$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
כתחום מחקר בין-תחומי חשוב, ביו-חומרים וביומכניקה חושפים את הקשרים והמנגנונים בין המבנה, הביצועים והתפקוד של ביו-חומרים באמצעות מחקר ניסיוני וניתוח תיאורטי, הקשור למדעי החומרים, מכניקה, ביו-הנדסה, מתמטיקה וכו'. על מנת לשפר את השיטות הניסיוניות של ביו-חומרים וביומכניקה, אוסף שיטות JoVE זה דן בשיטות הניסוי המתאימות ובמאפייניהן בשתי קטגוריות: תכונות מכניות של רקמות ומכניקת ביוניקה. התצפיות במכניקת הרקמות כוללות שיטת מתיחת הידרוג'ל תלת מימדית, שיטה פוטו-אקוסטית לסריקת רסטר כפולה, שיטת דה-סלולריזציה ללא חומרי ניקוי של הלבלב האנושי, ושיטת ניתוק של מתחי מתיחה וגזירה על פיגומים צינוריים. תצפיות מכניקת הביוניקה כוללות שיטת איסוף נתונים של תנועת הגפיים התחתונות ובקרת יציבה עבור חולים עם חוסר יציבות בקרסול.
ההשפעות של כוח מכני על הארגון כוללות בעיקר ביטוי גנים, התמיינות תאים, שיפוץ רקמות 1,2,3 ושינויים במטריצה החוץ-תאית (ECM)4,5,6. הבנת תגובת הרקמה לכוחות מכניים 7,8,9 תסייע בפיתוח תחום הנדסת הרקמות ומודלים תיאורטיים. Kolel et al.10 מציעים שיטה למתיחת הידרוג'לים תלת מימדיים, המאפשרת מתח חד צירי סטטי או מחזורי במהלך מיקרוסקופ קונפוקלי. הם יצקו ג'ל פיברין עם חור בקוטר של כ-2 מ"מ על רצועות גומי סיליקון בעובי 0.5 מ"מ, ולאחר מכן בוצעה מתיחה חד-צירית במיקרוסקופיה קונפוקלית חיה. לבסוף, הם דנים באפשרות להטמיע תאים בהידרוג'לים ולחשוף אותם למתיחה חיצונית מבוקרת. מערכת המתיחה המשמשת בפרוטוקול זה מורכבת מרכיבי הדפסת תלת מימד ורכיבים אלקטרוניים בעלות נמוכה. למערכת יש את התכונות הייחודיות הבאות בהשוואה לשיטות קיימות אחרות. ראשית, המערכת מאפשרת מתיחה חד-צירית של הידרוג'לים רכים תלת מימדיים עבים, ולכל ההידרוג'ל יש עיוות אחיד Z. שנית, בגלל הפשטות של הדפסת תלת מימד והעלות הנמוכה של ציוד זה, קל לבנות ציוד מתיחה מסוג זה במעבדות אחרות. שלישית, ניתן להפעיל את הגיאומטריה והגודל של המדגם באופן חופשי בהתאם למשתמש. שיטה זו שיפרה את היכולת לחקור כוחות חיצוניים על תהליכים ביולוגיים בתנאים תלת מימדיים פיזיולוגיים יותר ותרמה לתחום הנדסת הרקמות.
הדמיה של בעלי חיים קטנים ממלאת תפקיד חשוב בהנחיית המחקר על מחלות הומולוגיות אנושיות ובחיפוש אחר שיטות טיפול יעילות. הדמיה פוטו-אקוסטית (PAI) היא טכנולוגיית הדמיה לא פולשנית המשלבת את היתרונות של הדמיה אופטית והדמיה אולטרסאונד11,12. יאנג ואחרים מדווחים על צילום פוטו-אקוסטי כפול בסריקת רסטר (DRS-PAI), ובאמצעות סריקת צימוד אקוסטית של חלקים שונים של עכברים, נאספות תמונות כלי הדם במצבי WIM ו-RIM, בהתאמה. היתרון של DRS-PAI הוא ש-WIM ו-RIM משולבים במערכת אחת ומספקים הדמיה של כלי דם ברזולוציה גבוהה של דינמיקת דם בזמן אמת. מצב ההדמיה בזמן אמת (RIM) יכול לחשוף את מאפייני הנשימה או הדופק על ידי מדידת תזוזה של כלי הדם לאורך כיוון העומק. בנוסף, RIM יכולה למדוד כמותית את האזור הספציפי של תמונות ה-WIM. על ידי השוואת התמונות ניתן לחשוף במדויק את פרטי השינויים המקומיים. ניתן ליישם שיטה זו בקלות בתחומים שונים של מחקר בסיסי ביו-רפואי.
הביקוש הגובר לאיים מציב דרישות גבוהות יותר לבידוד איים 14,15,16. Tamburrini et al.17 מציעים שיטת דה-סלולריזציה חדשה ונטולת חומרי ניקוי שיוצרת פחות נזק ל-ECM ויכולה לשמר רכיבים קריטיים של ה-ECM בלבלב. שיטת הדסלולריזציה נמנעת משימוש בחומרי ניקוי כימיים יוניים ולא יוניים קלאסיים. יתר על כן, דה-סלולריזציה של רקמה בוויברטור אורביטלי במקום הזרקת חומר ניקוי דרך מערכת כלי דם מקדמת מאוד את הפשטות, העקביות וההיתכנות של טכנולוגיית הדסלולריזציה, ובכך מגדילה את ייצור ה-ECM לתרגום. מכיוון שהשיטות הא-תאיות הנוכחיות אינן יכולות לכמת את שאריות הטריטון X-100 ב-ECM לאחר דה-סלולריזציה וההיתכנות של הרחבת תהליך הייצור בסביבת cGMP נמוכה, הם גם חקרו את ההיתכנות של השגת דה-סלולריזציה על ידי רטט מכני ולא זלוף של הלבלב כולו. נתונים על כימות קולגן וגליקוזאמינוגליקנים מראים מגמה העולה בקנה אחד עם ניסיון קודם. כמה מגבלות נמצאו על ידי שימוש בפרוטוקול זה. לכן, לבלב אנושי מתורמים עם BMI <30 נחשב בדרך כלל מתאים לדה-סלולריזציה.
השימוש בביו-חומרים נספגים כדי לגרום להתחדשות ישירות in vivo הוא אסטרטגיה אטרקטיבית 18,19,20,21,22, אך סוג זה של חומר ביולוגי יכול לגרום לתגובה דלקתית לאחר ההשתלה, שהיא גם הכוח המניע לספיגה והתחדשות של רקמות חדשות לאחר מכן. גם תהליך הדלקת וגם תהליך ההתחדשות נקבעים על ידי מתח המתיחה והגזירה. קוך ואחרים 23 מתארים בפירוט את השימוש בביו-ריאקטור לניתוק מתחי מתיחה וגזירה על פיגומים צינוריים. הם מציעים כי היישום של מערכת ביו-ריאקטור צינורית זו יעזור לחקור את ההשפעות האישיות והמשולבות שלהם במכניקה. ביו-ריאקטור זה מעריך באופן שיטתי את התרומות של מתח גזירה ומתיחה מחזורית לדלקת והתחדשות רקמות בפיגומים הניתנים לספיגה צינורית. כמו כן, זה מאפשר לתקנן את יכולות הדלקת וההתחדשות בהשפעת סטנטים צינוריים בעומסים מכניים מבוקרים היטב. השלבים העיקריים של שיטה זו נדונים בפירוט: בנייה והתקנה של הביוריאקטור, הכנת הפיגום וחיסון התאים, יישום ותחזוקה של זרימת מתיחה וגזירה, איסוף הדגימות והניתוח. מערכת זו יכולה לבדוק מגוון שתלים וסקולריים מהונדסי רקמות (למשל, מקורות סינתטיים או טבעיים, מיקרו-מבנים שונים, נקבוביות שונה). על מנת לנתק ביעילות את היישום של מתח ומתח גזירה, מושגי המפתח המשמשים בביו-ריאקטור הם כדלקמן. ראשית, מתח הגזירה ובקרת המתיחה מופרדים באמצעות מערכות משאבה שונות. שנית, הפיגומים מגורים באופן מבפנים החוצה עם ממדים מונעים חישוביים. הזרימה מוחלת על המשטח החיצוני של הפיגום הצינורי באמצעות משאבת זרימה, בעוד שצינור הסיליקון מורחב באמצעות משאבת מתח נפרדת, והמתח ההיקפי של התמיכה מורחב באמצעות משאבת מתח נפרדת. שיטה זו יכולה לשמש גם למספר רב של ניתוחים על בניית כלי דם. התוצאות מצביעות על ההשפעות הייחודיות של שילובים שונים של גזירה ומתח על הצמיחה והעיצוב מחדש של מבנה שתל כלי דם מהונדס רקמות (TEVG). התובנות המתקבלות באמצעות איסוף פלטפורמת המבחנה עוזרות לייעל את פרמטרי העיצוב החדשים שפותחו עבור TEVG באתרם.
ניתן לחלק את בקרת היציבה ושיווי המשקל למצבים סטטיים ודינמיים 24,25,26,27. ביניהם, יכולת שיווי משקל דינמית מתייחסת ליכולתו של הגוף לשלוט ולהתאים את מרכז הכובד והיציבה של הגוף בתנועה28. מנקודת המבט של ביומכניקת הספורט, הגוף העיקרי לשמירה על שיווי משקל דינמי הוא מפרק הקרסול של הגפיים התחתונות. אם מפרק הירך היה הגוף העיקרי לשמירה על שיווי משקל, היה קל ליפול. Zhou et al.29 מנתחים את השינויים בביומכניקה של הגפיים התחתונות בסיום ההליכה שנגרמו על ידי גירוי בלתי צפוי. מערכת ניתוח תנועה ופלטפורמת לחץ פלנטרי משמשות לאיסוף נתוני התנועה של תנועת הגפיים התחתונות באתרן. ניתן להשתמש בשיטה זו במחקר ביומכניקה, מערכות מציאות מדומה, שלט רחוק רובוט, הפקת אנימציה, אימוני ספורט, מחקר ארגונומיה, משחקים אינטראקטיביים וכו'.
חוסר יציבות כרוני בקרסול (CAI) היא אחת מפציעות הספורט הנפוצות ביותר, המאופיינת בכאבים ונפיחות מתמשכים בקרסול, הקרסול מפנה את מקומו ונכות מדווחת על עצמה, המשפיעה באופן חמור על יציבות היציבה של המטופלים30,31. ניתן לשפר את CAI באמצעות טייפינג קינסיולוגי. Yin et al.32 מנתחים את התרומות של ראייה, פרופריוספציה ותחושה שיווי משקל בשמירה על יציבות היציבה באמצעות יציבה דינמית ממוחשבת. נערכו ונמדדו מבחני ארגון חושי (SOT), עמידה חד צדדית (US), גבול יציבות (LOS), מבחן בקרת מנוע (MCT) ומבחני הסתגלות (ADT). מדידות אלו מספקות שיטה חדשה להתבוננות בתהליך התיאום בין שלוש מערכות החישה וויסות הפעלת השרירים לשמירה על יציבות היציבה.
בשילוב עם מחקר מקיף רב-תחומי, ציוד ושיטות המדידה המתקדמים מקדמים את הפיתוח והאבולוציה של ביו-חומרים וביומכניקה. למרות שמאמר זה דן בשיטות בדיקה שונות, יש צורך לשלב שיטות מחקר ורעיונות שונים בתחומים שונים ככיוון מחקר בינתחומי ומקיף על מנת להאיץ את המחקר של ביו-חומרים וביומכניקה ולקדם את התקשורת בין חוקרים בתחומים שונים.