[논문 리뷰] Brillouin-derived viscoelastic parameters of hydrogel tissue models

Michelle Bailey, Martina Alunni Cardinali외 8명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 17.

Cellular Mechanics and Interactions참고 문헌 33인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 브릴루아인 분광법이 비탄성 및 점성 점탄성 매개변수를 정량적으로 추출할 수 있음을 입증한다. 이는 비탄성 산란된 빛의 주파수 이동과 선폭을 조사함으로써 가능하다. 젤라틴을 액체, 젤, 유리 상태로 변화시킬 수 있는 조절 가능한 모델 시스템으로 사용하여, 저자들은 브릴루아 스펙트럼이 기계적 성질과 강하게 상관됨을 보여주며, 이 기술이 생물재료의 전체 점탄성 스펙트럼을 비침습적이고 광학적인 방법으로 특성화할 수 있음을 입증한다. 이는 기계생물학에 핵심적인 요소이다.

ABSTRACT

Many problems in mechanobiology urgently require characterisation of the micromechanical properties of the fibrous proteins of cells and tissues. Brillouin light scattering has been proposed as a new optical elastography technique to meet this need, but the information contained in the Brillouin spectrum is still a matter of debate. Here we investigate this question using gelatin as a model system in which the macroscopic physical properties can be manipulated to mimic all the relevant biological states of matter, ranging from the liquid to the gel and the glassy phase. We demonstrate that Brillouin spectroscopy is a powerful tool to reveal both the elastic and viscous properties of biomaterials that are central to their biological functions.

연구 동기 및 목표

• 브릴루아인 빛 산란이 생물재료에서 탄성 및 점성 기계적 성질을 측정할 수 있는 능력을 평가하는 것.
• 브릴루아인 스펙트럼 매개변수(주파수 이동 및 선폭)가 수화젤의 점탄성 거동과 어떻게 관련되는지 조사하는 것.
• 액체에서 젤, 유리 상태로 이르는 물리적 상태를 모두 포함하는 조절 가능한 모델 시스템으로 젤라틴을 사용하여 브릴루아 데이터의 체계적 校정을 가능하게 하는 것.
• 브릴루아인 분광법과 세포 환경에서 중요한 미세기계적 성질 사이의 정량적 연관성을 설정하는 것.
• 복잡한 생물물질을 위한 비침습적 광학 엘라스토그래피 기법으로서 브릴루아인 분광법의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 젤라틴 수화젤을 합성하고 열적으로 조절하여 액체, 젤, 유리 상태의 서로 다른 물리적 상태에 도달시켰다.
• 브릴루아인 빛 산란을 수행하여 비탄성 산란 스펙트럼을 측정하고, 브릴루아인 주파수 이동과 선폭을 추출하였다.
• 주파수 이동은 수화젤의 종방향 탄성 모odulus(체적 모odulus)와 상관지었다.
• 선폭은 점성 리아케이션 과정과 연결되었으며, 물질의 내부 마찰과 에너지 소산을 반영하였다.
• 주파수 이동과 선폭의 조합 분석을 통해 탄성 및 점성 매개변수를 동시에 추출할 수 있었다.
• 결과는 독립적인 기계적 측정 및 점탄성 거동의 이론 모델과 비교하여 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브릴루아인 분광법은 연질 생물재료에서 점탄성의 탄성 및 점성 성분을 모두 구분할 수 있는가?
• RQ2 젤라틴 수화젤의 다양한 물리적 상태에서 브릴루아인 주파수 이동과 선폭은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 브릴루아인 스펙트럼 매개변수는 실험적으로 측정된 기계적 성질과 어느 정도 상관되는가?
• RQ4 브릴루아인 분광법은 기존의 엘라스토그래피 기법에 대체되는 비침습적 광학적 방법으로 복잡한 조직 유사 재료를 탐색하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 관측된 스펙트럼 특성의 물리적 기원은 기저의 점탄성 동역학과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 젤화가 진행됨에 따라 브릴루아인 주파수 이동이 증가하였으며, 이는 액체에서 젤 상태로의 전이 동안 탄성 모odulus 증가와 상관관계를 보였다.
• 젤 상태 및 유리 상태에서 브릴루아인 스펙트럼의 선폭이 크게 넓어져 점성 리아케이션 과정이 강화됨을 나타내었다.
• 측정된 주파수 이동과 체적 모odulus 사이에 강한 상관관계가 관찰되어, 이 기술이 탄성 성질에 민감함을 확인하였다.
• 선폭은 온도와 젤화에 따라 비단순적인 의존성을 보였으며, 전이 상태에서의 복잡한 동역학을 반영하였다.
• 주파수 이동과 선폭의 통합 분석을 통해 점탄성 반응에 대한 탄성 및 점성 기여도를 동시에 정량화할 수 있었다.
• 결과는 브릴루아인 분광법이 연질 생물재료의 전체 점탄성 스펙트럼을 탐색하는 실현 가능한 비침습적 방법임을 검증하였다.