Name: Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2022-01-18T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 4 s
Description: Poznaj metodę nanoindentacji miękkich materiałów, w tym hydrogeli i komórek, z wykorzystaniem otwartego oprogramowania Python do analizy danych. Protokół upraszcza pomiar sztywności mechanicznej próbek zdrowych i chorych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

GC i MAGO uznają wszystkich członków CeMi. MSS potwierdza wsparcie w postaci dotacji z programu EPSRC (EP/P001114/1).
GC: oprogramowanie (wkład w rozwój oprogramowania i algorytmów), analiza formalna (analiza danych nanotwardości), walidacja, badanie (eksperymenty z nanowgłębieniami na żelach poliakrylamidowych), selekcja danych, pisanie (oryginalny szkic, przegląd i edycja), wizualizacja (rysunki i wykresy). MAGO: badania (przygotowanie próbek żeli i komórek, eksperymenty z nanowgłębieniami na komórkach), pisanie (oryginalny szkic, przegląd i redakcja), wizualizacja (rysunki i wykresy). NA: walidacja, pisanie (recenzja i redakcja). IL: oprogramowanie (wkład w rozwój oprogramowania i algorytmów), walidacja, pisanie (recenzowanie i redagowanie); MV: konceptualizacja, oprogramowanie (projektowanie i rozwój oryginalnego oprogramowania i algorytmów), walidacja, zasoby, pisanie (oryginalny projekt, recenzja i redakcja), nadzór, administracja projektem, pozyskiwanie funduszy MSS: zasoby, pisanie (przegląd i redakcja), nadzór, administracja projektem, pozyskiwanie funduszy. Wszyscy autorzy przeczytali i zatwierdzili ostateczną wersję manuskryptu.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Protokół ten pokazuje, jak niezawodnie pozyskiwać dane ze spektroskopii sił za pomocą dostępnego na rynku nanoindentera z wierzchołkiem ferruli, zarówno na hydrożelach, jak i pojedynczych komórkach. Ponadto zamieszczono instrukcje dotyczące korzystania z oprogramowania typu open source zaprogramowanego w języku Python, obejmującego precyzyjny przepływ pracy do analizy danych nanotwardości.
Krytyczne kroki w protokole Następujące kroki zostały uznane za szczególnie ważne p...

Fundamentalna rola mechaniki w biologii jest obecnie ustalona1,2. Od całych tkanek po pojedyncze komórki, właściwości mechaniczne mogą informować o stanie patofizjologicznym badanego biomateriału3,4. Na przykład tkanka piersi dotknięta rakiem jest sztywniejsza niż zdrowa tkanka, co jest podstawą popularnego testu palpacyjnego5. Warto zauważyć, że niedawno wykazano, że choroba koronawirusowa 2019 (COVID-19) wywoływana przez koronawirusa zespołu ciężkiej ostrej niewydolności oddechowej 2 (SARS-CoV-2) jest podkreślona zmianami we właściwościach mechanicznych komórek krwi, w tym zmniejszoną odkształcalnością erytrocytów oraz zmniejszoną sztywnością limfocytów i neutrofili w porównaniu z komórkami krwi osób niezakażonych wcześniej SARS-CoV-26.
Ogólnie rzecz biorąc, mechanika komórek i tkanek jest ze sobą nierozerwalnie związana: każda tkanka ma specyficzne właściwości mechaniczne, które jednocześnie wpływają i zależą od właściwości komórek składowych i macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM)5. Z tego powodu strategie badania mechaniki w biologii często obejmują inżynierię substratów z fizjologicznie istotnymi bodźcami mechanicznymi, aby wyjaśnić zachowanie komórki w odpowiedzi na te bodźce. Na przykład przełomowa praca Englera i współpracowników wykazała, że zaangażowanie mezenchymalnych komórek macierzystych w linię jest kontrolowane przez elastyczność matrycy, jak badano na miękkich i sztywnych dwuwymiarowych hydrożelach poliakrylamidowych (PAAm)7.
Istnieje wiele strategii mechanicznego charakteryzowania badanego biomateriału, różniących się skalą przestrzenną (tj. od lokalnej do masowej) i sposobem deformacji (np. osiowe vs ścinające), w konsekwencji dając różne informacje, które wymagają starannej interpretacji3,8,9,10. Mechanika miękkich biomateriałów jest powszechnie wyrażana w kategoriach sztywności. Jednak sztywność zależy zarówno od właściwości materiału, jak i geometrii, podczas gdy moduły sprężystości są podstawowymi właściwościami materiału i są niezależne od geometrii materiału11. W związku z tym różne moduły sprężystości są związane ze sztywnością danej próbki, a każdy moduł sprężystości obejmuje odporność materiału na określony tryb odkształcenia (np. osiowy lub ścinający) w różnych warunkach brzegowych (np. swobodne rozszerzanie a uwięzienie)11,12. Eksperymenty z nanowgłębieniami pozwalają na ilościowe określenie właściwości mechanicznych za pomocą E, co jest związane z jednoosiowym odkształceniem (wgłębieniem), gdy biomateriał nie jest ograniczony bocznie10,11,12.
Najpopularniejszą metodą ilościowego oznaczania E systemów biologicznych w mikroskali jest AFM13,14,15,16. AFM jest niezwykle potężnym narzędziem o rozdzielczości siły do poziomu pN i rozdzielczości przestrzennej do skali sub-nm. Co więcej, AFM oferuje ekstremalną elastyczność w zakresie sprzężenia z uzupełniającymi się narzędziami optycznymi i mechanicznymi, rozszerzając swoje możliwości w zakresie wydobywania bogactwa informacji z badanego biomateriału13. Te atrakcyjne cechy wiążą się jednak z barierą wejścia, jaką stanowi złożoność konfiguracji eksperymentalnej. AFM wymaga intensywnego szkolenia, zanim użytkownicy będą mogli uzyskać solidne dane, a jego wykorzystanie do codziennej mechanicznej charakterystyki materiałów biologicznych jest często nieuzasadnione, zwłaszcza gdy nie jest wymagana jego unikalna siła i rozdzielczość przestrzenna.
Z tego powodu, nowa klasa nanoindenterów zyskała ostatnio popularność ze względu na ich łatwość użycia, jednocześnie oferując dane porównywalne z AFM z rozdzielczością siły sub-nN i rozdzielczością przestrzenną μm, odzwierciedlając siły wywierane i odbierane przez komórki w odpowiednich skalach długości2. W szczególności urządzenia do nanowgłębień typu ferrule-top oparte na technologii wykrywania światłowodów17,18 zyskały popularność wśród badaczy działających w dziedzinie mechanobiologii i nie tylko; oraz opublikowano wiele prac opisujących właściwości mechaniczne biomateriałów przy użyciu tych urządzeń, w tym Cells19,20, hydrogels8,21 oraz tissues22,23. Pomimo możliwości tych systemów do badania lokalnych dynamicznych właściwości mechanicznych (tj. modułu przechowywania i strat), eksperymenty quasi-statyczne dające E pozostają najpopularniejszym wyborem8,19,20,21. Krótko mówiąc, quasi-statyczne eksperymenty z nanowgłębieniem polegają na wcięciu próbki ze stałą prędkością do wartości zadanej określonej przez maksymalne przemieszczenie, siłę lub głębokość wgłębienia oraz rejestrowaniu zarówno siły, jak i pozycji pionowej wspornika w tak zwanych krzywych siła-odległość (F-z). Krzywe F-z są następnie przekształcane w krzywe siła-wcięcie (F-δ) poprzez identyfikację punktu kontaktowego (CP) i wyposażane w odpowiedni model mechaniki kontaktu (zwykle model Hertza13) w celu obliczenia E.
Chociaż działanie nanoindenterów z czuwką przypomina pomiary AFM, istnieją pewne szczegóły warte rozważenia. W niniejszej pracy przedstawiono przewodnik krok po kroku, jak solidnie uzyskiwać krzywe F-z z komórek i hydrożeli naśladujących tkanki za pomocą dostępnego na rynku nanoindenta z wierzchołkiem ferruli, w celu zachęcenia do standaryzacji procedur eksperymentalnych między grupami badawczymi korzystającymi z tego i innych podobnych urządzeń. Ponadto podano porady, jak najlepiej przygotować próbki i komórki hydrożelowe do przeprowadzenia eksperymentów z nanotwardością, wraz ze wskazówkami dotyczącymi rozwiązywania problemów na całej ścieżce eksperymentalnej.
Ponadto, duża część zmienności wyników nanowcięć (np. E i jego rozkładu) zależy od konkretnej procedury używanej do analizy danych, co jest nietrywialne. Aby rozwiązać ten problem, podano instrukcje dotyczące korzystania z nowo opracowanego oprogramowania typu open source zaprogramowanego w języku Python i wyposażonego w przyjazny dla użytkownika graficzny interfejs użytkownika (GUI) do analizy wsadowej krzywych F-z. Oprogramowanie pozwala na szybkie przesiewanie danych, filtrowanie danych, obliczanie CP za pomocą różnych procedur numerycznych, konwencjonalne obliczanie E, a także bardziej zaawansowaną analizę o nazwie flexity spectra24, co pozwala oszacować masowy moduł Younga komórki, moduł Younga kory aktynowej i grubość kory aktyny. Oprogramowanie można swobodnie pobrać z GitHub i można je łatwo dostosować do analizy danych pochodzących z innych systemów poprzez dodanie odpowiedniego parsera danych. Podkreśla się, że protokół ten może być stosowany w przypadku innych urządzeń do nanotwardości typu ferrule-top i ogólnie innych urządzeń do nanotwardości, pod warunkiem, że niektóre kroki są dostosowane zgodnie z wytycznymi konkretnego instrumentu. Protokół jest schematycznie podsumowany w Rysunek 1.

<table><tbody><tr><td>Szkiełka nakrywkowe 12 mm</td><td>VWR</td><td>631-1577P</td><td></td></tr><tr><td>35 mm naczynia hodowlane poddane działaniu komórek</td><td>Greiner CELLSTAR</td><td>627160</td><td></td></tr><tr><td>Akrylamid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>A4058</td><td></td></tr><tr><td>Akrylsilan</td><td>Alfa Aesar</td><td>L16400</td><td></td></tr><tr><td>Nadsiarczan amonu</td><td>Merk</td><td>7727-54-0</td><td></td></tr><tr><td>Bisakryloamid</td><td>Merk</td><td>110-26-9</td><td></td></tr><tr><td>Chiaro nanoindenter</td><td>Optyka 11 Życie</td><td></td><td>&nbsp; brak numeru katologicznego</td></tr><tr><td>Etanol</td><td></td><td></td><td>ogólny</td></tr><tr><td>Surowica płodowa bydlęca</td><td>Gibco</td><td>16140071</td><td></td></tr><tr><td>Wysoka glukoza DMEM</td><td>Gibco</td><td>11995065</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td></td><td></td><td>ogólny</td></tr><tr><td>Kimwipe</td><td>Kimberly Clark</td><td>21905-026</td><td></td></tr><tr><td>Szkiełka mikroskopowe</td><td>VWR</td><td>631-1550P</td><td></td></tr><tr><td>System MilliQ</td><td>Merk Millipore</td><td>ZR0Q008WW</td><td></td></tr><tr><td>OP1550 Interferometr</td><td>Optyka11 Życiorys</td><td></td><td>nr katalogowy</td></tr><tr><td>Optyka 11 Życiowa sonda (k = 0,02-0,005 N/m, R = 3-3,5 um)</td><td>Układ optyczny 11 Żywotność</td><td></td><td>brak liczby katatologicznej</td></tr><tr><td>Optyka 11 Sonda żywotności (k = 0,46-0,5 N/m, R = 50-55 um)</td><td>Optyka 11 Życie</td><td></td><td>brak liczby katologicznej</td></tr><tr><td>Penicylina/Streptomycyna</td><td>Gibco</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>Odstraszacz deszczu RainX</td><td></td><td>RainX 26012</td><td></td></tr><tr><td>Standardowe szalki Petriego (90 mm)</td><td>Thermo Scientific</td><td>101RTIRR</td><td></td></tr><tr><td>Tetrametyloetylenodiamina</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>110-18-9</td><td></td></tr><tr><td>Eksykator próżniowy</td><td>Thermo Scientific</td><td>531-0250</td><<td></td></tr><tr><td>strong>Software</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Oprogramowanie do akwizycji danych (wersja 3.4.1)</td><td>Optyka 11 Life</td><td></td><td></td></tr><tr><td>GitHub Desktop (opcjonalnie)</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 (opcjonalnie)</td><td>Microsoft</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Experimental and Data Analysis Workflow for Soft Matter Nanoindentation

Nanoindentation odnosi się do klasy technik eksperymentalnych, w których mikrometryczna sonda siły jest używana do ilościowego określania lokalnych właściwości mechanicznych miękkich biomateriałów i komórek. Podejście to zyskało centralną rolę w dziedzinie mechanobiologii, projektowania biomateriałów i inżynierii tkankowej, w celu uzyskania właściwej charakterystyki mechanicznej materiałów miękkich z rozdzielczością porównywalną do wielkości pojedynczych komórek (μm). Najpopularniejszą strategią pozyskiwania takich danych eksperymentalnych jest użycie mikroskopu sił atomowych (AFM); Chociaż instrument ten oferuje bezprecedensową rozdzielczość w mocy (do pN) i przestrzeni (sub-nm), jego użyteczność jest często ograniczona przez jego złożoność, która uniemożliwia rutynowe pomiary całkowych wskaźników właściwości mechanicznych, takich jak moduł Younga (E). Nowa generacja nanoindenterów, takich jak te oparte na technologii wykrywania światłowodów, zyskała ostatnio popularność ze względu na łatwość integracji, a jednocześnie umożliwia przyłożenie sił sub-nN z rozdzielczością przestrzenną μm, dzięki czemu nadaje się do badania lokalnych właściwości mechanicznych hydrożeli i komórek.
W tym protokole przedstawiono przewodnik krok po kroku szczegółowo opisujący procedurę eksperymentalną pozyskiwania danych o nanowgłębieniach na hydrożelach i komórkach za pomocą dostępnego na rynku nanoindentera światłowodowego wykrywającego światłowód. Podczas gdy niektóre kroki są specyficzne dla instrumentu użytego w niniejszym dokumencie, proponowany protokół może być traktowany jako przewodnik dla innych urządzeń do nanotwardości, pod warunkiem, że niektóre kroki są dostosowane zgodnie z wytycznymi producenta. Ponadto zaprezentowano nowe oprogramowanie Python o otwartym kodzie źródłowym, wyposażone w przyjazny dla użytkownika graficzny interfejs użytkownika do analizy danych dotyczących nanotwardości, które pozwala na przesiewanie nieprawidłowo uzyskanych krzywych, filtrowanie danych, obliczanie punktu kontaktowego za pomocą różnych procedur numerycznych, konwencjonalne obliczanie E, a także bardziej zaawansowaną analizę, szczególnie odpowiednią dla danych dotyczących nanotwardości pojedynczych komórek.

Zgodnie z protokołem, otrzymuje się zestaw krzywych F-z. Zestaw danych najprawdopodobniej będzie zawierał dobre krzywe oraz krzywe, które należy odrzucić przed kontynuowaniem analizy. Ogólnie rzecz biorąc, krzywe powinny być odrzucane, jeśli ich kształt różni się od pokazanego na <silna klasa="xfig">Rysunek 4A. Rysunek 5AI pokazuje zestaw danych ~100 krzywych uzyskanych na miękkim hydrożelu PAAm o oczekiwanym E 0,8 KPa35 przesłany do GUI NanoPrepare....

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

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

Protokół ten przedstawia przewodnik krok po kroku dotyczący pomiaru sztywności hydrożeli i ogniw za pomocą dostępnego na rynku nanoindendenta, a także przedstawia oprogramowanie typu open source do powtarzalnej analizy pozyskanych danych. Protokół pozwala nam uzyskać dane podobne do mikroskopii sił atomowych, jednak przy ułamku złożoności. Protokół ten będzie więc przydatny dla naukowców zainteresowanych badaniem właściwości mechanicznych zdrowych i chorych próbek, ale wierzymy również, że będzie miał szersze zastosowanie w kontekście nanowgłębień dla miękkich materiałów.Po włączeniu przyrządu i zamontowaniu wybranej sondy do eksperymentu należy przystąpić do kalibracji sondy. Kliknij przycisk Inicjalizuj w głównym oknie oprogramowania. W wyświetlonym menu kalibracji wprowadź szczegóły sondy w polach wejściowych.Następnie napełnij grubą, szklaną szalkę Petriego z płaskim dnem tym samym podłożem co naczynie na próbkę i dopasuj temperaturę pożywki do temperatury próbki. Następnie umieść naczynie kalibracyjne pod sondą. W celu kalibracji w cieczy należy wstępnie zwilżyć sondę kroplą 70% etanolu lub izopropanolu tak, aby końcówka pipety lekko stykała się ze szklaną skuwką, tak aby kropla ślizgała się po wsporniku i kulistej końcówce.Następnie ręcznie przesuń ramię nanoinddenta w dół, aż sonda zostanie całkowicie zanurzona, ale nadal daleko od dna szalki Petriego. Odczekaj pięć minut, aby umożliwić osiągnięcie warunków równowagi w cieczy. Następnie w menu inicjowania oprogramowania kliknij Scan Wavelength (Długość fali skanowania).Na ekranie interferometru pojawi się pasek postępu. Sprawdź, czy skanowanie optyczne zakończyło się pomyślnie, przechodząc do panelu Skanowanie długości fali w polu interferometru. Następnie w menu Inicjalizacja kliknij Znajdź powierzchnię, aby stopniowo obniżać sondę.Sonda przestaje się poruszać, gdy zetknie się ze szklaną szalką Petriego. Gdy sonda zetknie się z powierzchnią, przesuń sondę w dół o jeden mikrometr za pomocą przycisku strzałki y w dół w głównym oknie oprogramowania. Obserwuj zielony sygnał w oknie na żywo, aby sprawdzić zmiany linii podstawowej przy każdym kroku o jeden mikrometr.Następnie kliknij przycisk Kalibruj w menu inicjowania. Po zakończeniu kalibracji sprawdź stary i nowy współczynnik kalibracji w wyświetlonym wyskakującym okienku. Jeśli nowy współczynnik kalibracji mieści się w prawidłowym zakresie, jak wyjaśniono w manuskrypcie, kliknij przycisk Użyj nowego współczynnika.Następnie przesuń piezo w górę o 500 mikrometrów. Następnie sprawdź, czy krąg demodulacji został prawidłowo skalibrowany, przechodząc do zakładki Demodulacja na pulpicie interferometru. Delikatnie dotknij stołu optycznego lub nanoindentera, aby wywołać wystarczający hałas.Biały okrąg z dyskretnymi punktami danych powinien w przybliżeniu pokrywać czerwone kółko. Załaduj szalkę Petriego zawierającą próbkę na stolik mikroskopu i ręcznie przesuń sondę nanoindentera do żądanej pozycji nad próbką. Wsuń sondę do roztworu, uważając, aby pozostawić od jednego do dwóch milimetrów między sondą a powierzchnią próbki.Odczekaj pięć minut, aż sonda zrównoważy się w roztworze. Ustaw ostrość na sondzie za pomocą mikroskopu optycznego. Aby zmierzyć moduł Younga dla miękkich materiałów, kliknij Konfiguruj eksperyment.Dodaj krok Znajdź powierzchnię i pojedyncze wcięcie w kontrolce przemieszczenia, aby określić parametry eksperymentalne, które zostaną następnie użyte do automatycznego skanowania matrycy. Jeśli pojedyncze wcięcie zakończy się pomyślnie, skonfiguruj skanowanie matrycy zawierające od 50 do 100 punktów rozmieszczonych w odstępach od 10 do 100 mikrometrów. Po upewnieniu się, że pole Automatyczne wyszukiwanie powierzchni jest zaznaczone, kliknij Użyj pozycji stołu montażowego, aby rozpocząć skanowanie matrycy od bieżącej pozycji stołu.Skonfiguruj profil skanowania matrycy w kontroli przemieszczenia. Pozostaw liczbę segmentów na pięć i użyj domyślnego profilu przemieszczenia. W razie potrzeby zmień profil przemieszczenia i czas dla każdego nachylonego segmentu.Nie przekraczaj prędkości odkształcania większej niż 10 mikrometrów na sekundę. Zapisz skonfigurowany eksperyment w żądanej ścieżce eksperymentu. Kliknij Uruchom eksperyment i poczekaj na jego zakończenie.Po zebraniu wszystkich danych wyczyść sondę i wyłącz przyrząd zgodnie z opisem w tekście. Do przesiewania krzywych siła-przemieszczenie i tworzenia oczyszczonego zestawu danych w formacie JSON należy przygotować się do uruchomienia. py z wiersza polecenia na komputerze laboratoryjnym.Wybierz format danych Optics11 z listy rozwijanej. Jeśli dane nie zostaną załadowane poprawnie, uruchom ponownie graficzny interfejs użytkownika i wybierz Optics11 Old. Następnie kliknij Załaduj folder i wybierz folder zawierający dane do analizy.Wyczyść zestaw danych za pomocą zakładek znajdujących się po prawej stronie graficznego interfejsu użytkownika. Następnie kliknij Zapisz JSON i wprowadź odpowiednią nazwę dla oczyszczonego zestawu danych. Wyślij plik JSON do komputera, na którym zainstalowano oprogramowanie NanoAnalysis, jeśli jest inny niż bieżący komputer.Uruchom plik nano. py z wiersza poleceń. W lewym górnym rogu graficznego interfejsu użytkownika kliknij Załaduj eksperyment i wybierz plik JSON.Spowoduje to wypełnienie listy plików i wykresu krzywych surowych przedstawiającego zestaw danych pod względem krzywych siła-przemieszczenie. W polu Statystyki sprawdź wartości trzech parametrów: N aktywowany, N nieudany i N wykluczony. Aby bardziej szczegółowo zobrazować konkretną krzywą, kliknij krzywą.Spowoduje to podświetlenie go na zielono i pokazanie go na bieżącym wykresie krzywej. Po wybraniu pojedynczej krzywej parametry R i k zostaną wypełnione w polu Statystyki. Po dalszym oczyszczeniu zestawu danych przefiltruj wszelkie szumy w krzywych za pomocą filtrów zaimplementowanych w polu Filtrowanie.Następnie sprawdź przefiltrowane krzywe na bieżącym wykresie krzywej. Krzywa z filtrem jest w kolorze czarnym, podczas gdy wersja bez filtra jest w kolorze zielonym. Aby znaleźć punkt kontaktowy, w polu Punkt kontaktowy wybierz jedną z serii procedur numerycznych, które zostały zaimplementowane w oprogramowaniu.Dostosuj parametry algorytmu do zestawu danych, tak aby punkt kontaktowy był prawidłowo zlokalizowany, jak wyjaśniono w manuskrypcie. Aby zobaczyć, gdzie na pojedynczej krzywej znaleziono punkt kontaktowy, wybierz krzywą, klikając ją. Następnie kliknij przycisk Sprawdź.Sprawdź wyskakujące okienko, które się pojawi, aby określić, gdzie znajduje się punkt kontaktowy. Następnie kliknij Analiza Hertz. Spowoduje to wygenerowanie trzech wykresów.Sprawdź dane wcięcia siły dla każdej krzywej w zestawie danych, wraz ze średnim pasowaniem hercowym pokazanym na czerwono. Następnie sprawdź krzywą wcięcia średniej siły z pasmem błędu pokazującym jedno odchylenie standardowe, wraz ze średnim pasowaniem Hertza pokazanym na czerwono. Następnie sprawdź wykres punktowy modułu Younga wynikający z dopasowania modelu Hertza do każdej pojedynczej krzywej.Sprawdź pole Wyniki pod kątem obliczonego średniego modułu Younga i jego odchylenia standardowego, a następnie upewnij się, że są one rozsądne dla danego eksperymentu. Następnie w polu Zapisz kliknij Hertz. W wyskakującym okienku wprowadź nazwę pliku i katalog, a następnie kliknij Zapisz.Zostanie utworzony plik tsv. Otwórz plik tsv w dowolnym dodatkowym oprogramowaniu w celu analizy statystycznej i dalszego kreślenia. Aby uzyskać dane dotyczące nanotwardości komórek, kliknij Analiza widm sprężystości.Sprawdź dwa utworzone wykresy, a mianowicie moduł Younga jako funkcję głębokości wcięcia dla każdej krzywej oraz średni moduł Younga jako funkcję wcięcia dopasowanego przez model dwuwarstwowy. Po zakończeniu analizy kliknij ES w polu Zapisz. Spowoduje to wyeksportowanie pliku tsv w określonym katalogu, który można otworzyć i wydrukować w dowolnym innym wybranym oprogramowaniu.Wynikiem udanego eksperymentu jest segment podejścia krzywej siła-przemieszczenie, mający wyraźną, płaską linię bazową, obszar przejściowy i obszar nachylony. Krzywe pokazujące zmiany w stosunku do tego kształtu można łatwo usunąć ze zbioru danych za pomocą NanoPrepare. Przedstawiono tutaj średnie krzywe siła-wgłębienie wraz ze średnim modelem Hertza dla miękkiego hydrożelu poliakrylamidowego i sztywnego hydrożelu.Wykreślając indywidualne wartości modułu Younga, uzyskano oczekiwany średni moduł Younga dla obu hydrożeli. W przypadku eksperymentów z nanowgłębieniami komórek średnia krzywa siła-wgłębienie i odpowiadający jej model średniej hertza pokazują, że model Hertza nie oddaje w pełni ewolucji siły wraz ze wzrostem głębokości wgłębienia w eksperymentach z nanowgłębieniem komórek. Przedstawiono tutaj średnie widma sprężystości dopasowane do wgłębienia 200 nanometrów.Średnie widma sprężystości zaczynają rosnąć na głębokości wgłębienia 200 nanometrów, co wskazuje na udział substratu w badanym pozornym module Younga. Z tego powodu wybrano 200 nanometrów jako zakres dopasowania zarówno dla modelu Hertz, jak i dwuwarstwowego. Dopasowanie modelu dwuwarstwowego pozwala na wyodrębnienie większej ilości informacji o stanie mechanicznym komórki, w tym o grubości kory aktynowej komórki, module kory aktynowej komórki i module objętości komórki, jak wyjaśniono w tekście głównym.Bezpośrednie porównanie modelu Hertza z podejściem widm sprężystości pod względem rozkładu modułu Younga ujawnia nakładające się rozkłady z porównywalnymi średnimi, co pokazuje wykonalność podejścia opartego na widmach sprężystości. Dokładne zlokalizowanie punktu kontaktowego i utrzymanie spójności wybranych parametrów algorytmu między zestawami danych, które chce się porównać, ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wiarygodnych porównań między próbkami. Metoda ta ma ogólne zastosowanie do ilościowego określania lokalnych właściwości elastycznych próbek biologicznych, w tym sferoidów, organoidów, tkanek i ogólnie całej miękkiej masy.

experimental-data-analysis-workflow-for-soft-matter

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Opisujemy metodę mapowania właściwości mechanicznych tkanek roślinnych za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM). Skupiamy się na tym, jak rejestrować zmiany mechaniczne, które zachodzą w ścianach komórkowych podczas rozwoju roślin w mezoskali szerokopolowej, umożliwiając skorelowanie tych zmian ze wzrostem i morfogenezą.

Mapowanie właściwości elastycznych ścian komórkowych w oparciu o AFM: w rozdzielczościach tkankowych, komórkowych i subkomórkowych

Ten artykuł przedstawia metody używane do badania przestrzennie skorelowanych właściwości chemicznych, strukturalnych i mechanicznych wielowarstwowej skali szpatułki Atractosteus (A. szpatułka) za pomocą nanowgłębienia, spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR), skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i rentgenowskiej tomografii komputerowej (X-ray CT). Wyniki eksperymentów wykorzystano do zbadania zasad projektowania ochronnych materiałów biologicznych.

Charakterystyka wielowarstwowych łusek ryb (szpatułka Atractosteus) za pomocą nanoindentacji, rentgenowskiej tomografii komputerowej, FTIR i SEM

Prezentujemy zestaw technik do scharakteryzowania lepkosprężystych właściwości mechanicznych mózgu w mikro-, mezo- i makro-skali.

Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii

Ten eksperymentalny protokół opisuje, jak mikroskopia sił atomowych może być używana do pomiaru twardości w prawdziwej skali nanometrowej i do wykrywania pojedynczych zdarzeń plastyczności atomowej.

Ilościowy pomiar twardości za pomocą oprzyrządowanego wgłębienia AFM

Prezentujemy metodę badania wczesnych zmian zwyrodnieniowych stawów na poziomie komórkowym w chrząstce stawowej za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do wykrywania wczesnej choroby zwyrodnieniowej stawów

Przedstawiamy krok po kroku podejście do identyfikacji i rozwiązywania najczęstszych problemów związanych z mikrowgłębieniami mikroskopii sił atomowych. Ilustrujemy pojawiające się problemy na rodzimych eksplantatach ludzkiej chrząstki stawowej, charakteryzujących się różnym stopniem zwyrodnienia spowodowanego chorobą zwyrodnieniową stawów.

Rozwiązywanie praktycznych problemów związanych z mikrowgłębieniami opartymi na mikroskopii sił atomowych na eksplantatach ludzkiej chrząstki stawowej

Ilościowe określenie powierzchni styku i siły wywieranej przez końcówkę sondy mikroskopu sił atomowych (AFM) na powierzchnię próbki umożliwia określenie właściwości mechanicznych w nanoskali. Omówiono najlepsze praktyki w zakresie wdrażania nanotwardości opartej na wspornikach AFM w powietrzu lub płynie na miękkich i twardych próbkach w celu pomiaru modułu sprężystości lub innych właściwości nanomechanicznych.

Mikroskopia sił atomowych Nanotwardość oparta na wspornikach: pomiary właściwości mechanicznych w nanoskali w powietrzu i płynie

Ta praca przedstawia trójwymiarowy wirtualny eksperyment symulacyjny dla deformacji i uszkodzenia materiału, który dostarcza wizualizacji procesów eksperymentalnych. Dzięki zestawowi eksperymentów użytkownicy mogą zapoznać się ze sprzętem i nauczyć się obsługi w wciągającym i interaktywnym środowisku edukacyjnym.

Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej

Proponowany protokół zakłada globalne podejście do oceny procesu tworzenia się kości w kontekście regeneracji kości za pomocą analiz multimodalnych. Ma on na celu dostarczenie jakościowych i ilościowych informacji na temat tworzenia się nowych kości, zwiększenie rygoru i trafności badań podstawowych i przedklinicznych.

Kompleksowa charakterystyka mineralizacji tkanek w modelu ex vivo

W niniejszej pracy opisujemy prostą metodę wzorowania wolnego od tlenków krzemu i germanu za pomocą reaktywnych monowarstw organicznych oraz demonstrujemy funkcjonalizację wzorowanych podłoży małymi cząsteczkami i białkami. Podejście to zapewnia całkowitą ochronę powierzchni przed utlenianiem chemicznym, umożliwia precyzyjną kontrolę nad morfologią struktur oraz zapewnia łatwy dostęp do wzorów rozróżnialnych chemicznie.

Funkcjonalizacja i wzorowanie krzemu oraz germanu beztlenkowego metodą miękkiej litografii

Poznaj metodę nanoindentacji miękkich materiałów, w tym hydrogeli i komórek, z wykorzystaniem otwartego oprogramowania Python do analizy danych. Protokół upraszcza pomiar sztywności mechanicznej próbek zdrowych i chorych.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Przeglądaj więcej filmów