אפיון ביומכנית של רקמות רכות אדם באמצעות זחה ו מתיחת בדיקה
13 בדצמבר 2016
ביומכניקה של רקמות חשובה לשמירה על צורת התא ותפקודו ולקביעת פנוטיפ. דוח זה מדגים פרוטוקולים מכניים לא הרסניים לאפיון תכונות אלסטיות וצמיגות של רקמות רכות אנושיות, שניתן ליישם ישירות על מצעים מהונדסי רקמות כדי לאפשר התאמה קרובה של חומרים מהונדסים לרקמות טבעיות.
המטרה הכוללת של טכניקה זו היא להשתמש בבדיקות כניסה ומתיחה כדי לאפיין את התכונות המכניות של רקמות רכות אנושיות. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום הנדסת הרקמות, כגון עד כמה עלי ליצור שתל כדי להחליף איבר אנושי כושל או פצוע. היתרונות העיקריים של טכניקות אלו הם שהן אינן הרסניות, ופשוטות ליישום.
הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר עיצבנו שתלי אוזניים ואף סינתטיים, ותהינו עד כמה עלינו לייצר את החומר. בדרך כלל, אנשים חדשים בשיטה זו יתקשו עקב הכנת דגימה לא נכונה וקשיים בהגדרת המבחנים בצורה נכונה. כדי להתחיל, קבל דגימת עור, או רקמה אחרת, ממטופלים בהסכמה שעוברים הליכים כירורגיים, או גופות גופות שהסכימו למטרות מחקר.
מניחים את דגימת העור בצלחת פטרי, ומכסים אותה ב-PBS כדי לשמור על לחות הרקמה. השתמש בלהב אזמל ובמלקחיים כדי לנתח ידנית את רקמת השומן ואת השכבה הדקה של דרמיס עמוק מהדגימה. חותכים את היריעה המתקבלת של עור בעובי מפוצל לרצועות אחת על חמישה סנטימטרים.
לאחר מכן, השלך את להבי אזמל השימוש לפח חדים. לבסוף, השתמש בקליפרים כדי למדוד את עובי העור. יהיה צורך למדוד את העובי גם לאחר בדיקה מכנית.
בדוק דגימות עור במתח חד צירי באמצעות מכונה לבדיקת חומרים מכוילים בטמפרטורת החדר. התחל בכיוון דגימות העור כך שהכיוון הטבעי של סיבי הקולגן יהיה כולם באותו כיוון, על פי קווי לנגר. לאחר מכן, טען את הדגימה לתוך האחיזות, כך שכיוון הכוח המופעל יהיה בקו אחד עם קווי לנגר, או בניצב להם.
שתק את הדגימה על ידי הידוק האצבעות של האחיזות כך שכ- 0.5 סנטימטרים מהדגימה יוכנסו לכל אחיזה. ודא שאחת מאחיזות מכונת הבדיקה מחוברת לתא עומס מתאים, והשנייה ללוחית בסיס בלתי ניתנת להזזה. לאחר האבטחה, כסו את אזור הדגימה משני הצדדים בג'לי נפט כדי למנוע ייבוש דגימה.
כעת, תכנת את משטר בדיקת המתיחה וההרפיה לתוכנה כך שהדגימה תיטען במהירות של מילימטר אחד לשנייה, למתח של 29.42 ניוטון. ברגע שהרקמה מגיעה למתח של 29.42 ניוטון, הגדר את התוכנית להחזיק את התזוזה קבועה למשך שעה וחצי, כדי לאפשר לרקמה להירגע, תוך המשך מעקב אחר שינוי המתח. בסיום, השתמש שוב במחוגה כדי למדוד את עובי הדגימה.
לאחר קבלת דגימת סחוס מאדם בהסכמה, הכניסו אותה לצלחת פטרי וכסו אותה ב-PBS. השתמש בלהב אזמל ובמלקחיים כדי להסיר את העור והפאשיה מהדגימה. לאחר מכן, חותכים את דגימות הסחוס לריבועים של 1.5 סנטימטר.
לאחר החיתוך, יש למדוד את עובי הסחוס שיש להעמיס באמצעות מחוגה. גודל המדגם הסופי צריך להיות גדול לפחות פי שמונה מקוטר הכניסה הפנימית. מרכז את דגימת הסחוס מתחת לשקע על בסיס אטום גדול, וכוון אותו כך שהמשטח יהיה מאונך לשקע.
זה מאפשר לדחיסה להיות חד-צירית, ומגביל כל שקוף. לאחר מכן, כסו את הסחוס ב-PBS, ושמרו על הדגימה לחות לאורך כל הבדיקה. תכנת את משטר בדיקות הטעינה וההרפיה הדחיסה לתוכנה, כך שהדגימה נטענת במהירות של מילימטר אחד לשנייה לכוח דחיסה של 2.94 ניוטון.
לאחר הגעה לעומס של 2.94 ניוטון, שמור על הכניסה באותו מיקום, ואפשר לסחוס להירגע למשך 15 דקות. לאחר שתסיים, שחרר את הדגימה ומדוד שוב את עובי הדגימה. כדי להעריך את הצמיגות של רקמת העור לאחר בדיקת מתיחה, כל הערכים בתרשים מתח המתח כלולים לחישוב המודול של יאנג, עד שהתאמת עקומת הקו תהיה בעלת ערך R מינימלי של 0.98.
תרשים הלחץ לעומת הזמן משמש להערכת תכונות ההרפיה של העור. קצב ההרפיה מחושב מ-200 השניות האחרונות של הנתונים שנאספו, שעבור מדגם זה הוא 3.1 כפול עשר עד חמישה מגה-פסקל לשנייה. הגרף המוצג כאן הוא דוגמאות לנתוני מתח לעומת מתח, המציג את תוצאות בדיקת ההזחה על סחוס אנושי.
כמו בחישוב המודול של יאנג עבור דגימת העור, הערכים בסוף העקומה משמשים לסחוס, כל עוד הם מתאימים לערך ה-R המינימלי של 0.98. לסחוס יש קצב הרפיה של 8.78 כפול עשר עד שלילי שישה מגה-פסקל לשנייה ורמת הרפיה סופית מוחלטת של 0.028 מגה-פסקל. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך שבע שעות אם היא מבוצעת כראוי.
בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור שיהיה פרוטוקול דיסקציה חוזר וממדי דגימה. בעקבות הליך זה, ניתן ליצור שיטות אחרות, כמו העמסה מחזורית, על מנת לענות על שאלות נוספות, כמו כיצד רקמות מתנהגות תחת עומסים פיזיולוגיים ודינמיים. טכניקה זו סוללת את הדרך לחוקרים בתחום הביומכניקה לחקור שימוש בטכניקה לא הרסנית זו לבדיקות מכניות לא פולשניות in vivo.
אל תשכח שעבודה עם רקמות אנושיות עלולה להיות מסוכנת ביותר, ותמיד יש לנקוט באמצעי זהירות כגון כפפות בעת ביצוע הליך זה.
סקירה כללית
דו"ח זה מציג פרוטוקולים מכניים לא-הרסניים לאפיון התכונות האלסטיות והוויסקו-אלסטיות של רקמות רכות אנושיות. ניתן ליישם את השיטות המתוארות על תשתיות של רקמות מהונדסות, ובכך להקל על השגת התאמה הדוקה בין חומרים מהונדסים לרקמות טבעיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- ביומכניקה
- הנדסת רקמות
- בדיקות מכניות
רקע
- ביומכניקה של רקמות היא חיונית לשמירה על צורת התא ותפקודו.
- הבנת תכונות הרקמה מסייעת בתכנון שתלים להחלפת איברים.
- שיטות בדיקה לא הורסות מועדפות להערכת מכניקה של רקמות.
- הכנת הדגימה היא קריטית לקבלת תוצאות בדיקה מדויקות.
מטרת המחקר
- לאפיין את התכונות המכניות של רקמות רכות אנושיות באמצעות בדיקות שקיעה (indentation) ומתיחה.
- לקבוע את הקשיחות האופטימלית עבור שתלים בהנדסת רקמות.
- לספק פרוטוקול הניתן לשחזור עבור חוקרים בביומכניקה.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- בדיקות שקיעה ומתיחה של דגימות עור וסחוס.
- הכנת דגימות הכוללת נתיחה והשקיה ב-PBS.
- מדידת עובי הרקמה לפני ואחרי הבדיקה.
- ניתוח נתונים עבור מודול יאנג ותכונות הרפיה.
תוצאות עיקריות
- אפיון מוצלח של התכונות הוויסקו-אלסטיות של העור והסחוס.
- קביעת שיעורי הרפיה עבור שני סוגי הרקמות.
- ביסוס של פרוטוקול נתיחה הניתן לשחזור לצורך הכנת הדגימות.
- תובנות לגבי התנהגות רקמות תחת עומסים פיזיולוגיים.
מסקנות
- טכניקה זו מאפשרת בדיקה מכנית לא פולשנית של רקמות אנוש.
- היא מספקת נתונים בעלי ערך לפיתוח של שתלים בהנדסת רקמות.
- נקיטת אמצעי בטיחות היא חיונית בעת טיפול ברקמות אנוש.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
אפיון ביו-מכני מדויק של רקמות רכות אנושיות הוא קריטי לפיתוח שתלים מהנדסי רקמה התואמים לתכונות מכניות טבעיות, דבר המפחית את הסיכון לכשל ומשפר את תוצאות התרגום לקליניקה. פרוטוקולים של בדיקות מתיחה ופניטראציה (indentation) לא-הרסניות מאפשרים לצוותי מו"פ להשוות חומרים מהונדסים מול סטנדרטים פיזיולוגיים, ובכך תומכים בביטחון ניבוי בשלבים מוקדמים של מסלולי פיתוח ברפואה רגנרטיבית. נתונים מכניים סטנדרטיים מסייעים במיון תיקי פיתוח ובצמצום סיכונים בנקודות הכרעה מרכזיות בשלבי הגילוי והמחקר הפרה-קליני.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הערכה כמותית של קשיחות הרקמה והאלסטיות הוויסקוזית לצורך תיקוף תפקודי של מטרות.
- תומך בהפחתת סיכונים מכנית על ידי הבהרת דרישות התאימות בין החומר לרקמה.
- מספק מדדי ייחוס להערכת חומרים ביומטריים חדשים אל מול תכונות רקמה טבעית.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מקל על הכנת דגימות רקמה מתוקפות עבור תהליכי עבודה של בדיקות מכניות הניתנות לשחזור.
- מסטנדרט את תנאי הבדיקה כדי להבטיח השוואה בין מחקרים ופלטפורמות שונות.
- מייצר פלטים כמותיים (למשל, Young's modulus, קצבי הרפיה) לצורך סריקת חומרים מהימנה.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה תכונות של חומרים מהונדסים למכניקה של רקמות הרלוונטיות למחלה לצורך המשכיות תרגומית.
- מאפשרת קבלת החלטות על קידום מבוסס התאמת סיכונים, על ידי אספקת נקודות ייחוס מכניות רלוונטיות פיזיולוגית.
- תומכת בבחירה ובתיקוף של מודלים פרה-קליניים על בסיס התאמה של תכונות מכניות.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פרוטוקול זה משתלב ברצף הגילוי של הרפואה הרגנרטיבית, החל מעיצוב חומרים ראשוני ועד לתיקוף פרה-קליני, על ידי אספקת מדדי ייחוס מכניים סטנדרטיים הן עבור רקמות טבעיות והן עבור רקמות מהונדסות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת היפותזות לגבי התאמת החומר ופוטנציאל להחלפת רקמה.
- סריקה: מספק נתונים מכניים כמותיים הניתנים לשחזור לצורך הערכת חומרים מועמדים.
- אנליטיקה: מספקת מדידות של מאמץ-מעיכה והרפיה להשוואת ביצועי הרקמה והפיגום.
- מחקר תרגומי: מבטיח כי המבנים ההנדסיים עומדים בדרישות מכניות פיזיולוגיות ליישום in vivo.
- שימוש חוזר ארגוני: קובע פרוטוקול הניתן לחזרה, בעל השפעה הרסית מינימלית, הניתן להתאמה לסוגי רקמות ולפלטפורמות של חומרים ביולוגיים שונים.
השפעה תפעולית ועסקית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בבחירת חומרים ובתיקוף מטרות להנדסת רקמות.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והסטנדרטיזציה של בדיקות מכניות בין צוותי מו"פ.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות ה-go/no-go ומפחית סיכונים ביולוגיים בשלב מאוחר בתיקי מוצרים של רפואה רגנרטיבית.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעוד ותעדוף מותאם סיכונים של מועמדים לביומטריאלים על בסיס מדדי ייחוס מכניים כמותיים.
שיקולי יישום
- נדרשת מומחיות בדיסקציה של רקמות, הכנת דגימות ושימוש במכשור לבדיקה מכנית.
- נדרשת גישה למכונות calibrated לבדיקת חומרים ותוכנה אנליטית לניתוח נתונים.
- נדרש סטנדרטיזציה בין-צוותית של ממדי הדגימות ופרוטוקולי הבדיקה לצורך השוואה.
- ניתן להתאימו לסוגי רקמות רכות שונים וחומרים סינתטיים באמצעות שינויים בפרוטוקול לפי הצורך.
- טיפול זהיר ואמצעי בטיחות חיוניים בעבודה עם רקמות אנושיות.
