خارج الحي تحميل الميكانيكية للوتر

اسمي ديفيد ريمبل، وأنا عضو هيئة تدريس في قسم الهندسة الحيوية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي. تتضمن التجربة التي ستشاهدونها تمديد الأوتار، والغرض منها في الواقع هو محاولة فهم الآلية الكامنة وراء اضطرابات الأوتار في المعصم والمرفق.

تُعد هذه الاضطرابات الوترية شائعة بين الرياضيين والعاملين الذين يقومون بأعمال تكرارية بأيديهم. سيقوم كريش سوندي، أحد طلاب الدكتوراه في مختبرنا، بتوضيح عدة ميزات للنظام، وتحديداً قياس مساحة المقطع العرضي للوتر. وسيقوم بتحميل الأوتار في المشغلات الميكانيكية.

سوف يوضح كيفية تحميل النظام على الوتر بشكل دوري على مدار 24 ساعة، ثم إزالة الوتر من النظام. حسنًا، هذا هو نظام التحميل الذي قمنا بتصميمه وبنائه. وكما ترون، فإنه يتكون من ستة مشغلات ميكانيكية.

هذه مشغلات عالية الدقة، قادرة على تطبيق إزاحة قدرها 1 µm، وتتصل بها على التوالي خلية تحميل لتسجيل الأحمال المطبقة على الأوتار. وتتصل بخلية التحميل هذه مشابك تمتد لمسافة كافية بحيث يمكن غمرها في الأوساط الغذائية للحفاظ على حيوية الأوتار. ثم يُوضع هذا النظام بأكمله في حمام مائي للحفاظ على درجة حرارة الأوساط عند 37 °C.

سأوضح لكم الآن كيفية تحميل الوتر في هذا النظام. الخطوة الأولى التي يجب القيام بها هي قياس مساحة المقطع العرضي للوتر حتى نتمكن من تطبيق الإجهادات المناسبة. هل يمكنك مناولتي الأنبوب الذي يحتوي على الوتر؟

الآن، تم استئصال هذه الأوتار من أرنب نيوزيلندي أبيض. لقد جُلبت للتو، لذا فهي لا تزال حديثة، حيث لم يمر سوى أقل من ساعتين على قتل الأرنب رحمةً. الجزء الذي أقيس مساحة مقطعه العرضي من الوتر هو الجزء الأكثر نحافة فيه.

وذلك لأن هذه النقطة هي التي ستتعرض لأكبر قدر من الإجهادات نتيجة صغر مساحة المقطع العرضي. هل يمكنك الآن وضع الوزن فوق المكبس؟ سننتظر الآن لمدة 30 ثانية من أجل قراءة السماكة التي بلغت 1.3.

هل يمكنك رفع المكبس وإعادة الوتر إلى الوسط؟ وسأقوم بفك المشغل الذي سأقوم بتحميل الوتر فيه. والآن سأقوم بتثبيت وتر في المشابك.

يمكننا هنا رؤية لقطة مقربة للمشغل الميكانيكي. يمكنك رؤية المشغل نفسه، وخلية التحميل، والمشابك التي تمتد بعيداً. هذه الوسادات يتم تقطيعها بعرض يتراوح تقريباً بين نصف بوصة إلى ثلاثة أرباع البوصة، وبطول يبلغ حوالي بوصة ونصف.

بعد ذلك، خذ هذه الضمادات الشاشية واغمسها في الوسط الغذائي لترطيبها؛ فهذا يسهل عملية اللف. ثم ضع شرائط الشاش الملفوفة هذه في أخاديد هذه المشابك المتعرجة. سأقوم الآن بإزالة الوتر من الوسط الغذائي.

هذا الطرف هو موقع اندغراس وتر العضلة القابضة في نهاية إصبع الأرنب. هذه المنطقة هنا هي منطقة غضروف ليفي. يتم وضع الوتر بحيث يتم تثبيت منطقة الغضروف الليفي داخل المشبك القريب.

يتم بعد ذلك تثبيت الوتر بالمشبك، ومرة أخرى، تُربط البراغي بعزم دوران قدره 1 newton meter. ثم يُقص الجزء الزائد من الوتر، وبذلك يصبح المشغل مثبتًا في الدعامة ويُغمر الوتر والمشابك بالكامل في الوسط المعدل. ويُتبع الإجراء ذاته لتركيب الأوتار على المشغلات اللاحقة.

كما ترون، لدينا ستة في المجموع، لذا يمكننا القيام بذلك باستخدام ستة أوتار فردية. يتم بعد ذلك رفع هذا النظام بأكمله ووضعه في حمام مائي للحفاظ على الوسط عند 37 درجة. والآن سنقوم بتطبيق حمل دوري على الوتر يتراوح بين 0.5 و5 ميجاباسكال.

البرنامج الذي نستخدمه هو LabVIEW وهو مكتوب خصيصاً لهذا الغرض. أول ما نقوم به هو تهيئة الوتر مسبقاً، حيث نطبق 20 دورة من الحمل الدوري تتراوح بين 0.5 megapascals و 2 megapascals.

بالنسبة للسماكة المقاسة، استخدم الميكرومترات الأربعة الموردة لإدخال هذه القيمة، وسيقوم البرنامج تلقائيًا بحساب مساحة المقطع العرضي. بعد ذلك، سيوجه البرنامج المشغل لزيادة الإزاحة حتى يتم تطبيق حمل قدره two megapascal على الوتر.

ما نتابعه هنا هو الأثر الأرجواني. وبمجرد تطبيق حمل بمقدار 2 megapascal على الوتر، سيقوم البرنامج بعد ذلك بتطبيق حمل بمقدار 0.5 megapascal على الوتر. وبمجرد تحديد هذين الحملين، سيقوم البرنامج بالتدوير بينهما، مع تحديث الموضع باستمرار بين هذين الحملين المطلوبين.

يتم إجراء هذا التحميل بمعدل 10 ميجاباسكال في الثانية وبتردد 0.5 هيرتز. وبمجرد تهيئة الوتر، نسعى بعد ذلك للوصول إلى حمل قدره 0.5 نيوتن. ونحدد طول الوتر تحت حمل 0.5 نيوتن بأنه طول القياس للوتر.

بمجرد أن يحدد البرنامج هذا الحمل، نقرأ موضع المشغل، وهذا الموضع، الذي يقرأ حالياً 6825، يمثل طول القياس للوتر. وبعد تسجيل طول قياس الوتر، نعود إلى برنامج التحميل الدوري، ونقوم بإدخال القيم المطلوبة وهي 5 megapascals و 0.5 megapascals، ثم ندخل العدد الإجمالي للدورات التي نريد تحميل الوتر حتىها، ونشغل البرنامج نفسه مرة أخرى من أجل تحميل الوتر دورياً بين 0.5 و 5 megapascals. ويتم هذا التحميل بمعدل 10 megapascals في الثانية وبتردد 0.5 hertz.

بعد التحميل الدوري، والذي يستمر عادةً لمدة 24 ساعة، يتم إزالة المشغل الميكانيكي من النظام، ومن ثم يمكن قطع الوتر ومعالجته حسب الرغبة. لقد شاهدتم للتو أوتارنا التي تم استئصالها بطريقة معقمة من الأرانب. كانت العملية التي شاهدتموها عملية شبه معقمة، ولكنها أدت إلى تحميل دوري للأوتار على مدار فترة زمنية مدتها 24 ساعة.

يتم تحليل الأوتار لاحقاً باستخدام R-T-P-C-R لدراسة التعبير الجيني. كما نقوم أيضاً بتحليل الأوتار لرصد تغيرات أخرى، مثل التغيرات الهيكلية والمؤشرات النسيجية الأخرى. وفي النهاية، فإن الغرض من هذه التجربة هو تحديد تأثير أنماط التحميل المختلفة على الآليات الأساسية لإصابة الأوتار والتي قد تكون مرتبطة باعتلال الأوتار والتهاب الأوتار.