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En tant que domaine de recherche interdisciplinaire important, les biomatériaux et la biomécanique révèlent les relations et les mécanismes entre la structure, les performances et la fonction des biomatériaux par le biais de la recherche expérimentale et de l’analyse théorique, qui est liée à la science des matériaux, à la mécanique, à la bio-ingénierie, aux mathématiques, etc. Afin d’améliorer les méthodes expérimentales des biomatériaux et de la biomécanique, cette collection de méthodes JoVE traite des méthodes expérimentales correspondantes et de leurs caractéristiques respectives dans deux catégories : les propriétés mécaniques tissulaires et la mécanique bionique. Les observations de la mécanique tissulaire comprennent une méthode d’étirement 3D de l’hydrogel, une méthode photoacoustique à double balayage matriciel, une méthode de décellularisation sans détergent du pancréas humain et une méthode de découplage des contraintes de traction et de cisaillement sur des échafaudages tubulaires. Les observations de la mécanique bionique comprennent une méthode de collecte de données sur le mouvement des membres inférieurs et le contrôle postural pour les patients présentant une instabilité de la cheville.
Les effets de la force mécanique sur l’organisation comprennent principalement l’expression des gènes, la différenciation cellulaire, le remodelage tissulaire 1,2,3 et les modifications de la matrice extracellulaire (MEC)4,5,6. La compréhension de la réponse tissulaire aux forces mécaniques 7,8,9 aidera au développement du domaine de l’ingénierie tissulaire et des modèles théoriques. Kolel et al.10 proposent une méthode d’étirement des hydrogels 3D, qui permet une déformation uniaxiale statique ou cyclique au cours d’un microscope confocal. Ils ont moulé un gel de fibrine avec un trou d’environ 2 mm de diamètre sur des bandes de caoutchouc de silicium de 0,5 mm d’épaisseur, puis un étirement uniaxial a été effectué sous microscopie confocale en direct. Enfin, ils discutent de la possibilité d’intégrer des cellules dans des hydrogels et de les exposer à un étirement externe contrôlé. Le système d’étirement utilisé dans ce protocole se compose de composants d’impression 3D et de composants électroniques à faible coût. Le système présente les caractéristiques uniques suivantes par rapport aux autres méthodes existantes. Tout d’abord, le système permet l’étirement uniaxial d’hydrogels souples 3D épais, et l’ensemble de l’hydrogel a une déformation uniforme en Z. Deuxièmement, en raison de la simplicité de l’impression 3D et du faible coût de cet équipement, il est facile de construire ce type d’équipement d’étirement dans d’autres laboratoires. Troisièmement, la géométrie et la taille de l’échantillon peuvent être librement exploitées en fonction de l’utilisateur. Cette méthode a amélioré la capacité d’étudier les forces externes sur les processus biologiques dans des conditions 3D plus physiologiques et a contribué au domaine de l’ingénierie tissulaire.
L’imagerie des petits animaux joue un rôle important dans l’orientation de la recherche sur les maladies homologues humaines et la recherche de méthodes de traitement efficaces. L’imagerie photoacoustique (PAI) est une technologie d’imagerie non invasive qui combine les avantages de l’imagerie optique et de l’imagerie par ultrasons11,12. Yang et al.13 rapportent un double imageur photoacoustique à balayage matriciel (DRS-PAI), et grâce au balayage de couplage acoustique de différentes parties de souris, les images vasculaires dans les modes WIM et RIM sont collectées, respectivement. L’avantage du DRS-PAI est que WIM et RIM sont intégrés dans un seul système et fournissent une visualisation vasculaire à grand champ haute résolution de la dynamique sanguine en temps réel. Le mode d’imagerie en temps réel (RIM) peut révéler les caractéristiques de la respiration ou du pouls en mesurant le déplacement du système vasculaire dans la direction de la profondeur. De plus, RIM peut mesurer quantitativement la zone spécifique des images WIM. En comparant les images, les détails des changements locaux peuvent être révélés avec précision. Cette méthode peut être facilement appliquée à divers domaines de la recherche fondamentale biomédicale.
La demande croissante d’îlots met en avant des exigences plus élevées pour l’isolation des îlots 14,15,16. Tamburrini et al.17 proposent une nouvelle méthode de décellularisation sans détergent qui crée moins de dommages à la MEC et peut préserver les composants critiques de la MEC pancréatique. La méthode de décellularisation évite l’utilisation de détergents chimiques ioniques et non ioniques classiques. De plus, la décellularisation du tissu dans un vibrateur orbital plutôt que l’injection de détergent à travers un système vasculaire favorise grandement la simplicité, la cohérence et la faisabilité de la technologie de décellularisation, augmentant ainsi la production d’ECM pour la traduction. Comme les méthodes acellulaires actuelles ne peuvent pas quantifier le Triton X-100 résiduel sur la post-décellularisation ECM et que la faisabilité d’étendre le processus de fabrication dans l’environnement cGMP est faible, ils ont également étudié la faisabilité d’obtenir une décellularisation par vibration mécanique plutôt que par perfusion de l’ensemble du pancréas. Les données sur la quantification du collagène et des glycosaminoglycanes montrent une tendance cohérente avec l’expérience précédente. Certaines limitations ont été trouvées en utilisant ce protocole. Par conséquent, les pancréas humains de donneurs ayant un IMC <30 sont généralement considérés comme appropriés pour la décellularisation.
L’utilisation de biomatériaux résorbables pour induire la régénération directement in vivo est une stratégie attrayante 18,19,20,21,22, mais ce type de biomatériau peut provoquer une réaction inflammatoire après l’implantation, ce qui est également la force motrice de la résorption ultérieure et de la régénération de nouveaux tissus. L’inflammation et le processus de régénération sont tous deux déterminés par la contrainte de traction et de cisaillement. Koch et al.23 décrivent en détail l’utilisation d’un bioréacteur pour découpler les contraintes de traction et de cisaillement sur des échafaudages tubulaires. Ils suggèrent que l’application de ce système de bioréacteur tubulaire aidera à étudier leurs effets individuels et combinés en mécanique. Ce bioréacteur évalue systématiquement les contributions de la contrainte de cisaillement et de l’étirement cyclique à l’inflammation et à la régénération tissulaire dans des échafaudages tubulaires résorbables. De plus, cela permet de standardiser les capacités d’inflammation et de régénération sous l’influence de stents tubulaires sous des charges mécaniques bien contrôlées. Les étapes clés de cette méthode sont discutées en détail : la construction et la configuration du bioréacteur, la préparation de l’échafaudage et l’inoculation des cellules, l’application et la maintenance de l’étirement et du cisaillement, la collecte des échantillons et l’analyse. Ce système peut tester une variété de greffes vasculaires issues de l’ingénierie tissulaire (par exemple, des sources synthétiques ou naturelles, différentes microstructures, différentes porosités). Afin de découpler efficacement l’application de la contrainte de cisaillement et de la tension, les concepts clés utilisés dans le bioréacteur sont les suivants. Tout d’abord, la contrainte de cisaillement et le contrôle de l’étirement sont séparés à l’aide de différents systèmes de pompe. Deuxièmement, l’échafaudage est stimulé de l’intérieur vers l’extérieur avec des dimensions calculatrices. L’écoulement est appliqué sur la surface extérieure de l’échafaudage tubulaire à l’aide d’une pompe d’écoulement, tandis que le tube en silicone est expansé à l’aide d’une pompe de contrainte séparée et que la tension circonférentielle du support est dilatée à l’aide d’une pompe de contrainte séparée. Cette méthode peut également être utilisée pour un grand nombre d’analyses sur la construction vasculaire. Les résultats indiquent les effets uniques de différentes combinaisons de cisaillement et de tension sur la croissance et le remodelage de la structure du greffon vasculaire issu de l’ingénierie tissulaire (TEVG). Les informations obtenues grâce à la collecte de la plateforme in vitro sont utiles pour optimiser les paramètres de conception nouvellement développés pour les TEVG in situ.
Le contrôle de la posture et de l’équilibre peut être divisé en états statiques et dynamiques 24,25,26,27. Parmi eux, la capacité d'équilibre dynamique fait référence à la capacité du corps à contrôler et à ajuster le centre de gravité et la posture du corps en mouvement28. Du point de vue de la biomécanique sportive, le corps principal pour maintenir l’équilibre dynamique est l’articulation de la cheville des membres inférieurs. Si l’articulation de la hanche était le principal corps pour maintenir l’équilibre, il serait facile de tomber. Zhou et al.29 analysent les changements dans la biomécanique des membres inférieurs à la fin de la marche causés par un stimulus inattendu. Un système d’analyse du mouvement et une plate-forme de pression plantaire sont utilisés pour collecter les données de mouvement du mouvement des membres inférieurs in situ. Cette méthode peut être utilisée dans la recherche en biomécanique, les systèmes de réalité virtuelle, la télécommande de robots, la production d’animations, l’entraînement sportif, la recherche en ergonomie, les jeux interactifs, etc.
L’instabilité chronique de la cheville (IAC) est l’une des blessures sportives les plus courantes, caractérisée par une douleur persistante et un gonflement de la cheville, une défaillance de la cheville et une invalidité auto-déclarée, qui affecte gravement la stabilité posturale des patients30,31. L’IAO pourrait être améliorée par le bandage de kinésiologie. Yin et al.32 analysent les contributions de la vision, de la proprioception et de la sensation vestibulaire dans le maintien de la stabilité posturale en utilisant la posturographie dynamique par ordinateur. Des tests d’organisation sensorielle (SOT), de position unilatérale (US), de limite de stabilité (LOS), de contrôle moteur (MCT) et d’adaptation (ADT) ont été effectués et mesurés. Ces mesures fournissent une nouvelle méthode pour observer le processus de coordination des trois systèmes sensoriels et de régulation de l’activation musculaire pour maintenir la stabilité posturale.
Combinés à une recherche multidisciplinaire exhaustive, les équipements et méthodes de mesure avancés favorisent le développement et l’évolution des biomatériaux et de la biomécanique. Bien que cet article traite de différentes méthodes d’essai, il est nécessaire d’intégrer différentes méthodes et idées de recherche dans divers domaines en tant qu’orientation de recherche interdisciplinaire et complète afin d’accélérer la recherche sur les biomatériaux et la biomécanique et de promouvoir la communication entre les chercheurs dans différents domaines.