הפרוטוקולים הבאים יתקבלו תחת של אוניברסיטת מרילנד אכפת חיה מוסדיים שימוש הוועדה וכן את הועד המוסדי. הפרוטוקולים בצע סטנדרטים הפדרלי, המדינה והמקומיים ולאחר ההנחיות שנקבעו על ידי המדיניות באוניברסיטת מרילנד על אבטחה.
1. ניתוח העין מדגם
<ol><li>
להשיג דוגמה העין של הבנק המקומי בית מטבחיים או רקמות. אם מתקבל של הגלובוס כולו עיניים, מיד לחלץ את העדשה zonules צמוד, הזגוגיות. הערה: הפרטים הספציפיים המתוארים להלן מתייחסים העיניים חזירי והן האנושית.<ol>
<li>באמצעות מספריים כירורגיים מחוטא ומלקחיים, לחתוך ולהסיר את כל עודפי למגר את sclera.</li>
		<li>להחזיק את העין בצד שלה וביציבות, באמצעות סכין גילוח, עושים חתך קטן לאורך הצד של העין 3 מ מ בלבד הקרנית. להפוך את העמוקה לחתוך מספיק כדי הגיעו את הזגוגיות בתוך העין.</li>
		<li>בעזרת מספריים, לחתוך בזהירות לאורך החתך סביב ההיקף של העין. הימנע ניקב את העדשה. תמונת הנציגה מוצג באיור 2א.</li>
		<li>לאחר כבר לחתוך את ההיקף החיצוני של העין, להסיר את הרקמה האחורי של העין באמצעות מלקחיים. לבודד את העדשה, zonules, גוף ריסי, את הזגוגיות המצורפת עם מלקחיים. תמונת הנציגה מוצג באיור 2B.</li>
		<li>באמצעות מספריים מלקחיים, להסיר את עודף הזגוגיות ולכן העדשה יכולה להשתטח על ה-MLS. הערה: במקרים של הקרנית להשתלה, לחצן הקרנית משמש בניתוח, שאר העולם זמינה למטרות מחקר. עם זאת, ניתן להשתמש חלקי העולם הזה עדיין בהכנת רקמות של ההתקנה האלונקה עדשה. אם רק האחורי מתקבל, לבצע רק שלב 1.1.4–1.1.5.</li>
	</ol>
</li>
	<li>לחטא את כל ציוד משומש לנתיחה שלאחר בפתרון אקונומיקה 15% למשך 30 דקות.</li>
</ol>2. ניסיון הרכבה של האלונקה מדריך עדשה
<ol><li>הכנס תחתית הנעל 10 מ מ, והחלק העליון נעל המתאימה לתוך צלחת התחתון של ה-MLS אז נותר פער של 5 מ מ בין הקיר האחורי של כניסת נעל את הנעל עצמה.</li>
	<li>יישר את לוחות עליונים ותחתונים, הצמדת הלוחות יחד; המכשיר נמצא כעת במצב unstretched.</li>
	<li>הכנס את הצלחות לתוך המארז צלחת וכל הבורג בסימפטומים ולא במחלה עצמה לתוך החור ממוקם לצד צלחת התחתון.</li>
	<li>להכניס את המקרה צלחת הבסיס, למקם את הברגים כניסות מיושר.</li>
	<li>סובב את מפתח הברגים עם כיוון השעון עד שהוא מגיע הבורג לעצור כדי לכווץ את הנעליים, ולסובב בחזרה נגד כיוון השעון כדי להחזיר את הנעליים unstretched למיקום המקורי.</li>
</ol>3. הרכבה של העדשה
<ol><li>הכנס את תחתית הנעל 10 מ מ לתוך צלחת התחתון של ה-MLS כך 5 מ מ הפער בין שרידים של הקיר האחורי של כניסת הנעל, הנעל עצמה.</li>
	<li>בעזרת מלקחיים מעוקל, המקום את פני העדשה שחולצו למעלה על אמצע צלחת התחתון כך הנעליים תומכים העדשה מעל החור המרכזי.</li>
	<li>הצמד העליון המקביל של הנעליים למקומו, מסיכה רק את zonules, את הזגוגיות. מבחינה ויזואלית להבטיח העדשה כפי ממורכז ככל האפשר על צלחת התחתון.</li>
	<li>חזור על שלבים 2.3 – 2.4.</li>
</ol>4. מדידה של העדשה
<ol><li>להציב מערכת הדמיה ישירות מעל המנגנון כדי ללכוד סרטי הווידאו והתמונות של תהליך מתיחה. הקפד לכלול סרגל מסגרת של תמונה תמונות במדויק הגודל של סולם בעיבוד שלאחר. הערה: כל מערכת הדמיה מתאימים מספיקה בשלב זה; כאן אנו משתמשים של 12 מגה פיקסל, החכם autofocusing שותק רגל אחת מדגם.</li>
	<li>בחוזקה אך בצורה חלקה, סובב את מפתח הברגים כיוון השעון כדי למתוח את העדשה. איור 3 מראה להחליפן בתמונות-המדינה unstretched ומתח.</li>
	<li>לאחר לצלם את העדשה נמתח, לסובב את. מפתח הברגים בכיוון השעון כדי לשחזר את המדגם למצבו מנוחתו. הערה: זה הכרחי כי המדד של העדשה מבוצעת מבעוד כדי למזער את התייבשות של העדשה.</li>
	<li>ברור לצלם המדינה מנוחתו הסופי של העדשה.</li>
</ol>5. ניתוח נתונים
<ol><li>להעלות את התמונה ImageJ, להשתמש בתכונה "נקודת" כדי לבחור לפחות 40 נקודות סביב ההיקף של העדשה כפי שמוצג באיור 4א. להשתמש באפשרות "למדוד" 'נתח' ← להניב את המיקום של כל נקודה שנבחרה.</li>
	<li>מתאים (באמצעות תוכנה כגון MATLAB) את מיקום הנקודות על-מנת לתת מתפלג של התאים כפי שמוצג באיור 4Bבעלת רדיוס. להמיר את רדיוס הפיקסל, שגיאה מדדים באמצעות הסרגל המצולם.</li>
	<li>לבצע שני זנב למבחן t להשוואת של העדשה בודדים לפני ואחרי מתיחה של ה-MLS.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Von Helmholtz, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Uber+die+akkommodation+des+auges.">Uber die akkommodation des auges.</a> Arch Ophthal. 1, 1-74 (1855).</li><li>Schachar, R. A., Black, T. D., Kash, R. L., Cudmore, D. P., Schanzlin, 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=The+mechanism+of+accommodation+and+presbyopia+in+the+primate.">The mechanism of accommodation and presbyopia in the primate.</a> Ann Ophthalmol. 27, 58-67 (1995).</li><li>Glasser, A., Campbell, C. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Presbyopia+and+the+optical+changes+in+the+human+crystalline+lens+with+age.">Presbyopia and the optical changes in the human crystalline lens with age.</a> Vision Res. 38 (2), 209-229 (1998).</li><li>Reilly, M. A., Hamilton, P. D., Perry, G., Ravi, N. <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+behavior+and+natural+and+refilled+porcine+lenses+in+a+robotic+lens+stretcher.">Comparison of the behavior and natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher.</a> Exp Eye Res. 88, 483-494 (2009).</li><li>Langenbucher, A., Huber, S., Nguyen, N. X., Seitz, B., Gusek-Schneider, G. C., K&#252;chle, M. <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+accommodation+after+implantation+of+an+accommodating+posterior+chamber+intraocular+lens.">Measurement of accommodation after implantation of an accommodating posterior chamber intraocular lens.</a> J Cataract Refract Surg. 29 (4), 677-685 (2003).</li><li>Ehrmann, K., Ho, A., Parel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biomechanical+analysis+of+the+accommodative+apparatus+in+primates.">Biomechanical analysis of the accommodative apparatus in primates.</a> Clin Exp Optom. 91 (4), 411 (2008).</li><li>Pinilla Cort&#233;s, 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=Experimental+Protocols+for+Ex+Vivo+Lens+Stretching+Tests+to+Investigate+the+Biomechanics+of+the+Human+Accommodation+Apparatus.">Experimental Protocols for Ex Vivo Lens Stretching Tests to Investigate the Biomechanics of the Human Accommodation Apparatus.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (5), 2926 (2015).</li><li>Fisher, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+elastic+constants+of+the+human+lens.">The elastic constants of the human lens.</a> J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).</li><li>Eppig, T., 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=Biomechanical+eye+model+and+measurement+setup+for+investigating+accommodating+intraocular+lenses.">Biomechanical eye model and measurement setup for investigating accommodating intraocular lenses.</a> Z Med Ohys. 23 (2), 144-152 (2013).</li><li>Manns, F., Parel, , 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=Response+of+Human+and+Monkey+Lenses+in+a+Lens+Stretcher.">Response of Human and Monkey Lenses in a Lens Stretcher.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 48 (7), 3260 (2007).</li><li>Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vivo+measurement+of+age-related+stiffening+in+the+crystalline+lens+by+Brillouin+optical+microscopy.">In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy.</a> Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).</li><li>Besner, S., Scarcelli, G., Pineda, R., Yun, S. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vivo+Brillouin+Analysis+of+the+Aging+Crystalline+Lens.">In Vivo Brillouin Analysis of the Aging Crystalline Lens.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 57 (13), 5093 (2016).</li><li>Cortes, 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=Experimental+Protocols+for+Ex+Vivo+Lens+Stretching+Tests+to+Investigate+the+Biomechanics+of+the+Human+Accommodation+Apparatus.">Experimental Protocols for Ex Vivo Lens Stretching Tests to Investigate the Biomechanics of the Human Accommodation Apparatus.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (5), 2926-2932 (2015).</li><li>Bernal, A., Parel, J. -. M., Manns, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evidence+for+Posterior+Zonular+Fiber+Attachment+on+the+Anterior+Hyaloid+Membrane.">Evidence for Posterior Zonular Fiber Attachment on the Anterior Hyaloid Membrane.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 47 (11), 4708 (2006).</li><li>Kammel, R., Ackermann, R., Mai, T., Damm, C., Nolte, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pig+Lenses+in+a+Lens+Stretcher.">Pig Lenses in a Lens Stretcher.</a> Optom Vis Sci. 89 (6), 908-915 (2012).</li><li>Hahn, J., 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=Measurement+of+Ex+Vivo+Porcine+Lens+Shape+During+Simulated+Accommodation,+Before+and+After+fs-Laser+Treatment.">Measurement of Ex Vivo Porcine Lens Shape During Simulated Accommodation, Before and After fs-Laser Treatment.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).</li><li>D'Antin, J. C., Cortes, L. P., Montenegro, G. A., Barraquer, R. I., Michael, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+a+portable+manual+stretching+device+to+simulate+accommodation.">Evaluation of a portable manual stretching device to simulate accommodation.</a> Acta Ophthalmol. 93 (255), (2015).</li><li>Pierscionek, 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-related+response+of+human+lenses+to+stretching+forces.">Age-related response of human lenses to stretching forces.</a> Exp Eye Res. 60 (3), 325-332 (1995).</li><li>Marussich, 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=Measurement+of+Crystalline+Lens+Volume+During+Accommodation+in+a+Lens+Stretcher.">Measurement of Crystalline Lens Volume During Accommodation in a Lens Stretcher.</a> Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (8), 4239 (2015).</li><li>Martinez-Enriquez, E., P&#233;rez-Merino, P., Velasco-Ocana, M., Marcos, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=OCT-based+full+crystalline+lens+shape+change+during+accommodation+in+vivo.">OCT-based full crystalline lens shape change during accommodation in vivo.</a> Biomed Opt Exp. 8 (2), 918-933 (2017).</li></ol>

AB יש זיקת Bioniko ייעוץ LLC.

לנו יש המציאו שיטה כדי לספק מדויק ויעיל דרך של הלומדים את היכולת לינה של העדשה על ידי ניצול מנגנון clamping כפול-חתיכת זוג את האלונקה לדגימת. במהלך לינה, העדשה מרגיע, ומפחית את הקוטר בתגובה הרפיה של4,192,1,zonular סיבים. השיטה מתמק?...

לינה היא התהליך שבו העין האנושית הוא מסוגל באופן דינמי להתאים את צורת העדשה הגבישי שלה כדי לראות אובייקטים במרחקים רחוק או קרוב בפוקוס חדה. לינה היא תהליך מהותי ביו-מכני. על גירוי העצבים, השרירים ciliary לייצר כוח על גוף ריסי וכדי את הסיבים zonule לצרף ההיקף של עדשה כמוסה1,2. בעוד ישנן תיאוריות שונות מאחורי ביומכניקה של מקומות לינה, הכי נפוצה ומקובלת היא ההשערה הלמהולץ. על-פי ההשערה, העדשה היא במצב מתוח טבעי, התואם לצורה הדק של העדשה אשר אופטימאלית המוקד של עצמים רחוקים. כדי לשנות את המיקוד על עצמים קרובים יותר, ciliary השרירים מתכווצים, הסיבים zonular רגועות. בתורו, העדשה מסתבכת, הגדלת את עקמומיות משטח anterior ואת אחורי. זה תואם עלייה במחירי החשמל dioptric אשר יש צורך ליד חזון, לכן, אורך מוקד קצר יותר1.
היכולת להכיל בסכנה לאורך זמן באמצעות תנאי בשם זוקן ראייה. זוקן ראייה להשפיע על כולם בגיל 50, גורם לעין אפשרות לשנות באופן דינאמי את המוקד מן רחוק כדי לסגור את המרחקים3. כדי להילחם זוקן ראייה, שיטות הנוכחי הן סבילות כולל עדשות מתקנות, משקפיים. תוך הגדלת היכולת להתמקד באובייקטים קרובים-כמה מטוסים, טיפולים פאסיביים כאלה לא יכול לשחזר את היכולת מיקוד דינמי של עדשה4,5. על מנת לטפל ביעילות זוקן ראייה, או אולי למנוע את זה, אין צורך מתמשך להבין טוב יותר את לינה.
ללמוד עדשה לינה, פותחו מספר התקנים כדי לדמות את התופעה שמחוץ4,6,7,8,9. ספינינג דיסקים הוכנסו הראשון כדי לפקח על מתיחה של העדשה באמצעות כוחות צנטריפוגלי8. כדי להעתיק במדויק יותר את התופעה, עדשה מתיחה היו בהדרגה הציג והתקנים מומצאים. משתמש עם עדשה אלונקה, מנס ואח. אפיינו את הכוח הנדרש כדי להכיל את העדשה תוך מתאם כזה כוח העדשה, קוטר המשוונית9. ההבנה הנוכחית היא כי העדשה נעמד לו עם הגיל, וכתוצאה מכך שינוי מופחתת במצב עדשה בתגובה כוח שווה גוף ריסי3,10,11,12.
אלונקות עדשה הנוכחי לעתים קרובות כרוך תהליך מורכב, יישום אלקטרוניקה ושיעורי מתיחות לתכנות, ודורש כל גופה גלגל העין6,7,10,13. דרישה זו מגבירה את העלות לכל ניסוי כדי מעל $500.00 לכל עין ומקטינות מדגם זמינות. כאן אנו מציגים שיטה כדי לשכפל את העדשה לינה במחיר נמוך ככל שהעין האחורי סיכומים בסביבות $200.00. זמן פחות מתוחכמים יותר התקנים רבים בשימוש כיום, השיטה היא הרבה יותר חסכוני וגם לאימוץ מבלי להתפשר על תוצאות. שיטה זו גולת הכותרת אלונקה מדריך עדשה (MLS) מתואר באיור1, ומשתמש clamping מערכת ייחודי על הסיבים zonular, שיטה ומפותלים רדיאלי כדי להרחיב את קוטר העדשה. דיוק פיזיולוגיים של הפרוטוקול תאומת על-ידי הממצאים של ברנל ואח., מי למד השביל שבו הסיבים zonular anterior ואת אחורי מחובר עדשה כמוסה14. באמצעות עיצוב נעליים מותאמות אישית אשר דורשים רק את העדשה zonule, גוף ריסי, כיוונו ללמוד עדשה ביומכניקה על-ידי שכפול לינה פיזיולוגיים.

<table><tbody><tr><td>Manual Lens Stretcher</td><td>Bioniko</td><td>MLS</td><td>Different animal species will require different shoe sizes</td></tr><tr><td>Porcine Eye Samples</td><td>George G. Ruppersberger; slaughterhouse</td><td>N/A</td><td>Whole eyeballs were obtained</td></tr><tr><td>Human Eye Samples</td><td>The National Disease Research Interchange</td><td>N/A</td><td>Posterior poles without corneas were ordered</td></tr><tr><td>Dissecting Scissors (5 1/2&#039;&#039; Straight)</td><td>Electron Microsopy Sciences</td><td>72960</td><td></td></tr><tr><td>Tissue Forceps (4 1/2&#039;&#039;)</td><td>Electron Microsopy Sciences</td><td>72960</td><td></td></tr><tr><td>iPhone 6s</td><td>Apple</td><td>N/A</td><td>Any imaging system with ~0.1 mm resolution will work</td></tr><tr><td>Sodium Hypochorite</td><td>Clorox</td><td>Clorox Regular-Bleach</td><td>Any disinfectant will work</td></tr></tbody></table>

simulating the mechanics of lens accommodation via a manual lens stretcher

המטרה של פרוטוקול זה היא לחקות את ביומכניקה של לינה פיזיולוגיים באופן יעיל, מעשי. לינה מושגת דרך ההתכווצות של הגוף ריסי והרפיה של סיבי zonule, שתוצאתה התקרשות של העדשה הדרושות ליד חזון. כאן, נציג של הרומן, שיטה פשוטה שבה לינה המשוכפלים באמצעות מקשיח את zonules מחובר הקפסולה העדשה באמצעות אלונקה מדריך עדשה (MLS). שיטה זו מנטרת מושגת על ידי עדשה כאשר נתון עקבי כוח מתיחה רדיאלי ומאפשר השוואה של התאמת עדשות, אשר יכול להיות מתוח, כדי שאינו אדיב עדשות, אשר לא ניתן למתוח. חשוב מכך, האלונקה זוגות את zonules ישירות, ולא את sclera של העין, וכך רק מצריכים את העדשה, zonules, ועל גוף ריסי ולא המדגם בכל כדור הארץ. הפרש זה יכול להפחית באופן משמעותי את העלות של רכישת עדשות גווייה התורמים מאת על 62% לעומת רכישת של כל העולם.

העיניים חזירי, מדגם נפוצות ללמוד זוקן ראייה דרך העדשה מתיחה4,15, התקבלו, (n = 10) בית מטבחיים מקומיים, פרוטוקול זה שימש כדי לבחון את היכולת לינה של העדשות. איור 5 A מציג ההשוואה של העדשה חזירי לפני ואחרי מתיחת באמצעות ה-MLS....

Watch this Scientific Journal Video about Simulating the Mechanics of Lens Accommodation via a Manual Lens Stretcher at JoVE.com

Simulating the Mechanics of Lens Accommodation via a Manual Lens Stretcher

כדי לדמות את המכניקה של העדשה לינה דרך אלונקה מדריך עדשה

אנו מציגים שיטה יעילה של הלומדים עדשה לינה באמצעות אלונקה עדשה ידנית. פרוטוקול מחקה לינה פיזיולוגיים על ידי משיכת את zonules מחובר סביב הקפסולה העדשה, ובכך, מותח את העדשה.

The goal of this protocol is to mimic the biomechanics of physiological accommodation in a cost-efficient, practical manner. Accommodation is achieved ...

simulating-mechanics-lens-accommodation-via-manual-lens

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Bioengineering

6.7K Views.  University of Maryland. אנו מציגים שיטה יעילה של הלומדים עדשה לינה באמצעות אלונקה עדשה ידנית. פרוטוקול מחקה לינה פיזיולוגיים על ידי משיכת את zonules מחובר סביב הקפסולה העדשה, ובכך, מותח את העדשה.

Video: Simulating the Mechanics of Lens Accommodation via a Manual Lens Stretcher

Stretching Short Sequences of DNA with Constant Force Axial Optical Tweezers

Single-molecule techniques for stretching DNA of contour lengths less than a kilobase are fraught with experimental difficulties. However, many interesting biological events such as histone binding and protein-mediated looping of DNA1,2, occur on this length scale. In recent years, the mechanical properties of DNA have been shown to play a significant role in fundamental cellular processes like the packaging of DNA into compact nucleosomes and chromatin fibers3,4. Clearly, it is then important to understand the mechanical properties of short stretches of DNA. In this paper, we provide a practical guide to a single-molecule optical tweezing technique that we have developed to study the mechanical behavior of DNA with contour lengths as short as a few hundred basepairs.
The major hurdle in stretching short segments of DNA is that conventional optical tweezers are generally designed to apply force in a direction lateral to the stage5,6, (see Fig. 1). In this geometry, the angle between the bead and the coverslip, to which the DNA is tethered, becomes very steep for submicron length DNA. The axial position must now be accounted for, which can be a challenge, and, since the extension drags the microsphere closer to the coverslip, steric effects are enhanced. Furthermore, as a result of the asymmetry of the microspheres, lateral extensions will generate varying levels of torque due to rotation of the microsphere within the optical trap since the direction of the reactive force changes during the extension.
Alternate methods for stretching submicron DNA run up against their own unique hurdles. For instance, a dual-beam optical trap is limited to stretching DNA of around a wavelength, at which point interference effects between the two traps and from light scattering between the microspheres begin to pose a significant problem. Replacing one of the traps with a micropipette would most likely suffer from similar challenges. While one could directly use the axial potential to stretch the DNA, an active feedback scheme would be needed to apply a constant force and the bandwidth of this will be quite limited, especially at low forces.
We circumvent these fundamental problems by directly pulling the DNA away from the coverslip by using a constant force axial optical tweezers7,8. This is achieved by trapping the bead in a linear region of the optical potential, where the optical force is constant-the strength of which can be tuned by adjusting the laser power. Trapping within the linear region also serves as an all optical force-clamp on the DNA that extends for nearly 350 nm in the axial direction. We simultaneously compensate for thermal and mechanical drift by finely adjusting the position of the stage so that a reference microsphere stuck to the coverslip remains at the same position and focus, allowing for a virtually limitless observation period.

We illustrate the use of a constant force axial optical tweezers to explore the mechanical properties of short DNA molecules. By stretching DNA axially, we minimize steric hindrances and artifacts arising in conventional lateral manipulation, allowing us to study DNA molecules as short as ~100 nm.

מתיחת רצפים קצרים של DNA עם פינצטה חיל הצירי האופטית קבועה

Single-molecule techniques for stretching DNA of contour lengths  less than a kilobase are fraught with experimental difficulties. However, many ...

Stretching Micropatterned Cells on a PDMS Membrane

Mechanical forces exerted on cells and/or tissues play a major role in numerous processes. We have developed a device to stretch cells plated on a PolyDiMethylSiloxane (PDMS) membrane, compatible with imaging. This technique is reproducible and versatile. The PDMS membrane can be micropatterned in order to confine cells or tissues to a specific geometry. The first step is to print micropatterns onto the PDMS membrane with a deep UV technique. The PDMS membrane is then mounted on a mechanical stretcher. A chamber is bound on top of the membrane with biocompatible grease to allow gliding during the stretch. The cells are seeded and allowed to spread for several hours on the micropatterns. The sample can be stretched and unstretched multiple times with the use of a micrometric screw. It takes less than a minute to apply the stretch to its full extent (around 30%). The technique presented here does not include a motorized device, which is necessary for applying repeated stretch cycles quickly and/or computer controlled stretching, but this can be implemented. Stretching of cells or tissue can be of interest for questions related to cell forces, cell response to mechanical stress or tissue morphogenesis. This video presentation will show how to avoid typical problems that might arise when doing this type of seemingly simple experiment.

This manuscript presents a technique to apply or release forces on adherent cells or tissues using unidirectional stretching.

מתיחת תאי micropatterned בממברנה PDMS

Mechanical forces exerted on cells and/or tissues  play a major role in numerous processes. We have developed a device to stretch  cells plated on a ...

A Novel Stretching Platform for Applications in Cell and Tissue Mechanobiology

Tools that allow the application of mechanical forces to cells and tissues or that can quantify the mechanical properties of biological tissues have contributed dramatically to the understanding of basic mechanobiology. These techniques have been extensively used to demonstrate how the onset and progression of various diseases are heavily influenced by mechanical cues. This article presents a multi-functional biaxial stretching (BAXS) platform that can either mechanically stimulate single cells or quantify the mechanical stiffness of tissues. The BAXS platform consists of four voice coil motors that can be controlled independently. Single cells can be cultured on a flexible substrate that can be attached to the motors allowing one to expose the cells to complex, dynamic, and spatially varying strain fields. Conversely, by incorporating a force load cell, one can also quantify the mechanical properties of primary tissues as they are exposed to deformation cycles. In both cases, a proper set of clamps must be designed and mounted to the BAXS platform motors in order to firmly hold the flexible substrate or the tissue of interest. The BAXS platform can be mounted on an inverted microscope to perform simultaneous transmitted light and/or fluorescence imaging to examine the structural or biochemical response of the sample during stretching experiments. This article provides experimental details of the design and usage of the BAXS platform and presents results for single cell and whole tissue studies. The BAXS platform was used to measure the deformation of nuclei in single mouse myoblast cells in response to substrate strain and to measure the stiffness of isolated mouse aortas. The BAXS platform is a versatile tool that can be combined with various optical microscopies in order to provide novel mechanobiological insights at the sub-cellular, cellular and whole tissue levels.

We present in this article a novel stretching platform that can be used to investigate single cell responses to complex anisotropic biaxial mechanical deformation and quantify the mechanical properties of biological tissues.

פלטפורמה חדשני מתיחה עבור יישומים בתאים והרקמות mechanobiology

Tools that allow the application of mechanical forces to cells and tissues or that can quantify the mechanical properties of biological tissues have ...

Live Cell Imaging during Mechanical Stretch

There is currently a significant interest in understanding how cells and tissues respond to mechanical stimuli, but current approaches are limited in their capability for measuring responses in real time in live cells or viable tissue. A protocol was developed with the use of a cell actuator to distend live cells grown on or tissues attached to an elastic substrate while imaging with confocal and atomic force microscopy (AFM). Preliminary studies show that tonic stretching of human bronchial epithelial cells caused a significant increase in the production of mitochondrial superoxide. Moreover, using this protocol, alveolar epithelial cells were stretched and imaged, which showed direct damage to the epithelial cells by overdistention simulating one form of lung injury in vitro. A protocol to conduct AFM nano-indentation on stretched cells is also provided.

A novel imaging protocol was developed using a custom motor-driven mechanical actuator to allow the measurement of real time responses to mechanical strain in live cells. Relevant to mechanobiology, the system can apply strains up to 20% while allowing near real-time imaging with confocal or atomic force microscopy.

הדמיה של תא חי במהלך מכאני למתוח

There is currently a significant interest in understanding how cells and tissues respond to mechanical stimuli, but current approaches are limited in ...

Synthesis of Soft Polysiloxane-urea Elastomers for Intraocular Lens Application

This study discusses a synthesis route for soft polysiloxane-based urea (PSU) elastomers for their applications as accommodating intraocular lenses (a-IOLs). Aminopropyl-terminated polydimethylsiloxanes (PDMS) were previously prepared via the ring-chain equilibration of the cyclic siloxane octamethylcyclotetrasiloxane (D4) and 1,3-bis(3-aminopropyl)-tetramethyldisiloxane (APTMDS). Phenyl groups were introduced into the siloxane backbone via the copolymerization of D4 and 2,4,6,8-tetramethyl-2,4,6,8-tetraphenyl-cyclotetrasiloxane (D4Me,Ph). These polydimethyl-methyl-phenyl-siloxane-block copolymers were synthesized for increasing the refractive indices of polysiloxanes. For applications as an a-IOL, the refractive index of the polysiloxanes must be equivalent to that of a young human eye lens. The polysiloxane molecular weight is controlled by the ratio of the cyclic siloxane to the endblocker APTMDS. The transparency of the PSU elastomers is examined by the transmittance measurement of films between 200 and 750 nm, using a UV-Vis spectrophotometer. Transmittance values at 750 nm (upper end of the visible spectrum) are plotted against the PDMS molecular weight, and &#62; 90% of the transmittance is observed until a molecular weight of 18,000 g&#183;mol&#8722;1. Mechanical properties of the PSU elastomers are investigated using stress-strain tests on die-cut dog-bone-shaped specimens. For evaluating mechanical stability, mechanical hysteresis is measured by repeatedly stretching (10x) the specimens to 5% and 100% elongation. Hysteresis considerably decreases with the increase in the PDMS molecular weight. In vitro cytotoxicity of some selected PSU elastomers is evaluated using an MTS cell viability assay. The methods described herein permit the synthesis of a soft, transparent, and noncytotoxic PSU elastomer with a refractive index approximately equal to that of a young human eye lens.

This study describes synthetic routes for aminopropyl-terminated polydimethylsiloxanes and polydimethyl-methyl-phenyl-siloxane-block copolymers and for soft polysiloxane-based urea (PSU) elastomers. It presents the application of PSUs as accommodating an intraocular lens. An evaluation method for in vitro cytotoxicity is also described.

סינתזה של ששינינו רך-אוריאה אלסטומרי ליישום עדשה תוך-עיני

This study discusses a synthesis route for soft polysiloxane-based urea (PSU) elastomers for their applications as accommodating intraocular lenses ...

Chemistry

Production of a Strain-Measuring Device with an Improved 3D Printer

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in the analog electrical signal in a traditional strain gauge operation, a new strain measurement method is presented here. It uses a photographic technique to display the strain change by amplifying the change of the pointer displacement of the mechanism. A visual polydimethylsiloxane (PDMS) lens with a focal length of 7.16 mm was added to a smartphone camera to generate a lens group acting as a microscope to capture images. It had an equivalent focal length of 5.74 mm. Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and nylon amplifiers were used to test the influence of different materials on the sensor performance. The production of the amplifiers and PDMS lens is based on improved 3D printing technology. The data obtained were compared with the results from finite element analysis (FEA) to verify their validity. The sensitivity of the ABS amplifier was 36.03 &plusmn; 1.34 &#181;&epsilon;/&#181;m, and the sensitivity of the nylon amplifier was 36.55 &plusmn; 0.53 &#181;&epsilon;/&#181;m.

This work presents a strain measurement sensor consisting of an amplification mechanism and a polydimethylsiloxane microscope manufactured using an improved 3D printer.

הפקה של התקן מדידת מתח עם מדפסת תלת-ממד משופרת

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in ...

Engineering

Controlled Strain of 3D Hydrogels under Live Microscopy Imaging

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized in vitro stretching methods. Various available systems use 2D substrate-based stretchers, while the accessibility of 3D techniques to strain soft hydrogels, is more restricted. Here, we describe a method that allows external stretching of soft hydrogels from their circumference, using an elastic silicone strip as the sample carrier. The stretching system utilized in this protocol is constructed from 3D-printed parts and low-cost electronics, making it simple and easy to replicate in other labs. The experimental process begins with polymerizing thick (&#62;100 &#956;m) soft fibrin hydrogels (Elastic Modulus of ~100 Pa) in a cut-out at the center of a silicone strip. Silicone-gel constructs are then attached to the printed-stretching device and placed on the confocal microscope stage. Under live microscopy the stretching device is activated, and the gels are imaged at various stretch magnitudes. Image processing is then used to quantify the resulting gel deformations, demonstrating relatively homogenous strains and fiber alignment throughout the gel&#8217;s 3D thickness (Z-axis). Advantages of this method include the ability to strain extremely soft hydrogels in 3D while executing in situ microscopy, and the freedom to manipulate the geometry and size of the sample according to the user&#8217;s needs. Additionally, with proper adaptation, this method can be used to stretch other types of hydrogels (e.g., collagen, polyacrylamide or polyethylene glycol) and can allow for analysis of cells and tissue response to external forces under more biomimetic 3D conditions.

The presented method involves uniaxial stretching of 3D soft hydrogels embedded in silicone rubber while allowing live confocal microscopy. Characterization of the external and internal hydrogel strains as well as fiber alignment are demonstrated. The device and protocol developed can assess the response of cells to various strain regimes.

זן מבוקר של הידרוג'ל תלת מימדי תחת הדמיה מיקרוסקופית חיה

External forces are an important factor in tissue formation, development, and maintenance. The effects of these forces are often studied using specialized ...

אפיון ביומכני של עדשת עין חזירית עם דחיסה אוטומטית

Automated Compression Testing of the Ocular Lens

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically with age in the human lens, resulting in a loss of near vision called presbyopia. However, the mechanisms of these changes remain unknown. Lens compression offers a relatively simple method for assessing the lens' biomechanical stiffness in a qualitative sense and, when coupled with appropriate analytical techniques, can help quantify biomechanical properties. A variety of lens compression tests have been performed to date, including both manual and automated, but these methods inconsistently apply key aspects of biomechanical testing such as preconditioning, loading rates, and time between measurements. This paper describes a fully automated lens compression test wherein a motorized stage is synchronized with a camera to capture the force, displacement, and shape of the lens throughout a preprogrammed loading protocol. A characteristic elastic modulus may then be calculated from these data. While demonstrated here using porcine lenses, the approach is appropriate for the compression of lenses of any species.

מחבר זרקור: קידום ההבנה של שינויים בנוקשות עדשות תלויות גיל 

We present an automated method for characterizing the effective elastic modulus of an ocular lens using a compression test.

בדיקת דחיסה אוטומטית של עדשת העין

The biomechanical properties of the ocular lens are essential to its function as a variable power optical element. These properties change dramatically ...

כדי לדמות את המכניקה של העדשה לינה דרך אלונקה מדריך עדשה

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

מתיחת רצפים קצרים של DNA עם פינצטה חיל הצירי האופטית קבועה

מתיחת תאי micropatterned בממברנה PDMS

פלטפורמה חדשני מתיחה עבור יישומים בתאים והרקמות mechanobiology

הדמיה של תא חי במהלך מכאני למתוח

סינתזה של ששינינו רך-אוריאה אלסטומרי ליישום עדשה תוך-עיני

הפקה של התקן מדידת מתח עם מדפסת תלת-ממד משופרת

זן מבוקר של הידרוג'ל תלת מימדי תחת הדמיה מיקרוסקופית חיה

בדיקת דחיסה אוטומטית של עדשת העין

בדיקת דחיסה אוטומטית של עדשת העין

בדיקת דחיסה אוטומטית של עדשת העין