Caractérisation biomécanique des tissus mous humains à l'aide d'essais indentation et traction

L’objectif général de cette technique est d’utiliser des essais d’indentation et de traction pour caractériser les propriétés mécaniques des tissus mous humains. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l’ingénierie tissulaire, telles que la rigidité d’un implant pour remplacer un organe humain défaillant ou blessé. Les principaux avantages de ces techniques sont qu’elles sont non destructives et simples à mettre en œuvre.

Nous avons eu l’idée de cette méthode pour la première fois lorsque nous concevions des implants synthétiques pour l’oreille et le nez, et nous nous sommes demandé à quel point nous devions rendre le matériau rigide. En général, les personnes qui ne connaissent pas cette méthode auront des difficultés en raison d’une préparation incorrecte des échantillons et de difficultés à configurer correctement les tests. Pour commencer, obtenez un échantillon de peau ou d’autres tissus provenant de patients consentants subissant des interventions chirurgicales ou de cadavres consentis à des fins de recherche.

Placez l’échantillon de peau dans une boîte de Pétri et couvrez-le de PBS pour garder le tissu humide. À l’aide d’une lame de scalpel et d’une pince, vous pourrez disséquer manuellement le tissu adipeux et la fine couche de derme profond de l’échantillon. Coupez la feuille résultante de peau d’épaisseur fendue en bandes d’un centimètre sur cinq.

Ensuite, jetez les lames de scalpel utilisées dans une poubelle pour objets tranchants. Enfin, utilisez des pieds à coulisse pour mesurer l’épaisseur de la peau. L’épaisseur devra également être mesurée après les essais mécaniques.

Testez des échantillons de peau en tension uniaxiale à l’aide d’une machine d’essai de matériaux calibrés à température ambiante. Commencez par orienter les échantillons de peau de manière à ce que l’orientation naturelle des fibres de collagène soit toutes dans le même sens, selon les lignes de Langer. Ensuite, chargez l’échantillon dans les poignées, de sorte que la direction de la force appliquée soit soit alignée avec les lignes de Langer, soit perpendiculaire à celles-ci.

Immobilisez l’échantillon en serrant les poignées à la main de sorte qu’environ 0,5 centimètre de l’échantillon soit placé dans chaque poignée. Assurez-vous que l’une des poignées de la machine d’essai est fixée à un capteur de charge approprié et l’autre à une plaque de base inamovible. Une fois fixé, couvrez la zone de l’échantillon des deux côtés avec de la vaseline pour éviter la dessiccation de l’échantillon.

Maintenant, programmez le régime d’essai de charge de traction et de relaxation dans le logiciel de sorte que l’échantillon soit chargé à un millimètre par seconde, à une tension de 29,42 newtons. Une fois que le tissu atteint une tension de 29,42 newtons, réglez le programme pour maintenir la constante de déplacement pendant une heure et demie, afin de permettre au tissu de se détendre, tout en continuant à surveiller le changement de tension. Une fois terminé, utilisez à nouveau des pieds à coulisse pour mesurer l’épaisseur de l’échantillon.

Après avoir obtenu un échantillon de cartilage d’une personne consentante, placez-le dans une boîte de Pétri et couvrez-le de PBS. À l’aide d’une lame de scalpel et d’une pince, vous pourrez retirer la peau et le fascia de l’échantillon. Ensuite, coupez les échantillons de cartilage en carrés de 1,5 centimètre.

Une fois coupé, mesurez l’épaisseur du cartilage à charger à l’aide d’un pied à coulisse. La taille finale de l’échantillon doit être au moins huit fois supérieure au diamètre du pénétrateur. Centrez l’échantillon de cartilage sous le pénétrateur sur une grande base imperméable et orientez-le de manière à ce que la surface soit perpendiculaire au pénétrateur.

Cela permet à la compression d’être uniaxiale et limite toute voilure. Ensuite, recouvrez le cartilage de PBS et gardez l’échantillon hydraté tout au long du test. Programmez le régime de test de charge de compression et de relaxation dans le logiciel, de sorte que l’échantillon soit chargé à un millimètre par seconde avec une force de compression de 2,94 newtons.

Une fois la charge de 2,94 newtons atteinte, maintenez le pénétrateur dans la même position et laissez le cartilage se détendre pendant 15 minutes. Une fois terminé, libérez l’échantillon et mesurez à nouveau l’épaisseur de l’échantillon. Pour évaluer la viscoélasticité du tissu cutané après un essai de traction, toutes les valeurs du tracé contrainte-déformation sont incluses pour le calcul du module de Young, jusqu’à ce que l’ajustement de la courbe linéaire ait une valeur R minimale de 0,98.

Le graphique du stress en fonction du temps est utilisé pour évaluer les propriétés de relaxation de la peau. Le taux de relaxation est calculé à partir des 200 dernières secondes des données collectées, qui pour cet échantillon est de 3,1 fois dix à cinq mégapascals par seconde. Le graphique présenté ici est un exemple de données de contrainte en fonction de la déformation, montrant les résultats des tests d’indentation sur le cartilage humain.

Comme pour le calcul du module de Young pour l’échantillon de peau, les valeurs à la fin de la courbe sont utilisées pour le cartilage, à condition qu’elles correspondent à la valeur R minimale de 0,98. Le cartilage a un taux de relaxation de 8,78 fois dix puissance moins six mégapascals par seconde et un niveau final absolu de relaxation de 0,028 mégapascals. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en sept heures si elle est exécutée correctement.

Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler d’avoir un protocole de dissection reproductible et les dimensions de l’échantillon. À la suite de cette procédure, d’autres méthodes, comme la charge cyclique, peuvent être formées afin de répondre à des questions supplémentaires, comme comment les tissus se comportent sous des charges physiologiques et dynamiques. Cette technique ouvre la voie aux chercheurs dans le domaine de la biomécanique pour explorer l’utilisation de cette technique non destructive pour des essais mécaniques non invasifs in vivo.

N’oubliez pas que travailler avec des tissus humains peut être extrêmement dangereux et que des précautions telles que des gants doivent toujours être prises lors de cette procédure.