Ex vivo mechanische Belastung der Sehnen

Mein Name ist David Rempel. Ich bin Dozent an der Abteilung für Bioingenieurwesen an der University of California in Berkeley. Das Experiment, das Sie sehen werden, beinhaltet das Dehnen von Sehnen, und das eigentliche Ziel besteht darin, die zugrundeliegenden Mechanismen von Sehnenerkrankungen am Handgelenk und Ellbogen zu verstehen.

Diese Sehnenstörungen sind bei Athleten und Arbeitnehmern, die wiederholte Handarbeit verrichten, häufig. Krish Sundi, einer der Doktoranden in unserem Labor, wird mehrere Funktionen des Systems demonstrieren, insbesondere die Messung der Querschnittsfläche der Sehne. Er wird die Sehnen in die Aktuatoren einlegen.

Er wird demonstrieren, wie das System die Sehne über einen Zeitraum von 24 Stunden zyklisch belastet, und anschließend die Sehne aus dem System entfernen. Gut, das ist das Belastungssystem, das wir entworfen und gebaut haben. Wie Sie sehen, besteht es aus sechs Aktuatoren.

Es handelt sich um hochpräzise Aktuatoren, die in der Lage sind, eine Verschiebung von einem Mikrometer zu erzeugen. In Reihe mit dem Aktuator befindet sich eine Kraftmessdose, um die auf die Sehnen ausgeübten Kräfte zu erfassen. In Reihe mit der Kraftmessdose sind diese Klemmen angeordnet, die sich ausreichend weit nach außen erstrecken, sodass sie in das Kulturmedium eingetaucht werden können, um die Vitalität der Sehnen zu erhalten. Dieses gesamte System wird anschließend in ein Wasserbad gestellt, um das Medium auf 37 Grad Celsius zu halten.

Was ich Ihnen jetzt zeigen werde, ist, wie man eine Sehne in dieses System einsetzt. Der erste Schritt, den wir durchführen müssen, ist die Messung der Querschnittsfläche der Sehne, damit wir die entsprechenden Spannungen anwenden können. Können Sie mir das Röhrchen mit der Sehne reichen?

Nun, diese Sehnen wurden von einem neuseeländischen Weißen Kaninchen entnommen. Sie wurden gerade hereingebracht, sind also noch frisch, weniger als zwei Stunden nach der Tötung des Kaninchens. Ein Abschnitt der Sehne, dessen Querschnittsfläche ich messe, befindet sich am dünnsten Teil der Sehne.

Das liegt daran, dass an dieser Stelle die größten Spannungen auftreten, die aufgrund der geringen, kleinsten Querschnittsfläche entstehen. Können Sie nun das Gewicht auf den Kolben legen? Nun warten wir 30 Sekunden, um die Dicke abzulesen, die 1,3 beträgt.

Können Sie den Kolben anheben und die Sehne wieder in das Medium einsetzen? Und ich werde den Aktuator demontieren, in den ich die Sehne einlegen werde. Nun werde ich eine Sehne in die Klemmen einbauen.

Hier sehen wir eine Nahaufnahme des Aktuators. Sie können den Aktuator selbst, die Kraftmessdose und die Klemmen erkennen, die sich nach außen erstrecken. Diese Pads verursachen Pads. Ich würde etwa einen halben Zoll bis drei Viertel Zoll breite und ungefähr eineinhalb Zoll lange Stücke schneiden.

Danach nehmen Sie diese Mullkompressen und tauchen Sie sie in das Medium, um sie zu befeuchten. Dies erleichtert den Rollvorgang. Legen Sie diese gerollten Mullstreifen in die Rillen dieser schlangenförmigen Klammern. Ich werde nun das Sehnenstück aus dem Medium entnehmen.

Dieses Ende ist die Ansatzstelle des Sehnensehnenbandes am Ende des Fingers des Kaninchens. Dieser Bereich hier ist eine Faserknorpelregion. Die Sehne wird so positioniert, dass die Faserknorpelregion in der proximalen Klammer eingespannt ist.

Der Sehnenstrang wird dann festgeklemmt, und erneut werden die Schrauben auf ein Newtonmeter angezogen. Anschließend wird die überschüssige Sehne abgeschnitten, sodass nun der Aktuator in der Halterung befestigt ist und der gesamte Sehnenstrang samt Klemmen untergetaucht wird. In modifiziertem Medium würde dasselbe Verfahren zur Montage von Sehnen an nachfolgenden Aktuatoren verwendet werden.

Wie Sie sehen, haben wir insgesamt sechs, sodass wir dies mit sechs einzelnen Sehnen durchführen können. Das gesamte System wird anschließend angehoben und in ein Wasserbad gebracht, um das Medium bei 37 Grad zu halten. Nun werden wir eine zyklische Belastung zwischen 0,5 und fünf Megapascal auf die Sehne ausüben.

Die von uns verwendete Software ist LabVIEW und wurde speziell angefertigt. Zunächst konditionieren wir die Sehne. Dazu wenden wir 20 Zyklen einer zyklischen Belastung zwischen 0,5 Megapascal und zwei Megapascal an.

Verwenden Sie die gemessene Dicke unter Verwendung der vier beigefügten Mikrometer, um diese einzutragen. Die Querschnittsfläche wird dann automatisch berechnet. Anschließend weist das Programm den Aktuator an, die Verschiebung so lange zu erhöhen, bis eine Belastung von zwei Megapascal auf die Sehne ausgeübt wird.

Hier folgen wir der violetten Kurve. Sobald eine Last von zwei Megapascal auf die Sehne ausgeübt wird, appliziert das Programm anschließend eine Last von 0,5 Megapascal auf die Sehne. Und sobald diese beiden Lasten erreicht sind, wechselt das Programm zyklisch zwischen diesen beiden Lasten und aktualisiert dabei kontinuierlich die Position innerhalb dieser beiden gewünschten Lastwerte.

Diese Belastung erfolgt mit 10 Megapascal pro Sekunde bei einer Frequenz von 0,5 Hertz. Nachdem wir die Sehne vorkonditioniert haben, stellen wir dann eine Belastung von 0,5 Newton ein. Wir definieren die Länge der Sehne unter einer Belastung von 0,5 Newton als die Messlänge der Sehne.

Sobald das Programm diese Last gefunden hat, lesen wir die Position des Aktuators ab, und diese Position, die aktuell sechs achtundzwanzigundzwanzig beträgt, ist die Messlänge der Sehne. Nachdem wir die Messlänge der Sehne aufgezeichnet haben, kehren wir zum zyklischen Belastungsprogramm zurück, geben unsere gewünschten Werte von 5 Megapascal und 0,5 Megapascal ein, geben die Gesamtanzahl der Zyklen ein, auf die wir belasten möchten, und führen erneut dasselbe Programm durch, um die Sehne zyklisch zwischen 0,5 und 5 Megapascal zu belasten. Auch diese Belastung erfolgt mit 10 Megapascal pro Sekunde und einer Frequenz von 0,5 Hertz.

Nachdem der Aktuator typischerweise 24 Stunden lang zyklisch belastet wurde, wird er anschließend aus dem System entfernt, und von hier aus kann die Sehne geschnitten und nach Belieben weiterverarbeitet werden. Soeben haben Sie unsere Sehnen gesehen, die steril von einem Kaninchen gewonnen wurden. Der gezeigte Prozess war ein halbsteriles Verfahren, das jedoch zu einer zyklischen Belastung der Sehnen über einen Zeitraum von 24 Stunden führte.

Die Sehnen werden anschließend mittels RT-PCR auf Genexpression analysiert. Außerdem untersuchen wir die Sehnen auf weitere Veränderungen, wie strukturelle Veränderungen und andere histologische Marker. Letztlich dient dieses Experiment dazu, die Wirkung unterschiedlicher Belastungsmuster auf die zugrundeliegenden Verletzungsmechanismen der Sehnen zu ermitteln, die möglicherweise mit Tendinopathien und Sehnenentzündungen assoziiert sind.