Name: Biomechanische Charakterisierung humaner Weichgewebeproben mit Einrückungen und Zugprüfung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 7 s
Description: Erfahren Sie die biomechanische Charakterisierung humaner Weichgewebe mittels Einrückung und Zugprüfung. Diese nicht-destruktive Methode ermöglicht die Bestimmung von Steifigkeit und Viskoelastizität für Gewebeimplantate.

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Wir möchten uns bei der Finanzierung durch den Medical Research Council und Action Medical Research bedanken, die MG ein klinisches Stipendium, GN 2339, zur Durchführung dieser Arbeit zur Verfügung gestellt haben.

Dieses Protokoll folgt den ethischen Richtlinien von unserer Institution menschlichen Forschungsethikkommission Leitlinien für die Verwendung, Lagerung und Entsorgung von menschlichem Gewebe. Menschliche Gewebeproben können aus Kadaver Körper herausgeschnitten werden, die zu Forschungszwecken mit relevanten ethischen Genehmigungen zugestimmt haben. Die Proben können auch Gewebe von Patienten eingewilligt verworfen werden chirurgische Eingriffe unterziehen, mit relevanten ethischen Zulassung. 1. Vorbereitung der Haut <ol><li> Bereiten Proben durch Sezieren aus manuell Fettgewebe und die dünne Schicht aus tiefen Dermis ein Skalpell und Pinzette. Dieser Schritt ist wichtig , die Konsistenz zwischen 14 Proben zu gewährleisten. </li><li> Schneiden Sie das resultierende Blatt von Spalthaut in eine standardisierte Probengröße (zB 1 cm × 5 cm Proben). Bestimmung der Probengröße, basierend auf den Abmessungen der Testvorrichtung. Wenn ein Tissue-Engineering-Konstrukt getestet wird, die specimen Größe sollte für das Material von Interesse 14 angebracht sein. Entsorgen Skalpellklingen in den dafür vorgesehenen Entsorgungsbehältern. </li><li> Zur Vervollständigung der mechanischen Berechnungen ermöglichen, messen die Dicke der Haut getestet unter Verwendung elektronischer Sätteln vor und nach der mechanischen Prüfung. </li></ol> 2. Zugversuch HINWEIS: Alle Material-Prüfmaschinen kalibriert werden sollten nach den Richtlinien des Herstellers vor der Prüfung. <ol><li> Test - Hautproben in einachsige Spannung ein Material - Prüfmaschine (2A) bei Raumtemperatur (22 ° C) 14 verwendet wird . </li><li> Orientieren Die Hautproben in der gleichen Richtung für alle Proben (beispielsweise senkrecht oder in-line mit Langer Lines (topologische Linien auf einer Karte des menschlichen Körpers gezogen und unter Bezugnahme auf die natürliche Ausrichtung der Kollagenfasern in der Dermis)) 14. </li><li> Unbeweglichkeitseffekt die Probe zwischen zwei Klammern (ein Commercial jig), befestigt an einer einer 98.07 N Wägezelle und die andere an einem unbeweglichen Grundplatte 14. Die sich ergebende Fläche zwischen den in uniaxialer Spannung getestet Klemmen sollte 1 cm x 4 cm (Abbildung 2) betragen. HINWEIS: Ein handelsübliches jig ungleichmäßigen Greif- und Beschädigung der Probe vor dem Testen zu vermeiden wurde verwendet. Die Probe wird auf eine &quot;handfest&quot; Dichtheit befestigt. </li><li> Decken Sie den Probenbereich (nach der Platzierung in der Vorrichtung) auf beiden Seiten mit Vaseline Probe Austrocknungs zu verhindern. </li><li> Programmieren Sie die Zugbelastung und Entspannung Regime in die Software als eine Liste von Aktionen zu testen, wie folgt: Nulllast | Zero Position | Suche Kontakt (Zugbelastung) | Warten (Entspannung). </li><li> Starten Sie den Test mit dem Software-Programm. Legen Sie die Probe unter Spannung auf 29,42 N bei 1 mm / s. Verwenden Sie eine Rate und Last, die nicht als Versagen der Haut verursacht (zB 29,42 N bei 1 mm / s). </li><li> Nachdem die 29,42 N-Belastung erreicht ist, lassen Sie das Gewebe zu entspannenfür 1,5 h, an dem ein Zeitpunkt gibt es eine minimale Änderung in Relaxationsverhalten von der Computersoftware gesteuerten 14. Hinweis: Die Verschiebung wird in der Entspannungsphase konstant gehalten wird, nicht die Last. </li><li> Berechnen elastischen und viskoelastischen Eigenschaften gemäß den Analysebereich Richtlinien. Die mechanischen Eigenschaften untersucht werden die durchschnittlichen Eigenschaften der Spalthautbestandteile (Epidermis und Dermis) repräsentieren 14. Hinweis: Es gibt keine definierte Taralast, wie es aus den Rohdaten klar ist, wenn eine Verformung auftritt und somit nur diese Datenpunkte enthalten. </li></ol> 3. Herstellung von Cartilage <ol><li> Entfernen Sie die Haut und Faszie aus den Knorpelprobe unter Verwendung einer Skalpellklinge und 15 Zangen, 16. </li><li> Teilen Sie die Knorpelproben in eine standardisierte Probengröße (zB 1,5-cm - Blöcke) mit einem Skalpell und Pinzette. Für alle Proben verwenden, um eine semicircular förmigen Eindringkörper (2B) , die einen Durchmesser und eine Dicke von mindestens 8 mal größer als die Größe des Knorpelprobe aufweist. Dieses Verhältnis stellt sicher , dass der Eindringkörper nicht durch irgendwelche Randeffekte aus der Probenvorbereitung 15 betroffen ist. Entsorgen Skalpellklingen in den dafür vorgesehenen Entsorgungsbehältern. </li><li> Zur Vervollständigung der mechanischen Berechnungen ermöglichen, messen Sie die Dicke des Knorpels geladen werden unter Verwendung elektronischer Sätteln vor und nach der mechanischen Prüfung 15, 16. </li></ol> 4. Druck Einrückungen Testing <ol><li> Komprimiert die Knorpelproben mit einer Material-Prüfmaschine in einer hydratisierten Umgebung bei Raumtemperatur verwenden. Decken die Knorpelprobe mit phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) vor und während der Druckprüfung, um sicherzustellen, dass die Probe hydratisiert wird. HINWEIS: PBS nicht genau die physiologische Umgebung übereinstimmt, aber es erlaubt sowohl die Materialien und die Gewebe com seinverglichen gleich 15, 16. </li><li> Orientieren der Knorpelprobe, so dass die Oberfläche zum Eindringkörper senkrecht ist. Dies ermöglicht die Komprimierung einachsigen zu sein und schränkt jede Scherbelastung 15. </li><li> Programmieren Sie die Druckbelastung und Entspannung Regime in die Software als eine Liste von Aktionen zu testen, wie folgt: Nulllast | Zero Position | Suche Kontakt (Druckbelastung) | Warten (Entspannung). </li><li> Starten Sie den Test der Software-Programm. Legen Sie die Probe unter Druck auf 2,94 N bei 1 mm / s 15, 16. ANMERKUNG: Diese wurde bestimmt , ein zerstörungs Last sein , die empfindlich genug ist , 15 sowohl der elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von Knorpel zu identifizieren. </li><li> Nachdem das 2,94-N Grenze erreicht ist, kann der Knorpel 15 Minuten zu entspannen, eine Zeit-Punkt , an dem es eine minimale Änderung in Relaxationsverhalten, mit der Computer - Software 15, 16. HINWEIS: Figure2C-D zeigt einen typischen Satz für die Kompression und Zugversuche von menschlichen Gewebeproben auf. Die gleichen Protokolle können dann auf synthetische Biomaterialien angewendet werden, um die biomechanischen Eigenschaften der nativen Gewebe analysiert werden zu lassen. Zum Beispiel zeigt Abbildung 2E-F Kompression und Zugversuche von menschlichem Gewebe eng einem synthetischen Material der biomechanischen Eigenschaften entsprechen. </li></ol> 5. Berechnung des Young-Elastizitätsmodul für Einrückungen und Zugprüfung <ol><li> Sammeln Sie die Rohdaten einschließlich der Zeit (en), Verschiebung (mm), und die Last (N) aus der Materialprüfung Gerät 14-16. </li><li> Berechnen der Belastung (MPa) und Dehnung (%) unter Verwendung der Formeln in Figur 3 gezeigt. HINWEIS: Wenn ein halbkugelige Eindringkörper während Druckprüfung verwendet wurde, um die Kraft durch die Querschnittsfläche dividiert ergibt den nominalen (Durchschnitt) Stress, aber nicht der Spitzenspannung. </li><li> Verwenden Sie einen linearen Streudiagrammdie Spannung MPa (y-Achse) gegen die Belastung (x-Achse) zu plotten. Bestimmen Sie den linearen Kurvenanpassung. Die lineare Kurvenanpassung gleich y = mx + b mit einem entsprechenden R-Wert. HINWEIS: Alle Datenpunkte sind enthalten einen minimalen R-Wert&gt; 0,98 zu erreichen. Der Wert m ist die Steigung, der dem Elastizitätsmodul von Stress über Dehnungs entspricht, was anzeigt , Druckbeständigkeit oder Beständigkeit gegenüber Spannung in MPa (dh Youngs Modulus). Wenn der R-Wert nicht&gt; 0,98 ist, dann wird die Annahme der linearen viskoelastischen Verhalten charakterisierende ist ungültig. </li><li> Zur Identifizierung der viskoelastischen Eigenschaften, in dem Fluidstrom von der Exposition gegenüber Verformung Gleichgewicht erreicht hat, werden das Verhältnis von Stress im Laufe der Zeit in den letzten 200 s der mechanischen Prüfung und die endgültige Spannungsniveau am Ende des Experiments berechnet. HINWEIS: Mit der Zeit steigt, wird das Spannungsniveau verringern (entspannen) als Fluidstrom ein Gleichgewicht erreicht 17, 18. Eine schnelle Spannungsrelaxation Antwort indicatES dass es hohen Belastungen zu halten innerhalb der Probe 17, 18 schwierig ist. </li></ol> 6. Entspannung Eigenschaften <ol><li> Plot Spannung in MPa (y-Achse) gegen die Zeit in s (x-Achse) auf einem linearen Streudiagramm. </li><li> Bestimmen Sie einen linearen Kurvenanpassung die Geschwindigkeit der Erholung zu berechnen. Die lineare Kurvenanpassung ist gleich y = mx + b mit einem jeweiligen Wert der letzten 200 s. Der m-Wert ist die Geschwindigkeit der Erholung. </li><li> Fügen Sie alle Datenpunkte einen minimalen R-Wert&gt; 0,98 zu erhalten. Die endgültige Belastung (MPa) bei 1,5 h für Haut und 15 min für Knorpel ist der letzte absolute Erholungswert. </li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu erklären.

Mehrere Zug- und Vertiefung Protokolle wurden veröffentlicht menschlichen Weichgewebe zu charakterisieren. Wir haben ein anderes Verfahren bereitgestellt, das mehr diagnostische und zerstörungsfrei sein soll. Die Proben unterziehen mechanischen Prüfung in diesem Protokoll werden durch Belastung begrenzt und nicht durch Verschiebung, als Wandler empfindlicher zu laden sind als Verdrängung. Daher Reproduktionen des Experiments kann über Gewebe und synthetischen Materialien genauer zu sein. Unter Verwendung dieser Technik haben wir eine dehnbare Protokoll zur Bewertung Hautgewebe und eine Vertiefung Protokoll zur Analyse von Knorpelgewebe nachgewiesen. Beide Protokolle sind einfach und einfach zu implementieren und könnten für die Charakterisierung von menschlichen Weichgewebe und Tissue-Engineering-Konstrukte in Betracht gezogen werden. Eine der wesentlichen Schritte der Methodik eine Spannungsrelaxation Kurve geeignet für die Analyse zu erhalten, ist, um sicherzustellen, dass die Probe nicht während des Tests nicht verrutscht. Eine ausreichende Fixierung ist required, aber dies muss gegen Verursachung der Proben jeglichen Stress ausgeglichen werden und sichergestellt wird, dass der Eindringkörper senkrecht zur Oberfläche ist, jede Scherbeanspruchung zu verhindern. Es ist entscheidend, dass die Zusammensetzung sowie die Größe und die Form des Gewebes zwischen Proben ähnlich sind. Für Knorpel, ist es wichtig, ein wiederholbares Dissektion Protokoll und Probenabmessungen zu verwenden. Für Hautproben, ist es wichtig, alle das subkutane Gewebe, um eine wiederholbare Probe zu erhalten zu entfernen. Es ist auch wichtig, die Probe Bedingungen identisch sind, einschließlich Hydratation, Raumtemperatur, und Auftauvorgang gegebenenfalls zu gewährleisten, dass für alle Proben. Es gibt einige Einschränkungen auf die dargestellten Protokollen. Studien haben ergeben , dass Verformungseigenschaften von Haut und Knorpel auf Objektorientierung 13 abhängig sind. Skin wurde erkannt anisotrop sind so weit zurück wie im 19. Jahrhundert, mit Langer im Jahre 1861 zeigen , dass die Haut natürliche Liniender Spannung, bezeichnet 4 als Langer Linien. Somit wird , wenn die Hautproben zu charakterisieren, ist es wichtig , dass alle Proben parallel oder senkrecht zu den Langer - Linien zu orientieren 4 eine Methodik zur Vermeidung von Verzerrungen einzuführen. Cartilage zeigt auch anisotrope Eigenschaften und enthält Hultkrantz Linien, die Langer Linien äquivalent sind, so kann der Knorpel verformen unterschiedlich nach der Richtung , in der es 12 geladen ist, 19. Somit ist es wichtig, die Probengröße zu erhöhen, für die Prüfung von Knorpel in verschiedenen Richtungen zu ermöglichen. Als biomechanischen Eigenschaften von Gewebe auch mit dem Alter und Geschlecht variieren, sollten Studien mit einer repräsentativen Patientengruppe durchgeführt werden, Gültigkeit der klinischen Einstellung beizubehalten. Weiterhin befürworten einige mechanische Protokolle Vorkonditionierung, wo das Gewebe zyklischen Belastungen unterzogen , um sicherzustellen , dass das Gewebe für eine nachfolgende mechanische Prüfung 20 in einem stationären Zustand ist. Jedoch ist der genaue Mechanismus der pAufarbeitung ist unklar und die genaue Anzahl von Zyklen benötigt , um eine konsistente und wiederholbare Reaktion zu erzeugen variiert in verschiedenen Studien 20. Der Forscher sollte prüfen , ob oder nicht zu schließen Präkonditionierung nach dem Grund für die Bewertung der spezifischen biomechanischen Test 20 durchgeführt wird . Die Haut ist ein komplexes, mehrschichtiges Material, aufgeteilt in drei Hauptschichten: die Epidermis, Dermis und Hypodermis 4. Die mechanischen Eigenschaften von Hautgewebe haben 4 vor kurzem unter Verwendung von in vivo - Beurteilungen bewertet. Allerdings können Protokolle Zugprüfung verwendet werden , um die Haut Biomechanik der Haut herausgeschnitten 4 zu verstehen. Solche Tests können Informationen liefern Spannungs-Dehnungs - Beziehungen zu modellieren, da die Randbedingungen 4 definiert werden. Typischerweise in vitro Anwendung Prüfregimes hohen Belastungen des Materials zum Scheitern zu charakterisieren, während in vivo - Systemen Verwendungspannungsarm Bereiche 4. Wenn biomechanischen Werte für exzidiert Haut in Spannung verglichen wird , gibt es eine große Variabilität zwischen verschiedenen Studien, von 2,9 bis 150 MPa im Bereich 4. Große Unterschiede zwischen den Fächern sind durch natürliche biologische Variabilität erwartet, aber Unterschiede in Protokoll Regime können auch diese natürlichen biologischen Unterschiede Verbindung. Zum Beispiel Unterschiede in der Belastungsgeschwindigkeiten zwischen den Protokollen wird Variation verursachen, da größere Beladungsraten weniger Zeit Ursache für die Flüssigkeit herausfließen kann, in einer höheren Steifigkeit ergibt. Die Vorbereitung, Exzision und Handhabung Protokolle des Hautgewebes wird auch Unterschiede verursachen in den mechanischen Eigenschaften 4. Dieses Protokoll zum Testen der Haut gezeigt stellt eine alternative Methode für die Forscher Hautgewebe zu charakterisieren. Es bietet einige Vorteile, einschließlich der Fähigkeit, die elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von Hautgewebe in einem mechanischen Test zu identifizieren, für ein besseres Verständnis der Haut ermöglichtin kürzester Zeit. Ferner kann der gleiche Test auf Tissue-Engineering-Ersatz angewandt werden Konstrukte mit ähnlichen biomechanischen Eigenschaften wie natives Haut herzustellen. Eindringprüfung bietet eine attraktive Option im Vergleich zu beschränken Druckprüfung für das Verständnis der Biomechanik des Knorpels 21. Eindrückung hat die Fähigkeit, die physiologische Struktur des Knorpels zu erhalten, und somit enthält Werte, die denen von einer klinischen Umgebung nachahmen. Verwendung Einbuchtung ist es auch möglich, den Knorpel zu testen, während sie noch an dem darunterliegenden Knochen befestigt. Indentation ermöglicht auch physiologische Tests von Knorpel in vivo. Wenn zwei Knorpeloberflächen einander nähern, die Kontaktfläche &quot;Beule&quot; durch Wasser unter dem Kontaktbereich die Kanten seitlich wobei umgebenden verschoben nach Druckverformung 17 auftritt, 21. Cartilage Einbuchtung muss mit einem in durchgeführt werdenDGeben mit einem kleineren Radius als der Knorpelprobe ähnlich Ausbeulen zu ermöglichen. Die Größe des Eindringkörpers sollte auch mindestens 8 mal die Probengröße , um sicherzustellen, dass der Knorpel reagiert , als ob sie Teil einer unbestimmten Probe 22 waren. Mit Hilfe eines Eindringkörpers viel kleiner ist als der Radius des Probendurchmesser der Probenerstellung keine Randeffekte vorhanden eliminiert. Darüber hinaus vermeidet Einzug möglich experimentelle Fehler, verursacht durch durch Probenextraktion beschädigte Knorpeldefekten testen. Einrückung mit sich bringt auch nicht tief Probenvorbereitung, wie beschränkte Kompression, so dass kleine, dünne Knorpelstücke 17 getestet werden, 21. Darüber hinaus bedeutet die zerstörungsfreie Methode des Eindrucks, dass es eine mögliche Anwendung in der klinischen Einstellung hat als ein Diagnose-Tool nach der Validierung und Verifizierung Studien durchgeführt wurden. Es gibt Schlüsselannahmen mit Vertiefung, die der Benutzer für geeignet f muss sicherstellen,riate Ergebnisse. Eine kritische Randbedingung in Vertiefung Belastung erfordert eine ständige Kontakt zwischen dem Eindringkörper und der Knorpeloberfläche (dh , dass die Oberfläche von der Eindringkörper nicht weg verformen) 23, 24. Indentation Laden umfasst auch die angenommene Grenzbedingung , dass der Kontakt zwischen der Knorpeloberfläche und dem Eindringkörper ist zerstörungsfrei ( das heißt, dass die Eindringkörper in Kontakt mit der Oberfläche ist , sondern geht nicht durch die Oberfläche, die Knorpeloberfläche nicht unter der ausfällt Eindringkörper) 25-26. Studien haben gezeigt , dass diese Randbedingung durch die Verwendung von Druckfarbe überprüft werden kann Indien, die beschädigten Bereiche zu färben , wenn 25 an die Knorpeloberfläche aufgebracht, 26. Eine weitere Randbedingung angenommen, dass der Eindringkörper den Knorpel senkrecht zur Oberfläche der Probe komprimiert. Die senkrechte Ausrichtung der Kompression ist eine wichtige Grenze condition, weil in einem Winkel zu komprimieren, vor allem, wenn zyklische Belastung verwendet wird, kann Schlupf verursachen, die Komponenten Scher induzieren kann und die mechanische Belastung ändern. Diese Bedingung kann sichergestellt werden durch eine sorgfältige Testausrüstung eingerichtet. Nachdem die zusammengefassten Protokolle für das weiche Gewebe von Interesse optimiert worden, wäre es sinnvoll sein, für die Forscher in die dynamische Prüfung des Gewebes von Interesse zu suchen. Geeignete zyklische Belastung von Proben sollten normalen physiologischen Grenzen und Verhalten, wie imitiert Gehen oder andere sich wiederholende Bewegungen nachahmen 27. Zusammenfassend zeigt dieser Bericht eine einfache mechanische Testprotokolle menschlichen Geweben zu bewerten. diese Protokolle Implementierung werden die wichtigsten Informationen über die biomechanischen Eigenschaften von Gewebe bieten, Tissue-Engineering-Konstrukte ermöglicht besser das native Gewebe nachahmen.

Die Patienten warten immer für verschiedene Organtransplantationen nicht gelingt oder verletzten Organen zu behandeln. Doch mit dem Mangel an geeigneten Spenderorganen ist die regenerative Medizin zielt auf alternative Lösungen für Patienten im Endstadium einer Organversagen erstellen. Regenerative Medizin zielt darauf ab, diese klinische Notwendigkeit von technischen Materialien als Gewebeersatz zu handeln zu erfüllen, einschließlich der Weichgewebe, wie Knorpel und Haut. Um ein erfolgreiches Material erstellen , um beschädigte Gewebe wieder herzustellen, sollte das Ersatzmaterial die Eigenschaften des nativen Gewebe nachahmen , es wird auf 1-2 ersetzen. Sobald chirurgisch implantiert, muss das Material anatomischer Form dem Gewebedefekt zu schaffen , und somit sind die mechanischen Eigenschaften des Materials 1 vital. Beispielsweise ein Material Ohrmuschelknorpels ersetzen sollten die entsprechenden mechanischen Eigenschaften, um Kompression durch die darüber liegende Haut 2 verhindern. In ähnlicher Weise ein Material Nasen Auto zu ersetzentilage müssen ausreichende mechanische Eigenschaften haben kollabiert 3 während der Atmung zu verhindern. Trotz der Bedeutung der mechanischen Eigenschaften, wenn Materialien zur Implantation Herstellung hat wenig Hinweise auf die Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von verschiedenen menschlichen Geweben konzentriert. Mechanische Testverfahren können die Druck-, Zug-, Biege- oder Schereigenschaften eines Gewebes herzustellen verwendet werden. Die Haut ist ein stark anisotropen, viskoelastische, und fast nicht komprimierbaren Material 4-9. Häufig herausgeschnitten Haut einachsige Zug- Methoden getestet mit, wo ein geeigneter Hautförmigen Streifen an beiden Enden gegriffen und gestreckt , während die Last und die Erweiterung 4-9 aufgezeichnet werden. Da die Hauptkomponente aller Weichgewebe interstitiellen Wasser ist, ist die mechanische Reaktion des Knorpels zu der Strömung des Fluids durch das Gewebe 10-11 stark verwandt. Weichgewebe wie Knorpel have wurde traditionell unter Verwendung von Druckprüfung getestet. Die Verfahren zur Prüfung der Druckfestigkeit sind sehr unterschiedlich, mit gespanntem, unconfined und Einbuchtung sind die häufigste (Abbildung 1). Innerhalb beschränkt Kompression wird eine Knorpelprobe in eine undurchlässige platziert, mit Flüssigkeit gefüllte gut und belastet durch eine poröse Platte. Da die auch nicht-porös ist, fließt , obwohl der Knorpel 12-13 in der vertikalen Richtung ist. In unconfined Kompression wird der Knorpel geladen eine nicht poröse Platte auf eine nicht poröse Kammer verwendet, um die Fluidströmung zwingt überwiegend radial 12-13 sein. Einrückungen ist die am häufigsten verwendete Methode für die biomechanischen Eigenschaften des Knorpels 12-13 zu bewerten. Es besteht aus einem Eindringkörper, kleiner ist als die Oberfläche der Probe getestet wird, das heißt auf die Probe gebracht. Eindrückung hat viele Vorteile gegenüber anderen Methoden der Kompression, einschließlich der Tatsache , dass Einbuchtung kann in situ durchgeführt werden, enabliphysiologischeren (Abbildung 1) 12-13 , um die Test ng. Um die Druck- und Zugeigenschaften eines Gewebes zu verstehen, die elastische Youngsche Modul wird typischerweise durch Analysieren des linearen Teil der Spannungs-Dehnungskurve, welche die elastischen Widerstand gegen Kompression oder Spannung, unabhängig von der Probengröße 12 berechnet. Beide Zug- und Drucktestverfahren kann entsprechend der Belastung oder Deformation variieren aufgetragen, und die Rate beider dieser Parameter. Derzeit gibt es viele verschiedene Testprotokolle Gewebemechanik zu bewerten, was es extrem schwierig , 6-13 zu interpretieren oder vergleichen Sie die Ergebnisse aus verschiedenen Studien macht. Darüber hinaus konzentrieren sich viele mechanische Verfahren, die derzeit auf die mechanischen Eigenschaften des Gewebes zu charakterisieren, indem die Probe zur Zerstörung zu testen. Unser Ziel ist eine Vertiefung und Zug-Protokoll zu zeigen, dass direkte, zerstörungs Vergleich der menschlichen bietetWeichgewebe und Tissue-Engineering-Konstrukte. Wir zeigen ein Verfahren, das die mechanischen Tests Belastungsgrenzen noch erhält noch einen elastischen Young-Modul in Druck und Zug. Die Probe wird betont, entweder in Spannung oder Kompression auf einen bestimmten Wert, und wenn der gewählte Spannungswert erreicht ist, wird die Probe erlaubt, sich zu entspannen, während all die Daten aufgezeichnet werden. Diese Methode erfasst sowohl die viskoelastischen und Erholungseigenschaften des Gewebes innerhalb des gleichen Tests, der direkt an das Kunststoffmaterial aufgetragen werden kann. Wir haben die Einbuchtung Protokoll menschlichen Weichgewebe zu bewerten, einschließlich der Haut und Knorpel 14-16. Cartilage verwendet beurteilt Eindringprüfung und die Haut wird Spannung ausgewertet 14-16 zu testen. Ziel Forscher Materialien mit ähnlichen Eigenschaften wie menschliche Weichteile zu konstruieren, könnte in Erwägung ziehen, diese Protokolle zu implementieren.

<table><tbody><tr><td>Digitial Messschieber</td><td>Maschine Mart</td><td>40218046</td><td>Der Digitial Messschieber wird zur Messung der Probendicke verwendet.</td></tr><tr><td>Wasserbad&nbsp;</td><td>Cole Parmer</td><td>UY-12504-94</td><td>StableTemp Digitaler Wasserbad-Kolbenhalter zum Auftauen von Gewebeproben, wenn diese eingefroren sind.</td></tr><tr><td>Mach-1 Materialprüfmaschine</td><td>Biomomentum</td><td>V500c</td><td>Mechanische Prüfmaschine, die zum Testen der mechanischen Eigenschaften des Gewebes verwendet wird.</td></tr><tr><td>Skalpell-Klinge&nbsp;</td><td>VWR</td><td>233-5335</td><td>Skalpellklingen zum Schneiden und Präparieren von Geweben.</td></tr><tr><td>Pinzette&nbsp;</td><td>VWR</td><td>470007-554</td><td>Pinzette zum Präparieren des Gewebes.</td></tr><tr><td>Phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) pH 7,2</td><td>Life Technologies&nbsp;</td><td>20012019</td><td>PBS wird verwendet, um die Gewebeproben zu hydieren&nbsp;</td></tr></tbody></table>

biomechanische charakterisierung humaner weichgewebeproben mit einrückungen und zugprüfung

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

Regenerative Medizin zielt darauf ab, Materialien zu konstruieren, beschädigte oder erkrankte Organe zu ersetzen oder wiederherzustellen. Die mechanischen Eigenschaften solcher Materialien sollte die menschlichen Gewebe nachahmen sie ersetzen wollen zu; die gewünschte anatomische Form zu schaffen, müssen die Materialien in der Lage, die mechanischen Kräfte zu stützen sie erfahren werden, wenn an der Defektstelle implantiert. Obwohl die mechanischen Eigenschaften von Tissue-Engineering-Gerüste sind von großer Bedeutung, dass viele menschliche Gewebe Restauration mit Engineered Materials unterzogen wurden nicht vollständig biomechanisch geprägt. Mehrere Druck und Zug-Protokolle werden zur Auswertung Materialien berichtet, aber mit großer Variabilität ist es schwierig, Ergebnisse zwischen den Studien zu vergleichen. die oft destruktiven Natur der mechanischen Prüfung Erschwerend die Studien wird. Während ein Verständnis der Gewebeversagen wichtig ist, ist es auch wichtig, Kenntnis der elastischen und viskoelastischen Eigenschaften unter mehr physiol habenlogischen Belastungsbedingungen. Dieser Bericht soll eine minimal destruktive Protokoll bereitzustellen, um die Druck- und Dehnungseigenschaften des menschlichen Weichgewebe zu bewerten. Als Beispiele für diese Technik sind die Zugprüfung der Haut und die Druckprüfung von Knorpel beschrieben. Diese Protokolle können auch direkt auf synthetische Materialien angewendet werden, um sicherzustellen, dass die mechanischen Eigenschaften sind ähnlich dem nativen Gewebe. Protokolle, die mechanischen Eigenschaften des menschlichen nativem Gewebe zu beurteilen, wird ein Maßstab, an dem erlauben geeignete Tissue-Engineering-Ersatz zu schaffen.

Figuren 4 und 5 Beispiele von Daten liefern über Einrückung und Zugprüfung erhalten. Abbildung 4 zeigt typische Werte , erhalten nach menschlichen Knorpel Eindringprüfung. 4A ist ein Beispiel für eine typische Stamm-versus-Spannungsdarstellung nach Eindringprüfung erhalten. Um das E-Modul, alle Werte enthalten sind erhalten , bis die Linie Kurvenanpassung einen minimalen R - Wert von 0,98 (4B) aufweist. Der m-Wert ist der Indikator für die Young-Modul in MPa; beispielsweise in diesen Daten weist der Knorpel mit einem Modul von 1,76 MPa. 4C zeigt eine typische Darstellung der Spannung gegen die Zeit , die Entspannung Eigenschaften des Knorpels zu bewerten. Die Geschwindigkeit der Erholung von den letzten 200 s berechnet. In ähnlicher Weise die Geschwindigkeit der Entspannung zu erhalten, wird der Wert m einer Linie Kurvenanpassung in MPa verwendet. Beispielsweise in dieser Daten hat der Knorpel mit einer Rate vonRelaxation von 8,78 x 10 -6 MPa / s (4D). Die absolute letzte Stufe der Entspannung ist der letzte Punkt der Spannung in MPa. Zum Beispiel wäre in diesem Datensatz, der absolute letzte Stufe der Entspannung 0,028 MPa (4D). 5 zeigt , wie die Viskoelastizität des Hautgewebes nach dem Zugversuch zu bewerten. Die Analyse wird wie pro Druckprüfung durchgeführt. 5A zeigt eine typische Stamm-versus-Spannungsdarstellung aus dem Zug - Testprotokoll erhalten. Um der Elastizitätsmodul in der Spannung zu erhalten, werden alle Werte enthalten , bis die Linie Kurvenanpassung einen minimalen R - Wert von 0,98 (5B) hat. Der m-Wert ist der Indikator für die Young-Modul in MPa; beispielsweise in diesen Daten, die Haut hat einen Modul von 0,62 MPa. 5C zeigt eine typische Darstellung der Spannung gegen die Zeit , die Entspannung Eigenschaften zu bewerten of Haut. Die Geschwindigkeit der Erholung von den letzten 200 s berechnet. In ähnlicher Weise die Geschwindigkeit der Entspannung zu erhalten, wird der Wert m einer Linie Kurvenanpassung in MPa verwendet. Beispielsweise in diesen Daten, die Haut hat eine Rate von Entspannung von 3,1 x 10 -5 MPa / s (5D). Die absolute letzte Stufe der Entspannung ist der letzte Punkt der Spannung in MPa. Zum Beispiel in diesem Datensatz, würde das Niveau von 0,64 MPa (5D) sein. Die gleiche Analyse kann dann verwendet werden, Biomaterialien unter Druck und Zugprüfung zu analysieren ihre biomechanischen Eigenschaften zu nativem Gewebe zu entsprechen. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig1.jpg" /> Abbildung 1: Schematische Darstellung zur Veranschaulichung verschiedene Komprimierungsmethoden. A. Einrückungen Testing. Eine Last wird auf einen kleinen Bereich des Knorpels aufgebracht, um eine nicht-poröse Eindringkörper verwenden. B. Confined Kompression. Der Knorpel Probe wird in einer dichten Flüssigkeit gefüllte gut aufgestellt. Der Knorpel wird dann durch eine poröse Platte geladen. Da das auch undurchlässig ist, wird der Knorpel Strömung durch nur in der vertikalen Richtung. C. Unconfined Kompression. Der Knorpel wird geladen, um eine nicht-poröse Platte auf eine nicht poröse Kammer verwendet, zwingt Fluidfluß überwiegend radial zu sein. <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig2.jpg" /> Abbildung 2: Aufbau des mechanischen Prüfmaschine. A. Abbildung der Prüfmaschine. B. Illustration des Eindringkörpers für die Druckprüfung Analyse verwendet. C. Cartilage wird unter Verwendung der Kompression Eindringprüfung analysiert. D. Hautgewebe wird unter Zugversuch analysiert. E. Zugversuch eines synthetischen Biomaterial. F. </strong&gt; Druckprüfung eines synthetischen Biomaterial. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig3.jpg" /> Abbildung 3: Formeln verwendet , um die Druck- und Zugfestigkeit mechanischen Eigenschaften eines Gewebes oder Gewebe manipulierten Konstrukts zu berechnen. Die verwendeten Formeln Kraft (N) zu berechnen, Spannung (MPa) und Dehnung (%). <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig4.jpg" /> Figur 4: Beispiel einer Kompressionsanalyse des menschlichen Knorpels. A. Spannungs-versus-Stamm - Analyse. B. Der m - Wert der Linie Kurvenanpassung Gleichung ist der Elastizitätsmodul Young in MPa. C. Spannung-versus-Zeit - Analyse Relaxationseigenschaften zu demonstrieren. D. Der m - Wert der Linie Kurvenanpassung Gleichung zeigt die Entspannungsrate. Die endgültige aAbsolut gesehen verzeichneten Rate ist der letzte Punkt auf dem Graphen. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig5.jpg" /> Abbildung 5: Beispiel für Zuganalyse der menschlichen Haut. A. Spannungs-versus-Stamm - Analyse. B. Der m - Wert der Linie Kurvenanpassung Gleichung ist der Elastizitätsmodul Young in MPa. C. Spannung-versus-Zeit - Analyse Relaxationseigenschaften zu demonstrieren. D. Der m Wert der Linienkurvenanpassung Gleichung entspricht der Entspannungsrate. Die letzte absolute Rate ist der letzte Punkt auf dem Graphen.

Die Biomechanik des Gewebes ist wichtig für die Aufrechterhaltung der Zellform und -funktion und für die Bestimmung des Phänotyps. Dieser Bericht demonstriert zerstörungsfreie mechanische Protokolle zur Charakterisierung der elastischen und viskoelastischen Eigenschaften von menschlichen Weichgeweben, die direkt auf Tissue-Engineering-Substrate angewendet werden können, um eine enge Anpassung der technischen Materialien an das native Gewebe zu ermöglichen.

Biomechanische Charakterisierung humaner Weichgewebeproben mit Einrückungen und Zugprüfung

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

Das übergeordnete Ziel dieser Methode besteht darin, mithilfe von Eindrückprüfung und Zugversuchen die mechanischen Eigenschaften menschlicher Weichgewebe zu charakterisieren. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich des Gewebemanagements zu beantworten, beispielsweise wie steif ein Implantat gestaltet sein sollte, um ein versagendes oder verletztes menschliches Organ zu ersetzen. Die wichtigsten Vorteile dieser Verfahren liegen darin, dass sie zerstörungsfrei sind und einfach zu realisieren.Die Idee zu dieser Methode entstand ursprünglich, als wir künstliche Ohr- und Nasenimplantate entwarfen und uns fragten, wie steif das Material beschaffen sein sollte. In der Regel haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten aufgrund fehlerhafter Probenvorbereitung und Probleme bei der korrekten Durchführung der Tests. Zunächst wird eine Hautprobe oder ein anderes Gewebe von Patienten gewonnen, die einer Operation zugestimmt haben, oder von Leichen, die für Forschungszwecke zur Verfügung gestellt wurden.Legen Sie die Hautprobe in eine Petrischale und bedecken Sie sie mit PBS, um das Gewebe feucht zu halten. Benutzen Sie eine Skalpellklinge und eine Pinzette, um das Fettgewebe und die dünne tiefe Dermisschicht manuell von der Probe zu trennen. Schneiden Sie das resultierende Spalthautblatt in Streifen von einem mal fünf Zentimeter.Entsorgen Sie anschließend die verwendeten Skalpellklingen in einer Nadeleinstichschutzbox. Messen Sie abschließend mit einem Messschieber die Dicke der Haut. Die Dicke muss ebenfalls nach der mechanischen Prüfung erneut bestimmt werden.Prüfen Sie Hautproben auf einachsige Zugfestigkeit mithilfe einer kalibrierten Materialprüfmaschine bei Raumtemperatur. Beginnen Sie damit, die Hautproben so auszurichten, dass die natürliche Ausrichtung der Kollagenfasern gemäß den Langer-Linien einheitlich verläuft. Anschließend werden die Proben in die Spannbacken eingespannt, sodass die Richtung der aufgebrachten Kraft entweder parallel zu den Langer-Linien oder senkrecht dazu verläuft.Fixieren Sie die Probe, indem Sie die Halterungen mit den Fingern festziehen, sodass etwa 0,5 Zentimeter der Probe in jede Halterung eingesetzt werden. Stellen Sie sicher, dass eine der Halterungen der Prüfmaschine an eine geeignete Kraftmessdose angeschlossen ist und die andere an eine feste Grundplatte. Sobald die Probe befestigt ist, bestreichen Sie den Probenbereich auf beiden Seiten mit Vaseline, um eine Austrocknung der Probe zu verhindern.Programmieren Sie nun die Zugbelastung und die Entspannungsprüfung in die Software, sodass die Probe mit einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde belastet wird, bis eine Spannung von 29,42 Newton erreicht ist. Sobald das Gewebe eine Spannung von 29,42 Newton erreicht hat, stellen Sie das Programm so ein, dass die Verformung eineinhalb Stunden lang konstant gehalten wird, um dem Gewebe Zeit zur Entspannung zu geben, während weiterhin die Änderung der Spannung überwacht wird. Messen Sie anschließend erneut mit einer Schieblehre die Dicke der Probe.Nachdem eine Knorpelprobe von einer einwilligenden Person erhalten wurde, legen Sie sie in eine Petrischale und bedecken sie mit PBS. Entfernen Sie mithilfe eines Skalpells und einer Pinzette die Haut und die Faszie von der Probe. Anschließend schneiden Sie die Knorpelproben in Quadrate mit einer Kantenlänge von 1,5 Zentimetern. Nach dem Schneiden messen Sie die Dicke des Knorpels, der belastet werden soll, mit einer Schieblehre. Die endgültige Probengröße sollte mindestens das Achtfache des Durchmessers des Eindringkörpers betragen. Zentrieren Sie die Knorpelprobe unter dem Eindringkörper auf einer großen undurchlässigen Unterlage und richten Sie sie so aus, dass die Oberfläche senkrecht zum Eindringkörper steht.Dadurch wird die Kompression einachsig und jegliche Scherung begrenzt. Anschließend das Knorpelgewebe mit PBS bedecken und die Probe während des gesamten Versuchs feucht halten. Das Programm für die Druckbelastung und die Entspannungsprüfung in die Software eingeben, sodass die Probe mit einer Geschwindigkeit von einem Millimeter pro Sekunde bis zu einer Druckkraft von 2,94 Newton belastet wird.Nachdem die Last von 2,94 Newton erreicht ist, halten Sie den Eindringkörper an derselben Position und lassen Sie den Knorpel 15 Minuten lang entspannen. Sobald dies abgeschlossen ist, lösen Sie die Probe und messen erneut die Dicke der Probe. Um die Viskoelastizität des Hautgewebes nach der Zugprüfung zu bewerten, werden alle Werte aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm für die Berechnung des Elastizitätsmoduls herangezogen, bis die Kurvenanpassung einen minimalen Bestimmtheitsmaß-R-Wert von 0,98 aufweist.Die Spannungs-Zeit-Kurve wird verwendet, um die Relaxationseigenschaften der Haut zu bewerten. Die Relaxationsrate wird aus den letzten 200 Sekunden der erfassten Daten berechnet, was für diese Probe 3,1 × 10⁵ Megapascal pro Sekunde beträgt. Der hier gezeigte Graph veranschaulicht beispielhafte Spannungs-Dehnungs-Daten und zeigt die Ergebnisse einer Eindringprüfung an menschlichem Knorpel.Wie bei der Berechnung des E-Moduls für die Hautprobe werden auch für Knorpel die Werte am Ende der Kurve verwendet, solange sie einen Mindestwert R von 0,98 erreichen. Der Knorpel weist eine Relaxationsrate von 8,78 × 10⁻⁶ Megapascal pro Sekunde und ein absolutes Endniveau der Relaxation von 0,028 Megapascal auf. Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann sie bei korrekter Durchführung innerhalb von sieben Stunden durchgeführt werden.Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig, ein reproduzierbares Präparationsprotokoll und standardisierte Probendimensionen zu verwenden. Anschließend können weitere Methoden, wie zyklische Belastung, angewendet werden, um zusätzliche Fragestellungen zu untersuchen, beispielsweise wie sich Gewebe unter physiologischen, dynamischen Lasten verhalten. Diese Technik eröffnet Forschern auf dem Gebiet der Biomechanik neue Möglichkeiten, diese zerstörungsfreie Methode für nicht-invasive mechanische Tests in vivo zu nutzen.Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit menschlichem Gewebe äußerst gefährlich sein kann, und ergreifen Sie stets Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Handschuhen, während Sie dieses Verfahren durchführen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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