توصيف النشاط الحيوي للأنسجة لينة الإنسان عن طريق المسافة البادئة واختبار الشد
December 13th, 2016
الهدف العام من هذه التقنية هو استخدام اختبار المسافة البادئة والشد لتوصيف الخواص الميكانيكية للأنسجة الرخوة البشرية. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال هندسة الأنسجة ، مثل مدى صلابة عملية زرع لتحل محل عضو بشري فاشل أو مصاب. تتمثل المزايا الرئيسية لهذه التقنيات في أنها غير مدمرة وسهلة التنفيذ.
خطرت لنا فكرة هذه الطريقة لأول مرة عندما كنا نصمم غرسات الأذن والأنف الاصطناعية ، وتساءلنا عن مدى صلابة المادة. بشكل عام ، سيكافح الأفراد الجدد في هذه الطريقة بسبب التحضير غير الصحيح للعينة والصعوبات في إعداد الاختبارات بشكل صحيح. للبدء ، احصل على عينة من الجلد ، أو أنسجة أخرى ، من المرضى الموافقين الذين يخضعون لعمليات جراحية ، أو أجسام الجثث الموافق عليها لأغراض البحث.
ضع عينة الجلد في طبق بتري ، وقم بتغطيتها ب PBS للحفاظ على رطوبة الأنسجة. استخدم شفرة مشرط وملقط لتشريح الأنسجة الدهنية والطبقة الرقيقة من الأدمة العميقة يدويا من العينة. قطع الصفيحة الناتجة من الجلد المنقسم إلى شرائح بحجم واحد في خمسة سنتيمترات.
ثم تخلص من شفرات المشرط المستخدمة في صندوق الأدوات الحادة. أخيرا ، استخدم الفرجار لقياس سمك الجلد. يجب أيضا قياس السماكة بعد الاختبار الميكانيكي.
اختبر عينات الجلد في التوتر أحادي المحور باستخدام آلة اختبار المواد المعايرة في درجة حرارة الغرفة. ابدأ بتوجيه عينات الجلد بحيث يكون الاتجاه الطبيعي لألياف الكولاجين في نفس الاتجاه ، وفقا لخطوط لانجر. بعد ذلك ، قم بتحميل العينة في المقابض ، بحيث يكون اتجاه القوة المطبقة إما متماشيا مع خطوط لانجر ، أو عموديا عليها.
قم بتثبيت العينة عن طريق شد المقابض بالإصبع بحيث يتم وضع ما يقرب من 0.5 سم من العينة في كل قبضة. تأكد من توصيل إحدى مقابض آلة الاختبار بخلية تحميل مناسبة ، والأخرى بلوحة قاعدة ثابتة. بمجرد تأمينه، قم بتغطية منطقة العينة على كلا الجانبين بالفازلين لمنع جفاف العينة.
الآن ، قم ببرمجة نظام اختبار تحميل الشد والاسترخاء في البرنامج بحيث يتم تحميل العينة بمعدل واحد ملليمتر في الثانية ، إلى توتر 29.42 نيوتن. بمجرد أن يصل النسيج إلى توتر 29.42 نيوتن ، اضبط البرنامج على إبقاء الإزاحة ثابتة لمدة ساعة ونصف ، للسماح للأنسجة بالاسترخاء ، مع الاستمرار في مراقبة التغير في التوتر. عند الانتهاء ، استخدم الفرجار مرة أخرى لقياس سمك العينة.
بعد الحصول على عينة غضروف من فرد موافق ، ضعه في طبق بتري ، وقم بتغطيته ب PBS. استخدم شفرة مشرط وملقط لإزالة الجلد واللفافة من العينة. ثم قم بتقطيع عينات الغضروف إلى مربعات 1.5 سم.
بمجرد القطع ، قم بقياس سمك الغضروف المراد تحميله باستخدام الفرجار. يجب أن يكون حجم العينة النهائي أكبر بثماني مرات على الأقل من قطر المسافة البادئة. قم بتوسيط عينة الغضروف أسفل المسافة البادئة على قاعدة كبيرة غير منفذة ، وقم بتوجيهها بحيث يكون السطح عموديا على المسافة البادئة.
هذا يسمح للضغط بأن يكون أحادي المحور ، ويحد من أي شفاف. بعد ذلك ، قم بتغطية الغضروف في PBS ، وحافظ على رطوبة العينة طوال الاختبار. قم ببرمجة نظام اختبار التحميل والاسترخاء الانضغاطي في البرنامج ، بحيث يتم تحميل العينة بمعدل ملليمتر واحد في الثانية إلى قوة ضغط قدرها 2.94 نيوتن.
بعد الوصول إلى حمولة 2.94 نيوتن ، حافظ على المسافة البادئة في نفس الموضع ، واترك الغضروف يرتاح لمدة 15 دقيقة. بمجرد الانتهاء ، حرر العينة ، وقم بقياس سمك العينة مرة أخرى. لتقييم مرونة اللزوجة لأنسجة الجلد بعد اختبار الشد ، يتم تضمين جميع القيم في مخطط إجهاد الإجهاد لحساب معامل يونغ ، حتى يكون لمنحنى الخط قيمة R لا تقل عن 0.98.
يتم استخدام مخطط الإجهاد مقابل الوقت لتقييم خصائص الاسترخاء للجلد. يتم حساب معدل الاسترخاء من آخر 200 ثانية من البيانات التي تم جمعها ، والتي تساوي في هذه العينة 3.1 في عشرة أس خمسة ميجا باسكال في الثانية. الرسم البياني الموضح هنا هو أمثلة على بيانات الإجهاد مقابل الإجهاد ، والتي توضح نتائج اختبار المسافة البادئة على الغضروف البشري.
كما هو الحال مع حساب معامل يونغ لعينة الجلد ، يتم استخدام القيم الموجودة في نهاية المنحنى للغضروف ، طالما أنها تتناسب مع الحد الأدنى لقيمة R البالغة 0.98. معدل الاسترخاء للغضروف 8.78 في عشرة أس سالب ستة ميجا باسكال في الثانية ومستوى نهائي مطلق من الاسترخاء يبلغ 0.028 ميجا باسكال. بمجرد إتقانها ، يمكن إجراء هذه التقنية في سبع ساعات إذا تم إجراؤها بشكل صحيح.
أثناء محاولة هذا الإجراء، من المهم أن تتذكر أن يكون لديك بروتوكول تشريح قابل للتكرار وأبعاد عينة. باتباع هذا الإجراء ، يمكن تشكيل طرق أخرى ، مثل التحميل الدوري ، من أجل الإجابة على أسئلة إضافية ، مثل كيفية تصرف الأنسجة تحت الأحمال الفسيولوجية والديناميكية. تمهد هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال الميكانيكا الحيوية لاستكشاف استخدام هذه التقنية غير المدمرة للاختبار الميكانيكي غير الجراحي في الجسم الحي.
لا تنس أن العمل مع الأنسجة البشرية يمكن أن يكون خطيرا للغاية ، ويجب دائما اتخاذ الاحتياطات مثل القفازات أثناء تنفيذ هذا الإجراء.
نظرة عامة
يقدم هذا التقرير بروتوكولات ميكانيكية غير مدمرة لتحديد الخصائص المرنة واللزجة-المرنة للأنسجة الرخوة البشرية. يمكن تطبيق الطرق الموصوفة على الركيزة المهندسة نسيجيًا، مما يسهل تطابقًا وثيقًا بين المواد المهندسة والأنسجة الطبيعية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- الميكانيكا الحيوية
- الهندسة النسيجية
- الاختبار الميكانيكي
الخلفية
- الميكانيكا الحيوية للأنسجة ضرورية للحفاظ على شكل الخلية ووظيفتها.
- فهم خصائص الأنسجة يساعد في تصميم الزرعات لاستبدال الأعضاء.
- تفضّل طرق الاختبار غير المدمرة لتقييم ميكانيكا الأنسجة.
- تحضير العينة أمر بالغ الأهمية للحصول على نتائج اختبار دقيقة.
غرض الدراسة
- لتحديد الخصائص الميكانيكية للأنسجة الرخوة البشرية باستخدام الاختبار بالإغراز والشد.
- لتحديد الصلابة المثلى للزرعات المهندسة نسيجيًا.
- لتوفير بروتوكول قابل للتكرار للباحثين في مجال الميكانيكا الحيوية.
الطرق المستخدمة
- الاختبار بالإغراز والشد على عينات الجلد والغضاريف.
- تحضير العينة الذي يشمل التشريح والترطيب باستخدام PBS.
- قياس سماكة الأنسجة قبل وبعد الاختبار.
- تحليل البيانات لخصائص يونغ والخصائص الاسترخائية.
النتائج الرئيسية
- تحديد ناجح للخصائص اللزوجة-المرنة للجلد والغضاريف.
- تحديد معدلات الاسترخاء لكلا نوعي الأنسجة.
- تأسيس بروتوكول تشريح قابل للتكرار لتحضير العينات.
- أفكار حول كيفية تصرف الأنسجة تحت الأحمال الفسيولوجية.
الاستنتاجات
- تسمح هذه التقنية بالاختبار الميكانيكي غير الغازي للأنسجة البشرية.
- توفر بيانات قيمة لتطوير الزرعات المهندسة نسيجيًا.
- الاحتياطات الأمنية ضرورية عند التعامل مع الأنسجة البشرية.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
Accurate biomechanical characterization of human soft tissues is critical for developing tissue-engineered implants that match native mechanical properties, reducing failure risk and improving translational outcomes. Non-destructive indentation and tensile testing protocols enable R&D teams to benchmark engineered materials against physiological standards, supporting predictive confidence in early-stage regenerative medicine pipelines. Standardized mechanical data facilitate portfolio triage and de-risking at key discovery and preclinical inflection points.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative assessment of tissue stiffness and viscoelasticity for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying material-tissue compatibility requirements.
- Provides reference benchmarks for evaluating new biomaterials against native tissue properties.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated tissue samples for reproducible mechanical testing workflows.
- Standardizes assay conditions to ensure comparability across studies and platforms.
- Generates quantitative outputs (e.g., Young's modulus, relaxation rates) for reliable material screening.
Translational & Preclinical Research
- Aligns engineered material properties with disease-relevant tissue mechanics for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement decisions by providing physiologically relevant mechanical benchmarks.
- Supports preclinical model selection and validation based on mechanical property alignment.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the regenerative medicine discovery continuum, from early material design through preclinical validation, by providing standardized mechanical benchmarks for both native and engineered tissues.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on material suitability and tissue replacement potential.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative mechanical data for candidate material evaluation.
- Analytics: Provides stress-strain and relaxation measurements to compare tissue and scaffold performance.
- Translational Research: Ensures engineered constructs meet physiological mechanical requirements for in vivo application.
- Enterprise Reuse: Establishes a repeatable, minimally destructive protocol adaptable across tissue types and biomaterial platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection and target validation for tissue engineering.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization of mechanical testing across R&D teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and reduces late-stage biological risk in regenerative portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates based on quantitative mechanical benchmarks.
Implementation Considerations
- Requires expertise in tissue dissection, sample preparation, and mechanical testing instrumentation.
- Demands access to calibrated materials testing machines and analytical software for data interpretation.
- Necessitates cross-team standardization of sample dimensions and testing protocols for comparability.
- Adaptable to various soft tissue types and synthetic materials with protocol modifications as needed.
- Careful handling and safety precautions are essential when working with human tissues.
