Name: Caractérisation biomécanique des tissus mous humains à laide dessais indentation et traction (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 7 s
Description: Apprenez à caractériser les propriétés biomécaniques des tissus mous humains par indentation et traction. Cette méthode non destructive permet d'évaluer la rigidité pour concevoir des implants en ingénierie tissulaire.

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Nous tenons à remercier le Conseil de recherches médicales et Action Medical Research pour leur financement, qui ont accordé à MG une bourse clinique, GN 2339, pour mener à bien ce travail.

Ce protocole suit les directives éthiques de la recherche humaine directives du comité d&#39;éthique de notre institution sur l&#39;utilisation, le stockage et l&#39;élimination des tissus humains. des échantillons de tissus humains peuvent être excisées des organes cadavériques qui ont été consentis à des fins de recherche avec les approbations éthiques. Les échantillons peuvent également être éliminés des tissus provenant de patients consentants subissant des interventions chirurgicales, avec l&#39;approbation éthique pertinente. 1. Préparation de la peau <ol><li> Préparer des échantillons en disséquant manuellement le tissu adipeux et la mince couche de derme profond à l&#39;aide d&#39;une lame de scalpel et des pinces. Cette étape est importante pour assurer la cohérence entre les échantillons 14. </li><li> Couper la feuille de peau de demi-épaisseur résultant en une taille d&#39;échantillon normalisé (par exemple, 1 cm x 5 cm échantillons). Déterminer la taille de l&#39;échantillon sur la base des dimensions de l&#39;appareil d&#39;essai. Si une construction d&#39;ingénierie tissulaire est également testé, le specimen taille doit être appropriée pour le matériau d&#39;intérêt 14. Jeter les lames de scalpel dans les bacs à déchets tranchants appropriés. </li><li> Pour permettre la réalisation des calculs de mécanique, de mesurer l&#39;épaisseur de la peau en cours de test en utilisant des compas électronique avant et après les essais mécaniques. </li></ol> 2. Essai de traction NOTE: Toutes les machines d&#39;essai de matériaux doivent être étalonnés selon les directives du fabricant avant le test. <ol><li> Des échantillons de peau de test en traction uniaxiale en utilisant une machine d&#39;essai de matériaux (figure 2A) à la température ambiante (22 ° C) 14. </li><li> Orienter les échantillons de peau dans le même sens pour tous les échantillons (par exemple, perpendiculaire ou en ligne avec Langer Lines (lignes topologiques tracées sur une carte du corps humain et faisant référence à l&#39;orientation naturelle des fibres de collagène dans le derme)) 14. </li><li> Immobiliser l&#39;échantillon entre deux pinces (cogabarit mmercial), l&#39; un fixé à une cellule de charge 98,07 N et l&#39;autre à une plaque de base 14 immobile. La zone qui en résulte entre les pinces testées en traction uniaxiale devrait être de 1 cm x 4 cm (figure 2). NOTE: Un gabarit commercial a été utilisé pour éviter de préhension non uniforme et des dommages à l&#39;échantillon avant le test. L&#39;échantillon est fixé à une étanchéité &quot;finger étanche&quot;. </li><li> Couvrir la surface de l&#39;échantillon (après mise en place dans l&#39;appareil) sur les deux côtés avec de la vaseline pour éviter la dessication spécimen. </li><li> Programmer la charge de traction et de détente régime de tests dans le logiciel comme une liste d&#39;actions, comme suit: Zero Charge | Zéro Position | Trouver Contact (chargement de traction) | Attendre (Relaxation). </li><li> Commencer le test avec le logiciel. Chargez l&#39;échantillon sous tension à 29,42 N à 1 mm / s. Utiliser un taux et une charge qui ne provoque pas l&#39; échec de la peau (par exemple, 29,42 N à 1 mm / s). </li><li> Après l&#39;29.42 N-charge est atteinte, permettre au tissu de se détendrependant 1,5 h, un point de temps au cours de laquelle il y a peu de changement dans le comportement de relaxation, contrôlé par le logiciel de l&#39; ordinateur 14. Remarque: le déplacement est maintenue constante pendant la phase de détente, et non la charge. </li><li> Calculer des propriétés élastiques et viscoélastiques selon les directives de la section d&#39;analyse. Les propriétés mécaniques étudiées représentent les propriétés moyennes des constituants de la peau dédoublé épaisseur (épiderme et du derme) 14. Note: Il n&#39;y a pas de charge de tare définie, car il est clair à partir des données brutes lorsque la déformation se produit et donc, seuls ces points de données sont inclus. </li></ol> 3. Préparation de Cartilage <ol><li> Enlever la peau et le fascia de l&#39;échantillon de cartilage en utilisant une lame de scalpel et pince 15, 16. </li><li> Divisez les spécimens de cartilage dans une taille de l&#39; échantillon normalisé (par exemple, 1,5 cm blocs) à l&#39; aide d&#39; une lame de scalpel et pince. Pour tous les échantillons, utilisez un semicircuen forme de lar-pénétrateur (figure 2B) qui a un diamètre et une épaisseur d&#39; au moins 8 fois supérieure à la taille de l&#39;échantillon du cartilage. Ce rapport assure que le pénétrateur ne soit pas affectée par des effets de bord de la préparation des échantillons 15. Jeter les lames de scalpel dans les bacs à déchets tranchants appropriés. </li><li> Pour permettre la réalisation des calculs mécaniques, mesurer l&#39;épaisseur du cartilage à être chargé en utilisant des compas électroniques avant et après les essais mécaniques 15, 16. </li></ol> 4. Essais de compression indentation <ol><li> Compresser les échantillons de cartilage en utilisant une machine d&#39;essai de matériaux dans un environnement hydraté à la température ambiante. Couvrir l&#39;échantillon de cartilage avec une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) avant et pendant le test de compression pour s&#39;assurer que l&#39;échantillon est hydraté. NOTE: PBS ne correspond pas exactement à l&#39;environnement physiologique, mais elle permet à la fois les matériaux et les tissus soient comcomparée également 15, 16. </li><li> Orienter l&#39;échantillon de cartilage de sorte que la surface est perpendiculaire à l&#39;indenteur. Cela permet à la compression soit uniaxial et limite tout chargement de cisaillement 15. </li><li> Programmer la charge de compression et de détente régime de tests dans le logiciel comme une liste d&#39;actions, comme suit: Zero Charge | Zéro Position | Trouver Contact (chargement de compression) | Attendre (Relaxation). </li><li> Démarrez le test en utilisant le logiciel. Chargez l&#39;échantillon sous compression à 2,94 N à 1 mm / s 15, 16. NOTE: C&#39;était déterminé à être une charge non-destructive qui est assez sensible pour identifier les propriétés élastiques et viscoélastiques du cartilage 15. </li><li> Une fois la limite de 2,94-N est atteinte, laissez le cartilage de se détendre pendant 15 min, un point de temps au cours de laquelle il y a peu de changement dans le comportement de relaxation, en utilisant le logiciel de l&#39; ordinateur 15, 16. REMARQUE: la figure2C-D montre un ensemble typique pour les essais de compression et à la traction des échantillons de tissus humains. Ces mêmes protocoles peuvent ensuite être appliqués à des biomatériaux synthétiques pour correspondre aux propriétés biomécaniques du tissu natif en cours d&#39;analyse. Par exemple, la figure 2E-F illustre la compression et à la traction des tests de tissus humains correspondant étroitement les propriétés biomécaniques d&#39;un matériau synthétique. </li></ol> 5. Calcul des élastiques module de Young pour indentation et Essai de traction <ol><li> Recueillir les données brutes , y compris le temps (s), déplacement (mm), et la charge (N) de l&#39;appareil d&#39;essai de matériaux 14-16. </li><li> Calculer la contrainte (MPa) et la souche (%) en utilisant les formules indiquées à la figure 3. NOTE: Si un pénétrateur hémisphérique a été utilisé au cours des essais de compression, divisant la force par la surface de la section donne la (moyenne) contrainte nominale, mais pas le stress de pointe. </li><li> Utilisez un diagramme de dispersion linéairepour tracer la contrainte MPa (y de l&#39;axe) contre la souche (axe x). Déterminer l&#39;ajustement de courbe linéaire. L&#39;ajustement de courbe linéaire est égale à y = mx + b avec une valeur respective de R. Remarque: Tous les points de données sont inclus pour atteindre une valeur minimale de R&gt; 0,98. La valeur m est la pente, ce qui correspond au module de contrainte sur la souche, ce qui indique une résistance à la compression ou la résistance à la traction en MPa ( à savoir, le module d&#39;Young). Si la valeur R est pas&gt; 0,98, l&#39;hypothèse de caractériser le comportement viscoélastique linéaire est invalide. </li><li> Pour identifier les propriétés viscoélastiques dans lequel l&#39;écoulement de fluide de l&#39;exposition à la déformation a atteint l&#39;équilibre, le rapport entre le stress au fil du temps au cours des 200 dernières secondes de tests mécaniques et le niveau de stress final à la fin de l&#39;expérience sont calculées. NOTE: Avec le temps de plus en plus, le niveau de stress va diminuer (relaxation) que l&#39; écoulement du fluide atteint l&#39; équilibre 17, 18. Une réponse indiqu stress relaxation rapidees qu&#39;il est difficile de maintenir des contraintes élevées dans l&#39;échantillon 17, 18. </li></ol> 6. Propriétés de relaxation <ol><li> Plot contrainte en MPa (y de l&#39;axe) contre le temps dans s (axe x) sur un diagramme de dispersion linéaire. </li><li> Déterminer une courbe ajustement linéaire pour calculer le taux de relaxation. La courbe ajustement linéaire est égale à y = mx + b avec une valeur respective des 200 dernières secondes. La valeur de m est le taux de relaxation. </li><li> Inclure tous les points de données pour obtenir une valeur minimale de R&gt; 0,98. La contrainte finale (MPa) à 1,5 h pour la peau et 15 min pour le cartilage est la valeur finale de détente absolue. </li></ol>

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à déclarer.

Plusieurs protocoles de traction et de l&#39;indentation ont été publiés pour caractériser les tissus mous humains. Nous avons fourni une autre méthode, qui vise à être plus diagnostique et non destructive. Les échantillons soumis à des tests mécaniques dans ce protocole sont limitées par la charge plutôt que par le déplacement, comme transducteurs sont plus sensibles à charger que des déplacements. Par conséquent, des reproductions de l&#39;expérience peuvent être plus précis dans les tissus et les matériaux synthétiques. En utilisant cette technique, nous avons démontré un protocole de traction pour l&#39;évaluation des tissus de la peau et un protocole pour l&#39;analyse d&#39;empreinte du tissu du cartilage. Les deux protocoles sont faciles et simples à mettre en œuvre et pourraient être pris en compte pour la caractérisation des tissus mous humains et des constructions de génie tissulaire. L&#39;une des étapes essentielles de la méthode pour obtenir une courbe de relaxation de contrainte est adapté à l&#39;analyse pour s&#39;assurer que l&#39;échantillon ne glisse pas lors des essais. fixation adéquate est required, mais ceci doit être mis en balance provoque aucune contrainte sur les éprouvettes et en veillant à ce que le pénétrateur est perpendiculaire à la surface afin d&#39;éviter toute sollicitation de cisaillement. Il est essentiel que la composition ainsi que la taille et la forme du tissu sont similaires entre les échantillons. Pour le cartilage, il est essentiel d&#39;utiliser un protocole de dissection répétable et dimensions échantillons. Pour les échantillons de peau, il est essentiel d&#39;enlever tout le tissu sous-cutané afin d&#39;obtenir un échantillon reproductible. Il est également important de veiller à ce que pour tous les échantillons, les conditions de spécimen sont identiques, y compris l&#39;hydratation, la température ambiante, et le processus de décongélation, le cas échéant. Il y a quelques limitations aux protocoles présentés. Des études ont suggéré que les caractéristiques de déformation de la peau et le cartilage dépendent de l&#39; échantillon 13 d&#39; orientation. Peau a été reconnu pour être anisotrope aussi loin que le 19 e siècle, avec Langer démontrer en 1861 que la peau a des lignes naturellesde tension, appelée lignes Langer 4. Ainsi, lors de la caractérisation des échantillons de peau, il est important d&#39;orienter tous les échantillons parallèles ou perpendiculaires aux lignes de Langer pour éviter d&#39; introduire un biais de la méthode 4. Cartilages montre également des propriétés anisotropes et contient des lignes Hultkrantz, qui sont équivalentes aux lignes Langer, de sorte que le cartilage peut se déformer différemment selon la direction dans laquelle il est chargé 12, 19. Ainsi, il est important d&#39;augmenter la taille de l&#39;échantillon pour permettre la vérification du cartilage dans des directions différentes. Comme les propriétés biomécaniques des tissus varient aussi avec l&#39;âge et le sexe, les études devraient être effectuées avec une cohorte représentative de patients pour maintenir la validité du cadre clinique. En outre, certains protocoles mécaniques préconisent préconditionnement, où le tissu subit une charge cyclique pour assurer que le tissu est dans un état stable pour les essais mécaniques ultérieures 20. Cependant, le mécanisme exact de la preconditionner est peu claire et le nombre exact de cycles nécessaires pour produire une réponse cohérente et reproductible varie dans les différentes études 20. Le chercheur doit examiner si oui ou non d&#39;inclure préconditionnement après avoir évalué la raison pour effectuer le test biomécanique spécifique 20. La peau est un matériau complexe, multi-couches, divisé en trois couches principales: l&#39;épiderme, le derme et l&#39; hypoderme 4. Les propriétés mécaniques des tissus de la peau ont été récemment évalués à l&#39; aide des évaluations in vivo 4. Cependant, les protocoles d&#39;essai de traction peuvent être utilisés pour comprendre la biomécanique de la peau de la peau excisée 4. Ces tests peuvent fournir des informations pour modéliser les relations de contrainte-déformation, car les conditions aux limites peuvent être définies 4. En règle générale, les régimes in vitro de test utilisent des contraintes élevées pour caractériser le matériau à l&#39; échec, alors que vivo une utilisation dans des systèmesvarie de faible contrainte 4. Lorsque l&#39;on compare les valeurs biomécaniques pour la peau excisée en tension, il y a une grande variabilité entre les différentes études, allant de 2,9 à 150 MPa 4. De grandes différences entre les sujets sont attendus en raison de la variation biologique naturelle, mais les différences entre les régimes de protocole peuvent également aggraver ces différences biologiques naturelles. Par exemple, des différences dans les taux de charge entre les protocoles causeront des variations, aussi de plus grandes vitesses de charge provoquent moins de temps pour l&#39;écoulement du fluide hors, ce qui entraîne une plus grande rigidité. Les protocoles de préparation, l&#39; excision, et la manipulation des tissus de la peau seront également causer des différences dans les propriétés mécaniques 4. Ce protocole démontré pour la peau de test fournit une méthode alternative pour les chercheurs pour caractériser les tissus de la peau. Il offre quelques avantages, y compris la capacité d&#39;identifier les propriétés élastiques et viscoélastiques des tissus de la peau lors d&#39;un test mécanique, permettant une meilleure compréhension de la peaudans un court laps de temps. En outre, le même test peut être appliqué à des remplacements de l&#39;ingénierie tissulaire pour la fabrication de constructions ayant des propriétés biomécaniques similaires que la peau native. Test indentation offre une option intéressante par rapport aux essais de compression limitée pour comprendre la biomécanique du cartilage 21. Découpure a la capacité de préserver la structure physiologique du cartilage et fournit des valeurs qui imitent celles d&#39;un cadre clinique ainsi. En utilisant l&#39;indentation, il est également possible de tester le cartilage tout en restant attaché à l&#39;os sous-jacent. Indentation permet également de tests physiologiques du cartilage in vivo. Lorsque deux surfaces de cartilage se rapprochent les uns des autres, les bords entourant la zone de contact «gonflement» en raison de l&#39; eau sous la surface de contact étant déplacée latéralement après déformation à la compression se produit 17, 21. Cartilage indentation doit être effectuée avec un enDENTER avec un rayon plus petit que l&#39;échantillon de cartilage pour permettre le bombement similaire. La taille du pénétrateur doit également être d&#39; au moins 8 fois la taille de l&#39; échantillon afin d&#39; assurer que le cartilage réagit comme si elle faisait partie d&#39;un échantillon indéterminée 22. En utilisant un pénétrateur beaucoup plus petit que le rayon du diamètre de l&#39;échantillon élimine les effets de bord présente dans la création de l&#39;échantillon. En outre, l&#39;indentation évite les erreurs expérimentales possibles causées par les essais défauts du cartilage endommagés par l&#39;extraction de l&#39;échantillon. Indentation ne comprend également la préparation des échantillons en profondeur, telles que la compression confinée, ce qui permet de petits morceaux minces de cartilage à tester 17, 21. En outre, la méthode non destructive de l&#39;empreinte signifie qu&#39;il a une application potentielle dans le cadre clinique comme outil de diagnostic, après des études de validation et de vérification ont été effectuées. Il y a des hypothèses clés avec indentation que l&#39;utilisateur doit assurer à appropRésultats RIATE. Une condition limite critique de chargement indentation nécessite un contact constant entre le pénétrateur et la surface du cartilage ( à savoir, que la surface ne se déforme pas loin du pénétrateur) 23, 24. Dentelure chargement comprend également la condition limite suppose que le contact entre la surface du cartilage et le pénétrateur est non destructive ( à savoir que le pénétrateur est en contact avec la surface , mais ne passe pas à travers la surface, la surface du cartilage ne doit pas se rompre sous l&#39; pénétrateur) 25 - 26. Des études ont montré que cette condition limite peut être vérifiée par l&#39; utilisation de l&#39;encre de Chine, qui tacher les zones endommagées lorsqu&#39;elles sont appliquées à la surface du cartilage 25, 26. Une autre condition limite suppose que le pénétrateur comprime le cartilage perpendiculaire à la surface de l&#39;échantillon. L&#39;orientation perpendiculaire de la compression est une cond limite importanteition parce comprimant à un angle, en particulier si vous utilisez un chargement cyclique, peut entraîner un glissement, ce qui peut induire des composants de cisaillement et de modifier le chargement mécanique. Cette condition peut être assurée par l&#39;équipement d&#39;essai prudent mis en place. Après les protocoles résumés ont été optimisés pour les tissus mous de l&#39;intérêt, il serait utile pour les chercheurs de se pencher sur les essais dynamiques du tissu d&#39;intérêt. Chargement cyclique appropriée des spécimens devrait imiter les limites physiologiques normales et les comportements, comme imitant la marche ou d&#39; autres mouvements répétitifs 27. En résumé, ce rapport démontre des protocoles d&#39;essais mécaniques simples pour évaluer les tissus humains. La mise en œuvre de ces protocoles fournira des informations clés sur les caractéristiques biomécaniques des tissus, ce qui permet des constructions de génie tissulaire pour mieux imiter le tissu natif.

Les patients sont de plus en plus en attente pour diverses transplantations d&#39;organes pour traiter défaillants ou blessés organes. Cependant, avec la pénurie de donneurs d&#39;organes appropriés, la médecine régénérative a pour objectif de créer des solutions alternatives pour les patients souffrant d&#39;insuffisance d&#39;organes en phase terminale. La médecine régénérative a pour but de répondre à ce besoin clinique par des matériaux d&#39;ingénierie pour agir en tant que substituts de tissus, y compris les tissus mous, tels que le cartilage et de la peau. Pour créer un matériau efficace pour restaurer les tissus endommagés, le matériau de remplacement devrait imiter les propriétés du tissu natif , il va remplacer 1-2. Une fois implanté chirurgicalement, le matériau devra fournir forme anatomique au défaut des tissus et donc, les propriétés mécaniques du matériau sont essentiels 1. Par exemple, le remplacement d&#39; un matériau cartilage auriculaire doit avoir des propriétés mécaniques appropriées pour empêcher la compression de la peau sus - jacente 2. De même, un matériau destiné à remplacer la voiture nasaltilage devront avoir des propriétés mécaniques suffisantes pour empêcher l&#39; effondrement lors de la respiration 3. Cependant, malgré l&#39;importance des propriétés mécaniques lors de la fabrication de matériaux pour l&#39;implantation, peu de preuves a mis l&#39;accent sur la caractérisation des propriétés mécaniques des différents tissus humains. régimes d&#39;essais mécaniques peuvent être utilisés pour établir la compression, de traction, de flexion, ou des propriétés de cisaillement d&#39;un tissu. La peau est un très anisotrope, viscoélastique, et presque matériau incompressible 4-9. Communément la peau excisée est testé en utilisant des méthodologies de traction uniaxiale, où une bande de forme appropriée de la peau est saisie aux deux extrémités et tendue alors que la charge et l&#39; extension sont enregistrés 4-9. Depuis le composant majeur de tous les tissus mous est de l&#39; eau interstitielle, la réponse mécanique du cartilage est fortement liée à l&#39;écoulement du fluide à travers le tissu 10-11. Les tissus mous tels que le cartilage have été traditionnellement testée à l&#39;aide des tests de compression. Les méthodes d&#39;essai en compression sont très variées, avec confiné, unconfined et indentation étant la plus répandue (Figure 1). Confinée à l&#39;intérieur de la compression, un échantillon de cartilage est placé dans un imperméable, rempli de fluide et bien chargé à travers une plaque poreuse. Etant donné que le puits est non poreuse, le débit si le cartilage est dans la direction verticale de 12 à 13. Dans la compression non confinée, le cartilage est chargé à l&#39; aide d&#39; une plaque non poreuse sur une chambre non poreuse, ce qui oblige l&#39;écoulement de fluide à prédominance radiale 13/12. Indentation est la méthode la plus fréquemment utilisée pour évaluer les propriétés biomécaniques du cartilage 12-13. Il se compose d&#39;un pénétrateur plus petite que la surface de l&#39;échantillon en cours de test, qui est descendue sur le spécimen. Dentelure présente de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de compression, y compris le fait que l&#39; encoche peut être réalisée in situ, enabling le test soit plus physiologique (Figure 1) 12-13. Pour comprendre les propriétés de compression et de traction d&#39;un tissu, d&#39;un module d&#39; élasticité de Young est généralement calculée en analysant la partie linéaire de la courbe contrainte-déformation, ce qui indique la résistance élastique à la compression ou de tension, indépendamment de la taille de l&#39; échantillon 12. Les deux régimes de traction et d&#39;essais de compression peuvent varier en fonction de la charge ou de la déformation appliquée et de la vitesse de ces deux paramètres. À l&#39; heure actuelle, il existe de nombreux protocoles de tests différents pour évaluer la mécanique des tissus, ce qui rend extrêmement difficile à interpréter ou comparer les résultats de différentes études 6-13. En outre, de nombreux procédés mécaniques portent actuellement sur la caractérisation des propriétés mécaniques du tissu en testant le spécimen à la destruction. Notre objectif est de démontrer un protocole d&#39;indentation et de traction qui permet une comparaison directe, non-destructive de l&#39;hommeles tissus mous et les constructions de l&#39;ingénierie tissulaire. Nous démontrons une méthode qui limite les essais mécaniques à des contraintes encore obtient un module d&#39;élasticité de Young en compression et en tension fixe. L&#39;échantillon est sollicité soit en traction ou en compression à une certaine valeur, et une fois que la valeur de contrainte choisie a été atteinte, on laisse l&#39;échantillon de se détendre alors que toutes les données sont enregistrées. Cette méthode capte les propriétés viscoélastiques et la relaxation du tissu dans le même test, qui peut être appliquée directement sur la matière synthétique. Nous avons utilisé le protocole d&#39;empreinte pour évaluer les tissus mous humains, y compris la peau et le cartilage 14-16. Cartilage est évaluée à l&#39; aide des tests d&#39;indentation et de la peau est évaluée en utilisant la tension test 14-16. Les chercheurs visant à concevoir des matériaux ayant des propriétés similaires à celles des tissus mous humains pourraient envisager d&#39;appliquer ces protocoles.

<table><tbody><tr><td>Étriers à vernier numérique</td><td>Machine Mart</td><td>40218046</td><td>L’étrier à vernier numérique est utilisé pour mesurer l’épaisseur de l’échantillon.</td></tr><tr><td>Bain-marie&nbsp ;</td><td>Cole Parmer</td><td>UY-12504-94</td><td>StableTemp Support de flacon à bain d’eau numérique utilisé pour décongeler des échantillons de tissus s’ils sont congelés.&nbsp ;</td></tr><tr><td>Machine d’essai de matériaux Mach-1</td><td>Biomomentum&nbsp ;</td>Machine d’essai mécanique <td>V500c</td><td>utilisée pour tester les propriétés mécaniques des tissus.</td></tr><tr><td>Lame de scalpel&nbsp ;</td><td>VWR</td><td>233-5335</td><td>Lames de scalpel utilisées pour couper et disséquer les tissus.</td></tr><tr><td>Forceps&nbsp ;</td><td>VWR</td><td>470007-554</td><td>Pince utilisée pour disséquer les tissus.</td></tr><tr><td>Saline tamponnée au phosphate (PBS) pH 7.2</td><td>Life Technologies&nbsp ;</td><td>20012019</td><td>PBS est utilisé pour hydater les échantillons de tissus.</td></tr></tbody></table>

caractérisation biomécanique des tissus mous humains à l&#39;aide d&#39;essais indentation et traction

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

La médecine régénérative vise à concevoir des matériaux pour remplacer ou restaurer des organes endommagés ou malades. Les propriétés mécaniques de ces matériaux devraient imiter les tissus humains qu&#39;ils visent à remplacer; de fournir la forme anatomique nécessaire, les matériaux doivent être en mesure de soutenir les forces mécaniques, ils feront l&#39;expérience lors de l&#39;implantation sur le site de défaut. Bien que les propriétés mécaniques des échafaudages de l&#39;ingénierie tissulaire sont d&#39;une grande importance, de nombreux tissus humains qui subissent une restauration avec des matériaux d&#39;ingénierie ont pas été entièrement biomécaniquement caractérisé. Plusieurs protocoles de compression et de traction sont rapportées pour l&#39;évaluation des matériaux, mais avec une grande variabilité, il est difficile de comparer les résultats entre les études. Pour compliquer encore les études est la nature souvent destructrice des essais mécaniques. Alors que la compréhension de l&#39;échec des tissus est important, il est également important d&#39;avoir connaissance des propriétés élastiques et viscoélastiques sous plus Physiolconditions de chargement ogique. Ce rapport vise à fournir un protocole peu destructeur pour évaluer les propriétés de compression et de traction des tissus mous humains. Comme exemples de cette technique, l&#39;essai de traction de la peau et l&#39;essai de compression du cartilage sont décrits. Ces protocoles peuvent également être appliqués directement aux matériaux synthétiques pour faire en sorte que les propriétés mécaniques sont similaires au tissu natif. Protocoles pour évaluer les propriétés mécaniques du tissu natif humain permettra une référence permettant de créer des substituts de l&#39;ingénierie tissulaire appropriés.

Les figures 4 et 5 fournissent des exemples de données obtenues par poinçonnement et les essais de traction. La figure 4 montre des valeurs typiques obtenues après le test d&#39;indentation de cartilage humain. La figure 4A est un exemple d&#39;un complot souche contre-stress typique obtenue après le test d&#39;indentation. Pour obtenir le module de Young, toutes les valeurs sont inclus jusqu&#39;à ce que la courbe de ligne d&#39; ajustement a une valeur R minimale de 0,98 (figure 4B). La valeur de m est l&#39;indicateur de module de Young, en MPa; Par exemple, dans ces données, le cartilage a un module de 1,76 MPa. Figure 4C montre un tracé typique de contrainte contre le temps pour évaluer les propriétés de relaxation du cartilage. Le taux de relaxation est calculé à partir des 200 dernières secondes. De même, pour obtenir le taux de détente, la valeur m d&#39;une courbe en forme de ligne en MPa est utilisée. Par exemple, dans ces données, le cartilage a un taux derelaxation de 8,78 x 10 -6 MPa / s (figure 4D). Le dernier niveau absolu de détente est le point final de contrainte en MPa. Par exemple, dans cet ensemble de données, le dernier niveau absolu de relaxation serait 0,028 MPa (Figure 4D). La figure 5 montre comment évaluer la viscoélasticité des tissus de la peau après l&#39; essai de traction. L&#39;analyse est effectuée selon le test de compression. La figure 5A montre une courbe de contrainte contre-stress typique obtenu à partir du protocole d&#39;essai de traction. Pour obtenir le module de Young en tension, toutes les valeurs sont inclus jusqu&#39;à ce que la courbe de ligne d&#39; ajustement a une valeur R minimale de 0,98 (figure 5B). La valeur de m est l&#39;indicateur de module de Young, en MPa; Par exemple, dans ces données, la peau a un module de 0,62 MPa. La figure 5C montre un tracé typique de contrainte contre le temps pour évaluer les propriétés de relaxation opeau f. Le taux de relaxation est calculé à partir des 200 dernières secondes. De même, pour obtenir le taux de détente, la valeur m d&#39;une courbe en forme de ligne en MPa est utilisée. Par exemple, dans ces données, la peau a une vitesse de relaxation de 3,1 x 10 -5 MPa / s (figure 5D). Le dernier niveau absolu de détente est le point final de contrainte en MPa. Par exemple, dans cet ensemble de données, le niveau serait de 0,64 MPa (Figure 5D). La même analyse peut ensuite être utilisé pour analyser les biomatériaux en compression et essai de traction en fonction de leurs propriétés biomécaniques de tissu natif. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig1.jpg" /> Figure 1: Schéma de principe pour illustrer différentes méthodes de compression. A. Test d&#39; indentation. Une charge est appliquée sur une petite surface du cartilage en utilisant un pénétrateur non poreuse. B. Confined compression. L&#39;échantillon de cartilage est placé dans un puits rempli de fluide étanche. Le cartilage est ensuite chargé à travers une plaque poreuse. Etant donné que le puits est étanche, l&#39;écoulement à travers le cartilage est seulement dans la direction verticale. C. Unconfined Compression. Le cartilage est chargé à l&#39;aide d&#39;une plaque non poreuse sur une chambre non poreuse, ce qui oblige l&#39;écoulement de fluide à prédominance radiale. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig2.jpg" /> Figure 2: Mise en place de la machine d&#39;essai mécanique. A. Illustration de la machine d&#39;essai. B. Illustration du pénétrateur utilisé pour l&#39;analyse d&#39;essai de compression. C. Cartilage étant analysée à l&#39; aide des tests de pénétration par compression. Les tissus de la peau D. en cours d&#39; analyse dans un essai de traction. Test E. traction d&#39;un biomatériau synthétique. F. </strong&gt; test de compression d&#39;un biomatériau synthétique. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig3.jpg" /> Figure 3: Les formules utilisées pour calculer les propriétés mécaniques en compression et en traction d&#39;un tissu ou d&#39; assemblage d&#39;ingénierie tissulaire. Les formules utilisées pour calculer la force (N), le stress (MPa), et la souche (%). <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig4.jpg" /> Figure 4: Exemple d&#39;analyse de compression du cartilage humain. A. Analyse stress par rapport à la souche. B. La valeur m de l&#39;équation d&#39; ajustement de courbe linéaire est élastique le module de Young , en MPa. C. Analyse de stress en fonction du temps pour démontrer les propriétés de relaxation. D. La valeur m de l&#39;équation d&#39; ajustement de la courbe de ligne indique le taux de relaxation. La finaletaux bsolute est le dernier point sur le graphique. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig5.jpg" /> Figure 5: Exemple d&#39;analyse à la traction de la peau humaine. A. Analyse stress par rapport à la souche. B. La valeur m de l&#39;équation d&#39; ajustement de courbe linéaire est élastique le module de Young , en MPa. C. Analyse de stress en fonction du temps pour démontrer les propriétés de relaxation. D. La valeur m de l&#39;équation d&#39; ajustement de courbe de ligne correspond à la vitesse de relaxation. Le taux absolu final est le dernier point sur le graphique.

La biomécanique tissulaire est importante pour maintenir la forme et la fonction des cellules et pour déterminer le phénotype. Ce rapport fait la démonstration de protocoles mécaniques non destructifs pour caractériser les propriétés élastiques et viscoélastiques des tissus mous humains, qui peuvent être directement appliqués sur des substrats issus de l’ingénierie tissulaire pour permettre une correspondance étroite des matériaux modifiés avec les tissus natifs.

Caractérisation biomécanique des tissus mous humains à l&#39;aide d&#39;essais indentation et traction

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

L'objectif général de cette technique est d'utiliser les essais de pénétration 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 du génie tissulaire, comme quelle rigidité dois-je donner à un implant destiné à remplacer un organe humain défaillant ou lésé. Les principaux avantages de ces techniques sont qu'elles sont non destructives et simples à mettre en œuvre.L'idée de cette méthode nous est d'abord venue lorsque nous concevions des implants synthétiques d'oreille et de nez, et que nous nous interrogions sur la rigidité que devait avoir le matériau. En général, les personnes novices dans cette méthode éprouvent des difficultés en raison d'une préparation incorrecte des échantillons et de problèmes lors de la mise en place correcte des tests. Pour commencer, obtenez un échantillon de peau ou d'un autre tissu à partir de patients consentants subissant des interventions chirurgicales, ou à partir de cadavres donnés à la recherche.Placer l'échantillon de peau dans une boîte de Pétri et le recouvrir de PBS pour maintenir le tissu humide. Utiliser une lame de scalpel et une pince pour disséquer manuellement le tissu adipeux et la fine couche de derme profond de l'échantillon. Couper la feuille résultante de peau de faible épaisseur en bandes de un sur cinq centimètres.Ensuite, jetez les lames de scalpel usagées dans un conteneau pour objets tranchants. Enfin, utilisez un pied à coulisse pour mesurer l'épaisseur de la peau. L'épaisseur devra également être mesurée après les essais mécaniques.Tester des échantillons de peau en traction uniaxiale à l’aide d’une machine d’essai de matériaux étalonnée, à température ambiante. Commencer par orienter les échantillons de peau de manière à ce que l’orientation naturelle des fibres de collagène soit identique pour tous, conformément aux lignes de Langer. Ensuite, charger l’échantillon dans les pinces, de sorte que la direction de la force appliquée soit soit parallèle aux lignes de Langer, soit perpendiculaire à celles-ci.Immobilisez l'échantillon en serrant les pinces à la main de manière à insérer environ 0,5 centimètre de l'échantillon dans chaque pince. Assurez-vous qu'une des pinces de la machine d'essai est fixée à un capteur de charge approprié, et l'autre à une plaque de base fixe. Une fois l'échantillon fixé, recouvrez la zone échantillon des deux côtés avec de la vaseline afin d'éviter la dessiccation de l'éprouvette.Maintenant, programmez dans le logiciel le protocole de chargement en traction et de relaxation de manière à ce que l'échantillon soit chargé à une vitesse d'un millimètre par seconde, jusqu'à une tension de 29,42 newtons. Une fois que le tissu atteint une tension de 29,42 newtons, configurez le programme pour maintenir le déplacement constant pendant une heure et demie, afin de permettre au tissu de se relaxer, tout en continuant à surveiller l'évolution de la tension. À la fin, utilisez à nouveau un pied à coulisse pour mesurer l'épaisseur de l'échantillon.Après avoir obtenu un échantillon de cartilage provenant d'un individu donneur consentant, placez-le dans une boîte de Pétri et recouvrez-le de PBS. Utilisez une lame de scalpel et des forceps pour enlever la peau et la fascia de l'échantillon. Ensuite, découpez les échantillons de cartilage en carrés de 1,5 centimètre de côté.Une fois découpé, mesurer 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 de l'indenteur. Centrer l'échantillon de cartilage sous l'indenteur sur une base imperméable de grande taille, et l'orienter de manière que sa surface soit perpendiculaire à l'indenteur.Cela permet une compression uniaxiale et limite tout cisaillement. Ensuite, recouvrir le cartilage de PBS et maintenir l'échantillon hydraté pendant toute la durée du test. Programmer dans le logiciel le protocole de chargement en compression et de relaxation, de sorte que l'échantillon soit chargé à un millimètre par seconde jusqu'à une force de compression de 2,94 newton.Une fois la charge de 2,94 newton atteinte, maintenir l'indenteur à la même position et laisser le cartilage se détendre pendant 15 minutes. Une fois terminé, relâcher l'échantillon, puis mesurer à nouveau l'épaisseur de l'échantillon. Pour évaluer la viscoélasticité du tissu cutané après le test 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 présente une valeur R minimale de 0,98.Le graphique de la contrainte 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 recueillies, soit pour cet échantillon 3,1 fois dix à la puissance cinq mégapascals par seconde. Le graphique présenté ici illustre des exemples de données de contrainte en fonction de la déformation, montrant les résultats d'un essai d'indentation sur du cartilage humain.Comme pour le calcul du module de Young de l'échantillon de peau, les valeurs situées à la fin de la courbe sont utilisées pour le cartilage, à condition qu'elles correspondent à un coefficient de détermination R minimal de 0,98. Le cartilage présente un taux de relaxation de 8,78 × 10⁻⁶ mégapascals par seconde et un niveau absolu final de relaxation de 0,028 mégapascal. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en sept heures si elle est effectuée correctement.Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de se rappeler d'adopter un protocole de dissection reproductible ainsi que des dimensions d'échantillons constantes. Après cette procédure, d'autres méthodes, telles que la sollicitation cyclique, peuvent être mises en œuvre afin de répondre à des questions supplémentaires, comme le comportement des tissus sous des charges dynamiques physiologiques. Cette technique ouvre la voie aux chercheurs du domaine de la biomécanique d'explorer l'utilisation de cette méthode non destructive pour des tests mécaniques non invasifs in vivo.N'oubliez pas que le travail avec des tissus humains peut être extrêmement dangereux, et des précautions telles que le port de gants doivent toujours être prises lors de l'exécution de cette procédure.

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