한 경우 각 경사 세그먼트의 변위 프로파일과 시간을 변경합니다.초당 10마이크로미터를 초과하는 변형률을 초과하지 마십시오. 구성된 실험을 원하는 실험 경로에 저장합니다. 실험 실행을 클릭하고 완료될 때까지 기다립니다.모든 데이터가 수집되면 프로브를 청소하고 텍스트에 설명된 대로 기기를 끕니다. 힘-변위 곡선을 스크리닝하고 JSON 형식으로 정리된 데이터 세트를 생성하려면 준비를 시작합니다. 랩 컴퓨터의 명령줄에서 py.드롭다운 목록에서 Optics11 데이터 형식을 선택합니다. 데이터가 올바르게로드되지 않으면 그래픽 사용자 인터페이스를 다시 시작하고 Optics11 Old를 선택하십시오. 그런 다음 폴더 로드를 클릭하고 분석할 데이터가 포함된 폴더를 선택합니다.그래픽 사용자 인터페이스의 오른쪽에 있는 탭을 사용하여 데이터 세트를 정리합니다. 그런 다음 JSON 저장을 클릭하고 정리된 데이터 세트에 적절한 이름을 입력합니다. 현재 컴퓨터와 다른 경우 NanoAnalysis 소프트웨어가 설치된 컴퓨터로 JSON 파일을 보냅니다.나노를 시작합니다. 명령 줄에서 py 파일. 그래픽 사용자 인터페이스의 왼쪽 상단에서 실험 로드를 클릭하고 JSON 파일을 선택합니다.그러면 파일 목록과 힘-변위 곡선의 관점에서 설정된 데이터를 보여주는 원시 곡선 그래프가 채워집니다. 통계 상자에서 세 매개 변수 값 N 활성화, N 실패 및 N 제외를 선택합니다. 특정 곡선을 더 자세히 시각화하려면 곡선을 클릭합니다.그러면 녹색으로 강조 표시되고 현재 곡선 그래프에 표시됩니다. 단일 곡선을 선택하면 R 및 k 매개 변수가 통계 상자에 채워집니다. 데이터 세트가 추가로 정리되면 필터링 상자에 구현된 필터를 사용하여 곡선의 노이즈를 필터링합니다.그런 다음 현재 곡선 그래프에서 필터링된 곡선을 검사합니다. 필터링된 곡선은 검은색이고 필터링되지 않은 버전은 녹색입니다. 접점을 찾으려면 접점 상자에서 소프트웨어에 구현된 일련의 숫자 절차 중 하나를 선택합니다.원고에 설명된 대로 접점이 올바르게 위치하도록 데이터 세트에 맞게 알고리즘의 매개변수를 조정합니다. 단일 커브에서 접촉점이 발견된 위치를 보려면 커브를 클릭하여 선택합니다. 그런 다음 검사를 클릭합니다.나타나는 팝업 창을 확인하여 접점이 있는 위치를 식별합니다. 그런 다음 헤르츠 해석을 클릭합니다. 그러면 세 개의 그래프가 생성됩니다.데이터 세트의 각 곡선에 대한 힘 압입 데이터를 빨간색으로 표시된 평균 Hertz 피팅과 함께 확인합니다. 그런 다음 1 표준 편차를 나타내는 오차 구간이 있는 평균 힘 압입 곡선과 함께 빨간색으로 표시된 평균 Hertz 피팅을 확인합니다. 다음으로, Hertz 모델을 각 개별 곡선에 피팅한 데서 발생하는 영률의 산점도를 확인합니다.결과 상자에서 계산된 평균 영률과 표준 편차를 검사하고 주어진 실험에 적합한지 확인합니다. 그런 다음 저장 상자에서 Hertz를 클릭합니다. 팝업 창에서 파일 이름과 디렉토리를 입력하고 저장을 클릭합니다.tsv 파일이 생성됩니다. 통계 분석 및 추가 플로팅을 위해 추가 소프트웨어에서 tsv 파일을 엽니다. 세포 나노인덴테이션 데이터의 경우 탄성 스펙트럼 분석을 클릭합니다.생성된 두 플롯, 즉 각 곡선에 대한 압입 깊이의 함수로서의 영률과 이중층 모델에 의해 피팅된 압입의 함수로서의 평균 영률 계수를 조사합니다. 분석이 완료되면 저장 상자에서 ES를 클릭합니다. 그러면 지정된 디렉토리의 tsv 파일이 내보내지며 선택한 다른 소프트웨어에서 열고 플롯 할 수 있습니다.성공적인 실험은 명확하고 평평한 기준선, 전이 영역 및 경사 영역을 갖는 힘-변위 곡선의 접근 세그먼트를 생성합니다. 이 모양의 변화를 보여주는 곡선은 NanoPrepare를 사용하여 데이터 세트에서 쉽게 제거됩니다. 부드러운 폴리아크릴아미드 하이드로겔 및 뻣뻣한 하이드로겔에 대한 평균 Hertz 모델과 함께 평균 힘-압입 곡선이 여기에 표시됩니다.영률의 개별 값을 플로팅함으로써, 두 하이드로겔 모두에 대해 예상되는 평균 영률이 검색되었다. 세포 나노인덴테이션 실험의 경우, 평균 힘-압흔 곡선과 해당 평균 Hertz 모델은 Hertz 모델이 세포 나노인덴테이션 실험에서 압입 깊이가 증가함에 따라 힘의 진화를 완전히 포착하지 못한다는 것을 보여줍니다. 200나노미터의 압입에 맞는 평균 탄성 스펙트럼이 여기에 나와 있습니다.평균 탄성 스펙트럼은 200 나노미터의 압입 깊이에서 증가하기 시작하며, 이는 프로빙된 겉보기 영률에 대한 기판의 기여를 나타낸다. 이 때문에 200나노미터가 Hertz 및 이중층 모델 모두의 피팅 범위로 선택되었습니다. 이중층 모델을 피팅하면 본문에 설명된 대로 세포 액틴 피질 두께, 세포 액틴 피질 계수 및 세포 벌크 계수를 포함하여 세포의 기계적 상태에 대한 더 많은 정보를 추출할 수 있습니다.영률 분포 측면에서 Hertz 모델과 탄성 스펙트럼 접근법을 직접 비교하면 비교 가능한 평균으로 겹치는 분포가 나타나 탄성 스펙트럼 접근법의 타당성을 입증합니다. 접점을 정확하게 찾고 비교하려는 데이터 세트 간에 선택한 알고리즘 매개변수를 일관되게 유지하는 것은 샘플 간의 신뢰할 수 있는 비교를 얻는 데 가장 중요합니다. 이 방법은 스페로이드, 오가노이드, 조직 및 일반적으로 모든 연질 물질을 포함한 생물학적 샘플의 국소 탄성 특성을 정량화하는 데 일반적으로 적용할 수 있습니다.

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Research

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Bioengineering

원자력 현미경(AFM)을 사용하여 식물 조직의 기계적 특성을 매핑하는 방법을 설명합니다. 우리는 식물 발달 중 세포벽에서 발생하는 기계적 변화를 광시야 중간 규모로 기록하여 이러한 변화가 성장 및 형태 형성과 상관 관계가 있을 수 있도록 하는 방법에 중점을 둡니다.

셀 벽의 탄성 특성의 AFM 기반의 매핑 : 조직, 세포 및 세포 이하의 해상도에서

이 논문은 공간적으로 상관 된 화학적 구조, 및 나노 인 덴 테이션을 사용 Atractosteus 헤라의 다층 스케일 (A. 주걱)의 기계적 특성을 프로빙을 위해 사용 방법을 제시, 푸리에 변환 적외선 (FTIR) 분광 분석, 주사 전자 현미경 (SEM) 및 X- 선 단층 촬영 (X 선 CT)을 계산. 실험 결과는 보호 생물 재료의 설계 원리를 조사하는 데 사용되었다.

다층 물고기 비늘 (의 특성<em&gt; Atractosteus 주걱</em&gt;) 나노 인 덴 테이션, X-선 CT, FTIR, 및 SEM을 사용하여

우리는 미시, 중간 및 거시적 규모에서 뇌의 점탄성 기계적 특성을 특성화하는 일련의 기술을 제시합니다.

원자 힘 현미경, 충격 들여 쓰기 및 유변학를 사용하여 뇌 조직의 멀티 스케일 기계 속성을 특성화

이 실험 프로토콜은 원자력 현미경을 사용하여 실제 나노미터 규모에서 경도를 측정하고 단일 원자 가소성 이벤트를 감지하는 방법을 설명합니다.

계장 AFM-들여 쓰기에 의해 정량 경도 측정

우리는 원자력 현미경 검사법 (AFM)를 사용하여 관절 연골의 세포 수준에서 초기 골관절염 변화를 조사하는 방법을 제시합니다.

조기 골관절염을 검출하기 위한 원자력 현미경 검사법 적용

원자력 현미경 미세 압입과 관련된 가장 일반적인 문제를 식별하고 해결하기 위한 단계별 접근 방식을 제시합니다. 우리는 다양한 정도의 골관절염 유발 퇴행을 특징으로 하는 토착 인간 관절 연골 외식에 대한 새로운 문제를 예시합니다.

인간 관절 연골 외식물에 대한 원자력 현미경 기반 미세 압입의 실제 문제 해결

원자력 현미경(AFM) 프로브 팁이 샘플 표면에 가하는 접촉 면적과 힘을 정량화하면 나노 크기의 기계적 특성을 측정할 수 있습니다. 탄성 계수 또는 기타 나노기계적 특성을 측정하기 위해 연질 및 경질 샘플의 공기 또는 유체에서 AFM 캔틸레버 기반 나노인덴테이션을 구현하는 모범 사례에 대해 설명합니다.

원자력 현미경 캔틸레버 기반 나노인덴테이션: 공기 및 유체의 나노 스케일에서 기계적 특성 측정

이 작업은 시각화된 실험 프로세스를 제공하는 재료 변형 및 파손에 대한 3차원 가상 시뮬레이션 실험을 제시합니다. 일련의 실험을 통해 사용자는 장비에 익숙해지고 몰입형 대화형 학습 환경에서 작업을 배울 수 있습니다.

역학의 가상 시뮬레이션 실험: 주사 전자 현미경을 기반으로 한 재료 변형 및 파손

제안된 프로토콜은 다중 모드 분석을 사용하여 뼈 재생의 맥락에서 뼈 형성을 평가하기 위한 글로벌 접근 방식을 수반합니다. 새로운 뼈 형성에 대한 정성적 및 정량적 정보를 제공하여 기초 및 전임상 조사의 엄격성과 타당성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.

Ex vivo 모델에서 조직 광물화의 포괄적인 특성 분석

여기 작은 분자와 단백질과 패턴 기판의 patterning 산화물 무료 실리콘과 게르마늄 반응 유기 monolayers과 입증 작용화에 대한 간단한 방법을 설명합니다. 접근 방식은 완전히, 화학 산화로부터 표면을 보호 기능 형태를 통해 정확한 컨트롤을 제공하며, 화학적으로 차별 패턴을 준비 액세스를 제공합니다.

소프트 리소그래피 작용화 및 Patterning 산화물없는 실리콘과 게르마늄

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연질 물질 나노인덴테이션을 위한 실험 및 데이터 분석 워크플로우

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