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Essendo un importante campo di ricerca interdisciplinare, i biomateriali e la biomeccanica rivelano le relazioni e i meccanismi tra la struttura, le prestazioni e la funzione dei biomateriali attraverso la ricerca sperimentale e l'analisi teorica, che è collegata alla scienza dei materiali, alla meccanica, alla bioingegneria, alla matematica, ecc. Al fine di migliorare i metodi sperimentali dei biomateriali e della biomeccanica, questa JoVE Methods Collection discute i metodi sperimentali corrispondenti e le loro rispettive caratteristiche in due categorie: proprietà meccaniche dei tessuti e meccanica della bionica. Le osservazioni della meccanica dei tessuti includono un metodo di allungamento 3D dell'idrogel, un metodo fotoacustico a doppia scansione raster, un metodo di decellularizzazione del pancreas umano senza detergenti e un metodo di disaccoppiamento delle sollecitazioni di trazione e taglio su scaffold tubolari. Le osservazioni di meccanica bionica includono un metodo di raccolta dati del movimento degli arti inferiori e del controllo posturale per i pazienti con instabilità della caviglia.
Gli effetti della forza meccanica sull'organizzazione includono principalmente l'espressione genica, la differenziazione cellulare, il rimodellamento dei tessuti 1,2,3 e i cambiamenti nella matrice extracellulare (ECM)4,5,6. Comprendere la risposta dei tessuti alle forze meccaniche 7,8,9 aiuterà lo sviluppo del campo dell'ingegneria tissutale e dei modelli teorici. Kolel et al.10 propongono un metodo per allungare gli idrogel 3D, che consente una deformazione uniassiale statica o ciclica durante un microscopio confocale. Hanno modellato un gel di fibrina con un foro di circa 2 mm di diametro su strisce di gomma siliconica spesse 0,5 mm, quindi è stato eseguito un allungamento uniassiale al microscopio confocale dal vivo. Infine, discutono la possibilità di incorporare cellule in idrogel ed esporle a uno stiramento esterno controllato. Il sistema di allungamento utilizzato in questo protocollo è costituito da componenti di stampa 3D e componenti elettronici a basso costo. Il sistema ha le seguenti caratteristiche uniche rispetto ad altri metodi esistenti. Innanzitutto, il sistema consente l'allungamento uniassiale di idrogel morbidi 3D spessi e l'intero idrogel ha una deformazione uniforme Z. In secondo luogo, a causa della semplicità della stampa 3D e del basso costo di questa attrezzatura, è facile costruire questo tipo di attrezzatura per lo stretching in altri laboratori. In terzo luogo, la geometria e le dimensioni del campione possono essere utilizzate liberamente in base all'utente. Questo metodo ha migliorato la capacità di studiare le forze esterne sui processi biologici in condizioni 3D più fisiologiche e ha contribuito al campo dell'ingegneria tissutale.
L'imaging dei piccoli animali svolge un ruolo importante nel guidare la ricerca sulle malattie omologhe umane e nella ricerca di metodi di trattamento efficaci. L'imaging fotoacustico (PAI) è una tecnologia di imaging non invasiva che combina i vantaggi dell'imaging ottico e dell'imaging ultrasonico11,12. Yang et al.13 riportano un imager fotoacustico a doppia scansione raster (DRS-PAI) e, attraverso la scansione di accoppiamento acustico di diverse parti di topi, vengono raccolte rispettivamente le immagini vascolari in modalità WIM e RIM. Il vantaggio di DRS-PAI è che WIM e RIM sono integrati in un unico sistema e forniscono una visualizzazione vascolare ad ampio campo ad alta risoluzione della dinamica del sangue in tempo reale. La modalità di imaging in tempo reale (RIM) può rivelare le caratteristiche della respirazione o del polso misurando lo spostamento del sistema vascolare lungo la direzione della profondità. Inoltre, RIM può misurare quantitativamente l'area specifica delle immagini WIM. Confrontando le immagini, i dettagli dei cambiamenti locali possono essere rivelati con precisione. Questo metodo può essere facilmente applicato a vari campi della ricerca biomedica di base.
La crescente domanda di isolotti pone requisiti più elevati per l'isolamento degli isolotti 14,15,16. Tamburrini et al.17 propongono un nuovo metodo di decellularizzazione senza detergenti che crea meno danni alla ECM e può preservare i componenti critici della ECM pancreatica. Il metodo di decellularizzazione evita l'uso dei classici detergenti chimici ionici e non ionici. Inoltre, la decellularizzazione del tessuto in un vibratore orbitale piuttosto che l'iniezione di detergente attraverso un sistema vascolare promuove notevolmente la semplicità, la coerenza e la fattibilità della tecnologia di decellularizzazione, aumentando così la produzione di ECM per la traduzione. Poiché gli attuali metodi acellulari non sono in grado di quantificare il Triton X-100 residuo sulla ECM dopo la decellularizzazione e la fattibilità di espandere il processo di produzione nell'ambiente cGMP è bassa, hanno anche studiato la fattibilità di ottenere la decellularizzazione mediante vibrazione meccanica piuttosto che la perfusione dell'intero pancreas. I dati sulla quantificazione del collagene e dei glicosaminoglicani mostrano un andamento coerente con l'esperienza precedente. L'utilizzo di questo protocollo ha rilevato alcune limitazioni. Pertanto, i pancreas umani provenienti da donatori con BMI <30 sono generalmente considerati idonei per la decellularizzazione.
L'uso di biomateriali riassorbibili per indurre la rigenerazione direttamente in vivo è una strategia interessante 18,19,20,21,22, ma questo tipo di biomateriale può causare una reazione infiammatoria dopo l'impianto, che è anche la forza trainante per il successivo riassorbimento e rigenerazione di nuovi tessuti. Sia l'infiammazione che il processo di rigenerazione sono determinati dalla sollecitazione di trazione e taglio. Koch et al.23 descrivono in dettaglio l'uso di un bioreattore per il disaccoppiamento delle sollecitazioni di trazione e taglio su scaffold tubolari. Suggeriscono che l'applicazione di questo sistema di bioreattori tubolari aiuterà a studiare i loro effetti individuali e combinati in meccanica. Questo bioreattore valuta sistematicamente i contributi dello stress da taglio e dell'allungamento ciclico all'infiammazione e alla rigenerazione tissutale negli scaffold tubolari riassorbibili. Inoltre, ciò consente di standardizzare le capacità di infiammazione e rigenerazione sotto l'influenza di stent tubulari sottoposti a carichi meccanici ben controllati. Le fasi chiave di questo metodo sono discusse in dettaglio: la costruzione e l'impostazione del bioreattore, la preparazione dell'impalcatura e l'inoculazione cellulare, l'applicazione e il mantenimento del flusso di allungamento e taglio, la raccolta del campione e l'analisi. Questo sistema è in grado di testare una varietà di innesti vascolari di ingegneria tissutale (ad esempio, fonti sintetiche o naturali, diverse microstrutture, diverse porosità). Al fine di disaccoppiare efficacemente l'applicazione dello sforzo di taglio e della tensione, i concetti chiave utilizzati nel bioreattore sono i seguenti. In primo luogo, la sollecitazione di taglio e il controllo dell'allungamento vengono separati utilizzando diversi sistemi di pompaggio. In secondo luogo, gli scaffold vengono stimolati in modo dall'interno verso l'esterno con dimensioni guidate dal calcolo. Il flusso viene applicato sulla superficie esterna dell'impalcatura tubolare utilizzando una pompa di flusso, mentre il tubo in silicone viene espanso utilizzando una pompa di deformazione separata e la tensione circonferenziale del supporto viene espansa utilizzando una pompa di deformazione separata. Questo metodo può essere utilizzato anche per un gran numero di analisi sulla costruzione vascolare. I risultati indicano gli effetti unici di diverse combinazioni di taglio e tensione sulla crescita e il rimodellamento della struttura dell'innesto vascolare di ingegneria tissutale (TEVG). Le informazioni ottenute attraverso la raccolta della piattaforma in vitro sono utili per ottimizzare i parametri di progettazione di nuova concezione per i TEVG in situ.
Il controllo della postura e dell'equilibrio può essere suddiviso in stati statici e dinamici 24,25,26,27. Tra questi, la capacità di equilibrio dinamico si riferisce alla capacità del corpo di controllare e regolare il baricentro e la postura del corpo in movimento28. Dal punto di vista della biomeccanica sportiva, il corpo principale per mantenere l'equilibrio dinamico è l'articolazione della caviglia degli arti inferiori. Se l'articolazione dell'anca fosse il corpo principale per mantenere l'equilibrio, sarebbe facile cadere. Zhou et al.29 analizzano i cambiamenti nella biomeccanica degli arti inferiori alla fine del cammino causati da uno stimolo inaspettato. Un sistema di analisi del movimento e una piattaforma di pressione plantare vengono utilizzati per raccogliere i dati di movimento del movimento degli arti inferiori in situ. Questo metodo può essere utilizzato nella ricerca biomeccanica, nei sistemi di realtà virtuale, nel controllo remoto dei robot, nella produzione di animazioni, nell'allenamento sportivo, nella ricerca ergonomica, nei giochi interattivi, ecc.
L'instabilità cronica della caviglia (CAI) è uno degli infortuni sportivi più comuni, caratterizzato da dolore e gonfiore persistenti della caviglia, cedimento della caviglia e disabilità auto-riferita, che influisce gravemente sulla stabilità posturale dei pazienti30,31. La CAI potrebbe essere migliorata attraverso il taping kinesiologico. Yin et al.32 analizzano i contributi della vista, della propriocezione e della sensazione vestibolare nel mantenimento della stabilità posturale utilizzando la posturografia dinamica computerizzata. Sono stati condotti e misurati i test di organizzazione sensoriale (SOT), la posizione unilaterale (US), il limite di stabilità (LOS), il test di controllo motorio (MCT) e i test di adattamento (ADT). Queste misurazioni forniscono un nuovo metodo per osservare il processo di coordinazione dei tre sistemi sensoriali e la regolazione dell'attivazione muscolare per mantenere la stabilità posturale.
In combinazione con una ricerca multidisciplinare completa, le apparecchiature e i metodi di misurazione avanzati promuovono lo sviluppo e l'evoluzione dei biomateriali e della biomeccanica. Sebbene questo articolo discuta diversi metodi di test, è necessario integrare diversi metodi di ricerca e idee in vari campi come una direzione di ricerca interdisciplinare e completa al fine di accelerare la ricerca di biomateriali e biomeccanica e promuovere la comunicazione tra ricercatori in diversi campi.