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Como un importante campo de investigación interdisciplinario, los biomateriales y la biomecánica revelan las relaciones y mecanismos entre la estructura, el rendimiento y la función de los biomateriales a través de la investigación experimental y el análisis teórico, que está conectado con la ciencia de los materiales, la mecánica, la bioingeniería, las matemáticas, etc. Con el fin de mejorar los métodos experimentales de biomateriales y biomecánica, esta colección de métodos JoVE analiza los métodos experimentales correspondientes y sus respectivas características en dos categorías: propiedades mecánicas de tejidos y mecánica biónica. Las observaciones de mecánica tisular incluyen un método de estiramiento de hidrogel 3D, un método fotoacústico de escaneo de trama dual, un método de descelularización sin detergente del páncreas humano y un método de desacoplamiento de tensiones de tracción y cizallamiento en andamios tubulares. Las observaciones de la mecánica biónica incluyen un método de recopilación de datos del movimiento de las extremidades inferiores y el control postural para pacientes con inestabilidad del tobillo.
Los efectos de la fuerza mecánica sobre la organización incluyen principalmente la expresión génica, la diferenciación celular, la remodelación tisular 1,2,3 y los cambios en la matriz extracelular (MEC)4,5,6. Comprender la respuesta de los tejidos a las fuerzas mecánicas 7,8,9 ayudará al desarrollo del campo de la ingeniería de tejidos y los modelos teóricos. Kolel et al.10 proponen un método para estirar hidrogeles 3D, que permite la deformación uniaxial estática o cíclica durante un microscopio confocal. Moldearon un gel de fibrina con un orificio de aproximadamente 2 mm de diámetro en tiras de caucho de silicona de 0,5 mm de espesor, y luego se realizó un estiramiento uniaxial bajo microscopía confocal en vivo. Finalmente, discuten la posibilidad de incrustar células en hidrogeles y exponerlas a estiramientos externos controlados. El sistema de estiramiento utilizado en este protocolo consta de componentes de impresión 3D y componentes electrónicos de bajo costo. El sistema tiene las siguientes características únicas en comparación con otros métodos existentes. En primer lugar, el sistema permite el estiramiento uniaxial de hidrogeles blandos 3D gruesos, y todo el hidrogel tiene una deformación uniforme Z. En segundo lugar, debido a la simplicidad de la impresión 3D y al bajo costo de este equipo, es fácil construir este tipo de equipo de estiramiento en otros laboratorios. En tercer lugar, la geometría y el tamaño de la muestra se pueden operar libremente según el usuario. Este método ha mejorado la capacidad de estudiar las fuerzas externas en el proceso biológico en condiciones 3D más fisiológicas y ha contribuido al campo de la ingeniería de tejidos.
Las imágenes de animales pequeños juegan un papel importante en la orientación de la investigación sobre enfermedades homólogas humanas y la búsqueda de métodos de tratamiento efectivos. La imagen fotoacústica (PAI) es una tecnología de imagen no invasiva que combina las ventajas de la imagen óptica y la imagen ultrasónica11,12. Yang et al.13 informan de un generador de imágenes fotoacústicas de barrido de trama dual (DRS-PAI), y a través del barrido de acoplamiento acústico de diferentes partes de ratones, se recogen las imágenes vasculares en los modos WIM y RIM, respectivamente. La ventaja de DRS-PAI es que WIM y RIM están integrados en un sistema y proporcionan una visualización vascular de campo amplio de alta resolución de la dinámica sanguínea en tiempo real. El modo de imagen en tiempo real (RIM) puede revelar las características de la respiración o el pulso midiendo el desplazamiento de la vasculatura a lo largo de la dirección de profundidad. Además, RIM puede medir cuantitativamente el área específica de las imágenes WIM. Al comparar las imágenes, se pueden revelar con precisión los detalles de los cambios locales. Este método se puede aplicar fácilmente a varios campos de la investigación básica biomédica.
La creciente demanda de islotes plantea mayores requisitos para el aislamiento de islotes 14,15,16. Tamburrini et al.17 proponen un nuevo método de descelularización sin detergente que crea menos daño a la ECM y puede preservar los componentes críticos de la ECM pancreática. El método de descelularización evita el uso de detergentes químicos iónicos y no iónicos clásicos. Además, la descelularización del tejido en un vibrador orbitario en lugar de la inyección de detergente a través de un sistema vascular promueve en gran medida la simplicidad, consistencia y viabilidad de la tecnología de descelularización, aumentando así la producción de ECM para su traducción. Como los métodos acelulares actuales no pueden cuantificar el Triton X-100 residual en la ECM después de la descelularización y la viabilidad de expandir el proceso de fabricación en el entorno cGMP es baja, también estudiaron la viabilidad de obtener la descelularización por vibración mecánica en lugar de perfusión de todo el páncreas. Los datos sobre la cuantificación de colágeno y glicosaminoglicanos muestran una tendencia consistente con la experiencia previa. Se encontraron algunas limitaciones al usar este protocolo. Por lo tanto, los páncreas humanos de donantes con IMC <30 generalmente se consideran adecuados para la descelularización.
El uso de biomateriales absorbibles para inducir la regeneración directamente in vivo es una estrategia atractiva 18,19,20,21,22, pero este tipo de biomaterial puede causar una reacción inflamatoria después de la implantación, que también es la fuerza impulsora para la posterior reabsorción y regeneración de nuevos tejidos. Tanto el proceso de inflamación como el de regeneración están determinados por el esfuerzo de tracción y cizallamiento. Koch et al.23 describen en detalle el uso de un biorreactor para desacoplar esfuerzos de tracción y cizallamiento en andamios tubulares. Sugieren que la aplicación de este sistema de biorreactor tubular ayudará a estudiar sus efectos individuales y combinados en mecánica. Este biorreactor evalúa sistemáticamente las contribuciones del esfuerzo cortante y el estiramiento cíclico a la inflamación y la regeneración tisular en andamios tubulares reabsorbibles. Además, esto permite estandarizar las capacidades de inflamación y regeneración bajo la influencia de stents tubulares bajo cargas mecánicas bien controladas. Los pasos clave de este método se discuten en detalle: la construcción y configuración del biorreactor, la preparación del andamio y la inoculación celular, la aplicación y mantenimiento del flujo de estiramiento y cizallamiento, la recolección de muestras y el análisis. Este sistema puede probar una variedad de injertos vasculares de ingeniería tisular (por ejemplo, fuentes sintéticas o naturales, diferentes microestructuras, diferente porosidad). Para desacoplar eficazmente la aplicación de esfuerzo cortante y tensión, los conceptos clave utilizados en el biorreactor son los siguientes. Primero, el control de esfuerzo cortante y estiramiento se separa utilizando diferentes sistemas de bombeo. En segundo lugar, los andamios se estimulan de adentro hacia afuera con dimensiones computacionales. El flujo se aplica en la superficie exterior del andamio tubular mediante una bomba de flujo, mientras que el tubo de silicona se expande con una bomba de tensión separada y la tensión circunferencial del soporte se expande con una bomba de tensión separada. Este método también se puede utilizar para un gran número de análisis sobre la construcción vascular. Los resultados indican los efectos únicos de diferentes combinaciones de cizallamiento y tensión en el crecimiento y la remodelación de la estructura del injerto vascular de ingeniería tisular (TEVG). Los conocimientos obtenidos a través de la recopilación de la plataforma in vitro son útiles para optimizar los parámetros de diseño recientemente desarrollados para los TEVG in situ.
El control de la postura y el equilibrio se puede dividir en estados estáticos y dinámicos 24,25,26,27. Entre ellos, la capacidad de equilibrio dinámico se refiere a la capacidad del cuerpo para controlar y ajustar el centro de gravedad y la postura del cuerpo en movimiento28. Desde la perspectiva de la biomecánica deportiva, el cuerpo principal para mantener el equilibrio dinámico es la articulación del tobillo de las extremidades inferiores. Si la articulación de la cadera fuera el cuerpo principal para mantener el equilibrio, sería fácil caerse. Zhou et al.29 analizan los cambios en la biomecánica de los miembros inferiores en la terminación de la marcha causados por un estímulo inesperado. Se utiliza un sistema de análisis de movimiento y una plataforma de presión plantar para recopilar los datos de movimiento del movimiento de las extremidades inferiores in situ. Este método se puede utilizar en investigación biomecánica, sistemas de realidad virtual, control remoto de robots, producción de animación, entrenamiento deportivo, investigación ergonómica, juegos interactivos, etc.
La inestabilidad crónica del tobillo (IAC) es una de las lesiones deportivas más comunes, caracterizada por dolor e hinchazón persistentes del tobillo, el tobillo cediendo y discapacidad autorreferida, que afecta gravemente la estabilidad postural de los pacientes30,31. La CAI podría mejorarse mediante el vendaje kinesiológico. Yin et al.32 analizan las contribuciones de la visión, la propiocepción y la sensación vestibular en el mantenimiento de la estabilidad postural mediante el uso de posturografía dinámica por computadora. Se realizaron y midieron pruebas de organización sensorial (SOT), postura unilateral (US), límite de estabilidad (LOS), prueba de control motor (MCT) y pruebas de adaptación (ADT). Estas mediciones proporcionan un nuevo método para observar el proceso de coordinación de los tres sistemas sensoriales y regular la activación muscular para mantener la estabilidad postural.
Combinados con una investigación integral multidisciplinaria, los equipos y métodos de medición avanzados promueven el desarrollo y la evolución de los biomateriales y la biomecánica. Aunque este artículo discute diferentes métodos de prueba, es necesario integrar diferentes métodos e ideas de investigación en varios campos como una dirección de investigación interdisciplinaria e integral para acelerar la investigación de biomateriales y biomecánica y promover la comunicación entre investigadores en diferentes campos.