Caracterización biomecánica de los tejidos blandos humanos utilizando sangría y Ensayo de tracción

El objetivo general de esta técnica es utilizar la indentación y las pruebas de tracción para caracterizar las propiedades mecánicas de los tejidos blandos humanos. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la ingeniería de tejidos, como qué tan rígido debo hacer un implante para reemplazar un órgano humano defectuoso o lesionado. Las principales ventajas de estas técnicas son que no son destructivas y son sencillas de implementar.

Tuvimos la idea de este método por primera vez cuando estábamos diseñando implantes sintéticos de oreja y nariz, y nos preguntábamos qué tan rígido debía hacer el material. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades debido a una preparación incorrecta de la muestra y dificultades para configurar las pruebas correctamente. Para empezar, obtenga una muestra de piel, u otro tejido, de pacientes que se sometan a procedimientos quirúrgicos o de cuerpos cadavéricos que hayan dado su consentimiento con fines de investigación.

Coloque la muestra de piel en una placa de Petri y cúbrala con PBS para mantener el tejido húmedo. Utilice una hoja de bisturí y pinzas para diseccionar manualmente el tejido adiposo y la fina capa de dermis profunda de la muestra. Corte la hoja resultante de piel de grosor dividido en tiras de uno por cinco centímetros.

Luego, deseche las hojas de bisturí usadas en un contenedor de objetos punzocortantes. Por último, utiliza pinzas para medir el grosor de la piel. El espesor también deberá medirse después de las pruebas mecánicas.

Analice muestras de piel en tensión uniaxial utilizando una máquina de ensayo de materiales calibrada a temperatura ambiente. Comience por orientar las muestras de piel de modo que la orientación natural de las fibras de colágeno esté todas en la misma dirección, de acuerdo con las líneas de Langer. A continuación, cargue la muestra en las mordazas, de modo que la dirección de la fuerza aplicada esté en línea con las líneas de Langer o perpendicular a ellas.

Inmovilice la muestra apretando las mordazas con los dedos de modo que se coloquen aproximadamente 0,5 centímetros de la muestra en cada empuñadura. Asegúrese de que una de las mordazas de la máquina de ensayo esté fijada a una célula de carga adecuada y la otra a una placa base inamovible. Una vez asegurado, cubra el área de la muestra por ambos lados con vaselina para evitar la desecación de la muestra.

Ahora, programe el régimen de pruebas de carga de tracción y relajación en el software para que la muestra se cargue a un milímetro por segundo, a una tensión de 29,42 newtons. Una vez que el tejido alcance una tensión de 29,42 newtons, configure el programa para mantener el desplazamiento constante durante una hora y media, para permitir que el tejido se relaje, mientras continúa monitoreando el cambio en la tensión. Cuando termine, vuelva a utilizar los calibradores para medir el grosor de la muestra.

Después de obtener una muestra de cartílago de una persona que dé su consentimiento, colóquela en una placa de Petri y cúbrala con PBS. Use una hoja de bisturí y pinzas para quitar la piel y la fascia de la muestra. A continuación, corta las muestras de cartílago en cuadrados de 1,5 centímetros.

Una vez cortado, medir el grosor del cartílago a cargar mediante pinzas. El tamaño final de la muestra debe ser al menos ocho veces mayor que el diámetro del indentador. Centre la muestra de cartílago debajo del indentador en una base impermeable grande y oriéntela de manera que la superficie sea perpendicular al indentador.

Esto permite que la compresión sea uniaxial y limita cualquier transparencia. Luego, cubra el cartílago con PBS y mantenga la muestra hidratada durante toda la prueba. Programe el régimen de prueba de carga de compresión y relajación en el software, de modo que la muestra se cargue a un milímetro por segundo con una fuerza de compresión de 2,94 newtons.

Después de alcanzar la carga de 2,94 newton, mantenga el indentador en la misma posición y permita que el cartílago se relaje durante 15 minutos. Una vez que haya terminado, suelte la muestra y vuelva a medir el grosor de la muestra. Para evaluar la viscoelasticidad del tejido cutáneo después de la prueba de tracción, todos los valores de la gráfica de deformación por tensión se incluyen para el cálculo del módulo de Young, hasta que el ajuste de la curva de línea tenga un valor R mínimo de 0,98.

El gráfico de estrés frente al tiempo se utiliza para evaluar las propiedades de relajación de la piel. La tasa de relajación se calcula a partir de los últimos 200 segundos de los datos recopilados, que para esta muestra es de 3,1 veces diez a cinco megapascales por segundo. El gráfico que se muestra aquí muestra ejemplos de datos de estrés frente a deformación, que muestran los resultados de las pruebas de indentación en cartílago humano.

Al igual que con el cálculo del módulo de Young para la muestra de piel, los valores al final de la curva se utilizan para el cartílago, siempre que se ajusten al valor R mínimo de 0,98. El cartílago tiene una tasa de relajación de 8,78 veces diez elevado a menos seis megapascales por segundo y un nivel final absoluto de relajación de 0,028 megapascales. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en siete horas si se realiza correctamente.

Al intentar este procedimiento, es importante recordar que debe tener un protocolo de disección y dimensiones de muestra repetibles. Siguiendo este procedimiento, se pueden formar otros métodos, como la carga cíclica, para responder a preguntas adicionales, como cómo se comportan los tejidos bajo cargas fisiológicas y dinámicas. Esta técnica allana el camino para que los investigadores en el campo de la biomecánica exploren el uso de esta técnica no destructiva para pruebas mecánicas no invasivas in vivo.

No olvide que trabajar con tejidos humanos puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones como guantes al realizar este procedimiento.