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Als wichtiges interdisziplinäres Forschungsfeld decken Biomaterialien und Biomechanik die Beziehungen und Mechanismen zwischen der Struktur, Leistung und Funktion von Biomaterialien durch experimentelle Forschung und theoretische Analyse auf, die mit Materialwissenschaften, Mechanik, Bioingenieurwesen, Mathematik usw. verbunden ist. Um die experimentellen Methoden der Biomaterialien und der Biomechanik zu verbessern, werden in dieser JoVE Methodensammlung die entsprechenden experimentellen Methoden und ihre jeweiligen Eigenschaften in zwei Kategorien diskutiert: gewebemechanische Eigenschaften und bionische Mechanik. Die gewebemechanischen Beobachtungen umfassen eine 3D-Hydrogel-Dehnungsmethode, eine duale photoakustische Rasterscanning-Methode, eine dezellularisierungsfreie Methode der menschlichen Bauchspeicheldrüse und eine Entkopplungsmethode von Zug- und Scherspannungen an röhrenförmigen Gerüsten. Die bionischen Mechanik-Beobachtungen umfassen eine Datenerfassungsmethode zur Bewegung der unteren Gliedmaßen und zur Haltungskontrolle bei Patienten mit Knöchelinstabilität.
Zu den Auswirkungen mechanischer Kraft auf die Organisation gehören hauptsächlich die Genexpression, die Zelldifferenzierung, der Umbau des Gewebes 1,2,3 und Veränderungen der extrazellulären Matrix (ECM)4,5,6. Das Verständnis der Reaktion des Gewebes auf mechanische Kräfte 7,8,9 wird die Entwicklung des Gebiets des Tissue Engineering und der theoretischen Modelle unterstützen. Kolel et al.10 schlagen eine Methode zum Dehnen von 3D-Hydrogelen vor, die eine statische oder zyklische einachsige Dehnung während eines konfokalen Mikroskops ermöglicht. Sie formten ein Fibringel mit einem Loch von etwa 2 mm Durchmesser auf 0,5 mm dicken Silikonkautschukstreifen, und dann wurde eine uniaxiale Dehnung unter konfokaler Lebendmikroskopie durchgeführt. Schließlich diskutieren sie die Möglichkeit, Zellen in Hydrogele einzubetten und sie einer kontrollierten externen Dehnung auszusetzen. Das in diesem Protokoll verwendete Dehnungssystem besteht aus 3D-Druckkomponenten und kostengünstigen elektronischen Komponenten. Das System weist im Vergleich zu anderen bestehenden Methoden die folgenden einzigartigen Merkmale auf. Erstens ermöglicht das System die einachsige Dehnung von dicken 3D-Weichhydrogelen, und das gesamte Hydrogel hat eine Z-gleichmäßige Verformung. Zweitens ist es aufgrund der Einfachheit des 3D-Drucks und der geringen Kosten dieser Ausrüstung einfach, diese Art von Dehnungsgeräten in anderen Labors zu bauen. Drittens können die Geometrie und Größe der Probe je nach Benutzer frei bedient werden. Diese Methode hat die Fähigkeit verbessert, äußere Kräfte auf biologische Prozesse unter physiologischeren 3D-Bedingungen zu untersuchen, und hat zum Bereich des Tissue Engineering beigetragen.
Die Bildgebung von Kleintieren spielt eine wichtige Rolle bei der Erforschung homologer Erkrankungen des Menschen und bei der Suche nach wirksamen Behandlungsmethoden. Die photoakustische Bildgebung (PAI) ist eine nicht-invasive Bildgebungstechnologie, die die Vorteile der optischen Bildgebung und der Ultraschallbildgebung kombiniert11,12. Yang et al.13 berichten über einen dualen Raster-Scanning-Photoakustik-Imager (DRS-PAI), und durch das akustische Kopplungsscannen verschiedener Teile von Mäusen werden die Gefäßbilder im WIM- bzw. RIM-Modus gesammelt. Der Vorteil von DRS-PAI besteht darin, dass WIM und RIM in einem System integriert sind und eine hochauflösende Weitfeld-Gefäßvisualisierung der Blutdynamik in Echtzeit ermöglichen. Der Echtzeit-Bildgebungsmodus (RIM) kann die Eigenschaften der Atmung oder des Pulses aufdecken, indem die Verschiebung des Gefäßsystems entlang der Tiefenrichtung gemessen wird. Darüber hinaus kann RIM den spezifischen Bereich der WIM-Bilder quantitativ messen. Durch den Vergleich der Bilder können die Details lokaler Veränderungen genau aufgedeckt werden. Diese Methode lässt sich gut auf verschiedene Bereiche der biomedizinischen Grundlagenforschung übertragen.
Die steigende Nachfrage nach Inselzellen stellt höhere Anforderungen an die Isolierung von Inselzellen 14,15,16. Tamburrini et al.17 schlagen eine neue, detergenzienfreie Dezellularisierungsmethode vor, die weniger EZM-Schäden verursacht und kritische Komponenten der Pankreas-EZM erhalten kann. Die Dezellularisierungsmethode vermeidet den Einsatz klassischer ionischer und nichtionischer chemischer Reinigungsmittel. Darüber hinaus fördert die Dezellularisierung von Gewebe in einem Orbitalvibrator anstelle der Injektion von Detergens durch ein Gefäßsystem die Einfachheit, Konsistenz und Machbarkeit der Dezellularisierungstechnologie erheblich und erhöht somit die Produktion von ECM für die Translation. Da die derzeitigen azellulären Methoden das verbleibende Triton X-100 auf der ECM-Postdezellularisierung nicht quantifizieren können und die Machbarkeit einer Ausweitung des Herstellungsprozesses in der cGMP-Umgebung gering ist, untersuchten sie auch die Machbarkeit einer Dezellularisierung durch mechanische Vibration anstelle einer Perfusion der gesamten Bauchspeicheldrüse. Die Daten zur Quantifizierung von Kollagen und Glykosaminoglykanen zeigen einen Trend, der mit den bisherigen Erfahrungen übereinstimmt. Bei der Verwendung dieses Protokolls wurden einige Einschränkungen festgestellt. Daher gelten humane Bauchspeicheldrüsen von Spendern mit einem BMI <30 im Allgemeinen als geeignet für die Dezellularisierung.
Die Verwendung von resorbierbaren Biomaterialien, um die Regeneration direkt in vivo zu induzieren, ist eine attraktive Strategie 18,19,20,21,22, aber diese Art von Biomaterial kann nach der Implantation eine Entzündungsreaktion hervorrufen, die auch die treibende Kraft für die nachfolgende Resorption und Regeneration von neuem Gewebe ist. Sowohl der Entzündungs- als auch der Regenerationsprozess werden durch die Zug- und Schubspannung bestimmt. Koch et al.23 beschreiben ausführlich den Einsatz eines Bioreaktors zur Entkopplung von Zug- und Schubspannungen an Rohrgerüsten. Sie schlagen vor, dass die Anwendung dieses röhrenförmigen Bioreaktorsystems dazu beitragen wird, ihre individuellen und kombinierten Auswirkungen in der Mechanik zu untersuchen. Dieser Bioreaktor bewertet systematisch die Beiträge von Scherspannung und zyklischer Dehnung zur Entzündung und Geweberegeneration in röhrenförmigen resorbierbaren Gerüsten. Dies ermöglicht es auch, die Entzündungs- und Regenerationsfähigkeit unter dem Einfluss von röhrenförmigen Stents unter gut kontrollierten mechanischen Belastungen zu standardisieren. Die wichtigsten Schritte dieser Methode werden ausführlich besprochen: der Bau und die Einrichtung des Bioreaktors, die Vorbereitung des Gerüsts und der Zellinokulation, die Anwendung und Aufrechterhaltung der Dehnungs- und Scherströmung, die Probenentnahme und die Analyse. Mit diesem System kann eine Vielzahl von Tissue-Engineering-Gefäßtransplantaten getestet werden (z. B. synthetische oder natürliche Quellen, unterschiedliche Mikrostrukturen, unterschiedliche Porositäten). Um die Anwendung von Scherspannung und -spannung effektiv zu entkoppeln, werden im Bioreaktor folgende Schlüsselkonzepte verwendet. Zunächst werden die Schubspannung und die Dehnungsregelung mit unterschiedlichen Pumpensystemen getrennt. Zweitens wird das Gerüst auf eine Inside-Out-Weise mit rechnerisch gesteuerten Dimensionen stimuliert. Die Strömung wird mit Hilfe einer Strömungspumpe auf die Außenfläche des Rohrgerüsts aufgebracht, während der Silikonschlauch mit einer separaten Dehnungspumpe aufgebläht wird und die Umfangsspannung der Stütze mit einer separaten Dehnungspumpe expandiert wird. Diese Methode kann auch für eine Vielzahl von Analysen zur Gefäßkonstruktion eingesetzt werden. Die Ergebnisse zeigen die einzigartigen Auswirkungen verschiedener Kombinationen von Scherung und Zug auf das Wachstum und den Umbau der Struktur von Tissue-Engineering-Gefäßtransplantaten (TEVG). Die Erkenntnisse, die durch die Sammlung der in vitro Plattform gewonnen werden, sind hilfreich, um die neu entwickelten Designparameter für in situ TEVGs zu optimieren.
Die Haltungs- und Gleichgewichtssteuerung kann in statische und dynamische Zustände 24,25,26,27 unterteilt werden. Unter ihnen bezieht sich die dynamische Gleichgewichtsfähigkeit auf die Fähigkeit des Körpers, den Körperschwerpunkt und die Körperhaltung in Bewegung zu kontrollieren und anzupassen28. Aus der Perspektive der Sportbiomechanik ist das Sprunggelenk der unteren Gliedmaßen der wichtigste Körper für die Aufrechterhaltung des dynamischen Gleichgewichts. Wenn das Hüftgelenk der Hauptkörper wäre, um das Gleichgewicht zu halten, wäre es leicht zu fallen. Zhou et al.29 analysieren die Veränderungen in der Biomechanik der unteren Gliedmaßen an der Gangbeendigung, die durch einen unerwarteten Reiz verursacht werden. Ein Bewegungsanalysesystem und eine plantare Druckplattform werden verwendet, um die Bewegungsdaten der Bewegung der unteren Gliedmaßen in situ zu sammeln. Diese Methode kann in der biomechanischen Forschung, bei Virtual-Reality-Systemen, bei der Roboterfernsteuerung, bei der Animationsproduktion, beim Sporttraining, in der Ergonomieforschung, bei interaktiven Spielen usw. eingesetzt werden.
Die chronische Sprunggelenksinstabilität (CAI) ist eine der häufigsten Sportverletzungen, die durch anhaltende Schmerzen und Schwellungen des Sprunggelenks, das Nachgeben des Sprunggelenks und eine selbst berichtete Behinderung gekennzeichnet ist, die die Haltungsstabilität der Patienten ernsthaft beeinträchtigt30,31. CAI könnte durch Kinesiologie-Taping verbessert werden. Yin et al.32 analysieren die Beiträge des Sehens, der Propriozeption und der vestibulären Empfindung zur Aufrechterhaltung der Haltungsstabilität mit Hilfe der computerdynamischen Posturographie. Es wurden sensorische Organisationstests (SOT), unilaterale Stance (US), Stabilitätsgrenzen (LOS), motorische Kontrolltests (MCT) und Anpassungstests (ADT) durchgeführt und gemessen. Diese Messungen bieten eine neue Methode, um den Prozess der Koordination der drei sensorischen Systeme und der Regulierung der Muskelaktivierung zur Aufrechterhaltung der Haltungsstabilität zu beobachten.
In Kombination mit multidisziplinärer, umfassender Forschung fördern die fortschrittlichen Messgeräte und -methoden die Entwicklung und Evolution von Biomaterialien und Biomechanik. Obwohl in diesem Artikel verschiedene Testmethoden diskutiert werden, ist es notwendig, unterschiedliche Forschungsmethoden und -ideen in verschiedenen Bereichen als interdisziplinäre und umfassende Forschungsrichtung zu integrieren, um die Erforschung von Biomaterialien und Biomechanik zu beschleunigen und die Kommunikation zwischen Forschern in verschiedenen Bereichen zu fördern.