Biomechanische Charakterisierung humaner Weichgewebeproben mit Einrückungen und Zugprüfung

Das übergeordnete Ziel dieser Technik ist es, durch Eindring- und Zugversuche die mechanischen Eigenschaften des menschlichen Weichgewebes zu charakterisieren. Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen im Bereich des Tissue Engineering zu beantworten, z. B. wie steif sollte ich ein Implantat machen, um ein versagendes oder verletztes menschliches Organ zu ersetzen. Die Hauptvorteile dieser Techniken bestehen darin, dass sie nicht destruktiv und einfach zu implementieren sind.

Die Idee zu dieser Methode hatten wir zum ersten Mal, als wir synthetische Ohr- und Nasenimplantate entwarfen, und wir haben uns gefragt, wie steif wir das Material machen sollten. Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten mit einer falschen Probenvorbereitung und Schwierigkeiten bei der korrekten Einrichtung der Tests. Entnehmen Sie zunächst eine Hautprobe oder anderes Gewebe von einwilligenden Patienten, die sich chirurgischen Eingriffen unterziehen, oder von Leichenkörpern, die zu Forschungszwecken eingewilligt wurden.

Geben Sie die Hautprobe in eine Petrischale und bedecken Sie sie mit PBS, um das Gewebe feucht zu halten. Verwenden Sie eine Skalpellklinge und eine Pinzette, um das Fettgewebe und die dünne Schicht der tiefen Dermis manuell aus der Probe zu präparieren. Schneiden Sie das resultierende Blatt aus gespaltener Haut in ein mal fünf Zentimeter große Streifen.

Entsorgen Sie dann die benutzten Skalpellklingen in einem Mülleimer für scharfe Gegenstände. Verwenden Sie zum Schluss Messschieber, um die Dicke der Haut zu messen. Die Dicke muss nach der mechanischen Prüfung ebenfalls gemessen werden.

Prüfen Sie Hautproben in einachsiger Spannung mit einer kalibrierten Materialprüfmaschine bei Raumtemperatur. Beginnen Sie damit, die Hautproben so auszurichten, dass die natürliche Ausrichtung der Kollagenfasern alle in die gleiche Richtung zeigt, gemäß den Langer-Linien. Laden Sie dann die Probe in die Spannzeuge, so dass die Richtung der aufgewendeten Kraft entweder in einer Linie mit den Langer-Linien oder senkrecht zu ihnen verläuft.

Immobilisieren Sie die Probe, indem Sie die Griffe mit den Fingern festziehen, so dass etwa 0,5 Zentimeter der Probe in jeden Griff gelegt werden. Stellen Sie sicher, dass einer der Spannzeuge der Prüfmaschine an einer geeigneten Wägezelle und der andere an einer unbeweglichen Grundplatte befestigt ist. Nach der Sicherung ist der Probenbereich auf beiden Seiten mit Vaseline zu bedecken, um ein Austrocknen der Probe zu verhindern.

Programmieren Sie nun das Zugbelastungs- und Relaxationsprüfverfahren so in die Software, dass die Probe mit einem Millimeter pro Sekunde auf eine Spannung von 29,42 Newton geladen wird. Sobald das Gewebe eine Spannung von 29,42 Newton erreicht hat, stellen Sie das Programm so ein, dass die Verschiebung eineinhalb Stunden lang konstant bleibt, damit sich das Gewebe entspannen kann, während die Spannungsänderung weiterhin überwacht wird. Wenn Sie fertig sind, verwenden Sie erneut Messschieber, um die Dicke der Probe zu messen.

Nachdem Sie eine Knorpelprobe von einer einwilligenden Person erhalten haben, legen Sie sie in eine Petrischale und bedecken Sie sie mit PBS. Verwenden Sie eine Skalpellklinge und eine Pinzette, um die Haut und die Faszien von der Probe zu entfernen. Schneide dann die Knorpelproben in 1,5 Zentimeter große Quadrate.

Messen Sie nach dem Schneiden die Dicke des zu belastenden Knorpels mit Messschiebern. Die endgültige Probengröße sollte mindestens achtmal größer sein als der Durchmesser des Eindringkörpers. Zentrieren Sie die Knorpelprobe unter dem Eindringkörper auf einer großen, undurchlässigen Basis und richten Sie sie so aus, dass die Oberfläche senkrecht zum Eindringkörper steht.

Dadurch kann die Kompression einachsig sein und die Scherung begrenzt werden. Bedecken Sie dann den Knorpel mit PBS und halten Sie die Probe während des gesamten Tests hydratisiert. Programmieren Sie das Druckbelastungs- und Relaxationsprüfverfahren in der Software so, dass die Probe mit einem Millimeter pro Sekunde auf eine Druckkraft von 2,94 Newton belastet wird.

Nachdem die Last von 2,94 Newton erreicht ist, halten Sie den Eindringkörper in der gleichen Position und lassen Sie den Knorpel 15 Minuten lang entspannen. Wenn Sie fertig sind, lassen Sie die Probe los und messen Sie erneut die Dicke der Probe. Um die Viskoelastizität des Hautgewebes nach dem Zugversuch zu bewerten, werden alle Werte im Spannungsdehnungsdiagramm in die Berechnung des Elastizitätsmoduls einbezogen, bis die Linienkurvenanpassung einen minimalen R-Wert von 0,98 aufweist.

Das Stress-Zeit-Diagramm wird verwendet, um die Entspannungseigenschaften der Haut zu bewerten. Die Relaxationsrate wird aus den letzten 200 Sekunden der gesammelten Daten berechnet, die für diese Stichprobe 3,1 mal zehn bis fünf Megapascal pro Sekunde beträgt. Die hier gezeigte Grafik zeigt Beispiele für Spannungs-Dehnungs-Daten, die die Ergebnisse von Eindringtests an menschlichem Knorpel zeigen.

Wie bei der Berechnung des Elastizitätsmoduls für die Hautprobe werden auch für den Knorpel die Werte am Ende der Kurve verwendet, sofern sie in den minimalen R-Wert von 0,98 passen. Der Knorpel hat eine Relaxationsrate von 8,78 mal zehn bis minus sechs Megapascal pro Sekunde und ein absolutes Endrelaxationsniveau von 0,028 Megapascal. Einmal gemeistert, kann diese Technik in sieben Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.

Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, daran zu denken, ein wiederholbares Dissektionsprotokoll und Probenabmessungen zu haben. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden, wie z.B. zyklische Belastungen, gebildet werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, wie z.B. wie sich Gewebe unter physiologischen, dynamischen Belastungen verhalten. Diese Technik ebnet Forschern auf dem Gebiet der Biomechanik den Weg, diese zerstörungsfreie Technik für nicht-invasive mechanische Tests in vivo zu erforschen.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit menschlichem Gewebe äußerst gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie Handschuhe getroffen werden sollten.