人体软组织的生物力学特性采用压痕和拉伸试验
December 13th, 2016
组织生物力学对于维持细胞形状和功能以及确定表型很重要。本报告展示了用于表征人体软组织弹性和粘弹性能的无损机械方案，这些方案可以直接应用于组织工程基材，以实现工程材料与天然组织的紧密匹配。
该技术的总体目标是使用压痕和拉伸测试来表征人体软组织的机械性能。这种方法可以帮助回答组织工程领域的关键问题，例如我应该制作多硬的植入物来替换衰竭或受伤的人体器官。这些技术的主要优点是它们是非破坏性的，并且易于实现。
当我们设计合成耳鼻植入物时，我们第一次想到了这种方法，并想知道我们应该让这种材料变得多硬。通常，由于样品制备不正确和难以正确设置测试，刚接触这种方法的人会很挣扎。首先，从同意接受外科手术的患者或同意用于研究目的的尸体那里获取皮肤样本或其他组织。
将皮肤样品放入培养皿中，并用 PBS 覆盖以保持组织湿润。使用手术刀刀片和镊子从样本中手动解剖脂肪组织和深层真皮薄层。将得到的分割厚度的皮肤片切成 1 x 5 厘米的条带。
然后，将用过的手术刀刀片丢弃到锐器箱中。最后，使用卡尺测量皮肤的厚度。机械测试后还需要测量厚度。
在室温下使用校准的材料试验机在单轴张力下测试皮肤样品。首先根据 Langer 线确定皮肤样品的方向，使胶原纤维的自然方向都在同一方向上。接下来，将样品加载到夹具中，使施加的力的方向与 Langer 线一致或垂直于它们。
用手拧紧夹具固定样品，以便将大约 0.5 厘米的样品放入每个夹具中。确保试验机的一个夹具连接到适当的力传感器上，另一个连接到不固定的底板上。固定后，用凡士林覆盖两侧的样品区域，以防止样品干燥。
现在，将拉伸载荷和松弛测试机制编程到软件中，以便以每秒 1 毫米的速度加载样品，达到 29.42 牛顿的张力。一旦组织达到 29.42 牛顿的张力，将程序设置为保持位移恒定一个半小时，让组织放松，同时继续监测张力的变化。完成后，再次使用卡尺测量样品的厚度。
从同意的人那里获得软骨标本后，将其放入培养皿中，并用 PBS 覆盖。使用手术刀刀片和镊子从标本上去除皮肤和筋膜。然后，将软骨标本切成 1.5 厘米见方。
切割后，使用卡尺测量要加载的软骨的厚度。最终样品量应至少比压头直径大八倍。将软骨样品在压头下方的一个大的不透水底座上居中，并调整其方向，使表面垂直于压头。
这允许压缩是单轴的，并限制任何 shere。然后，用 PBS 覆盖软骨，并在整个测试过程中保持样品水合。将压缩载荷和松弛测试机制编程到软件中，以便以每秒 1 毫米的速度加载样品，压缩力为 2.94 牛顿。
达到 2.94 牛顿负荷后，将压头保持在相同位置，让软骨放松 15 分钟。完成后，释放样品，并再次测量样品的厚度。为了评估拉伸测试后皮肤组织的粘弹性，应力应变图中的所有值都包含在杨氏模量计算中，直到线曲线拟合的最小 R 值为 0.98。
应力与时间图用于评估皮肤的松弛特性。松弛速率是根据收集数据的最后 200 秒计算得出的，对于此示例，该比率为每秒 3.1 乘以 10 到 5 兆帕。此处显示的图表是应力与应变数据示例，显示了人体软骨压痕测试的结果。
与皮肤样本的杨氏模量计算一样，曲线末端的值用于软骨，只要它们符合最小 R 值 0.98 即可。软骨的弛豫率为 8.78 乘以 10 至每秒负 6 兆帕，绝对最终松弛水平为 0.028 兆帕。一旦掌握，如果执行得当，这项技术可以在 7 小时内完成。
在尝试此过程时，请务必记住要有可重复的解剖方案和样本尺寸。按照这个程序，可以形成其他方法，如循环负荷，以回答其他问题，例如组织在生理、动态负荷下的行为。这项技术为生物力学领域的研究人员探索使用这种无损技术进行体内非侵入性力学测试铺平了道路。
不要忘记，与人体组织一起工作可能非常危险，因此在执行此程序时应始终采取预防措施，例如戴手套。
概述
本报告介绍了用于表征人体软组织弹性和粘弹性特性的无损机械协议。所描述的方法可应用于组织工程基底，促进工程材料与天然组织之间的紧密匹配。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物力学
- 组织工程
- 机械测试
背景
- 组织生物力学对于维持细胞形态和功能至关重要。
- 了解组织特性有助于设计器官替代植入物。
- 评估组织力学时，优先考虑无损测试方法。
- 样品准备对于准确的测试结果至关重要。
研究目的
- 使用压入和拉伸测试表征人体软组织的机械特性。
- 确定组织工程植入物的最佳刚度。
- 为生物力学研究人员提供可重复的协议。
使用的方法
- 皮肤和软骨样本的压入和拉伸测试。
- 样品准备涉及解剖和用PBS水化。
- 测量测试前后的组织厚度。
- 对杨氏模量和舒张特性进行数据分析。
主要结果
- 成功表征了皮肤和软骨的粘弹性特性。
- 确定了两种组织类型的舒张率。
- 建立了样品准备的可重复解剖协议。
- 洞察组织在生理负载下的行为。
结论
- 该技术允许对人体组织进行无损机械测试。
- 它为组织工程植入物的开发提供了宝贵的数据。
- 处理人体组织时，安全预防措施至关重要。
常见问题
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.
