Name: Caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 7 s
Description: Impara a caratterizzare le proprietà meccaniche di tessuti molli umani usando test di indentazione e trazione. Questo metodo non distruttivo aiuta a determinare la rigidezza ottimale per impianti in ingegneria tessutale.

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Vorremmo ringraziare il finanziamento del Medical Research Council e dell'Action Medical Research, che hanno fornito a MG una borsa di studio clinica, GN 2339, per condurre questo lavoro.

Questo protocollo segue le linee guida etiche della ricerca umana linee guida comitato etico della nostra istituzione per l&#39;uso, lo stoccaggio e lo smaltimento dei tessuti umani. campioni di tessuti umani possono essere asportati dai corpi di cadaveri che sono stati acconsentito a fini di ricerca con importanti certificazioni etiche. I campioni possono anche essere scartati tessuto da pazienti sottoposti a procedure chirurgiche acconsentito, con approvazione etica rilevante. 1. Preparazione della pelle <ol><li> Preparare campioni sezionando manualmente il tessuto adiposo e il sottile strato di derma profondo utilizzando un bisturi e pinze. Questo passaggio è importante per garantire la coerenza tra i campioni 14. </li><li> Tagliare il foglio risultante di pelle split-spessore in un campione di dimensioni standard (ad esempio, 1 cm × 5 cm campioni). Determinare le dimensioni del provino in base alle dimensioni della apparecchiatura di prova. Se un costrutto tissutale è anche in fase di test, il specimedimensione n deve essere appropriato per il materiale di interesse 14. Smaltire lame di bisturi in bidoni taglienti appropriate. </li><li> Per consentire il completamento dei calcoli meccanici, misurare lo spessore della pelle in fase di test utilizzando calibri elettronici prima e dopo la prova meccanica. </li></ol> 2. Prove di trazione NOTA: Tutte le macchine prova materiali devono essere calibrati in base alle linee guida del produttore prima del test. <ol><li> Campioni di pelle di prova in tensione monoassiale utilizzando una macchina di prova dei materiali (Figura 2A) a temperatura ambiente (22 ° C) 14. </li><li> Orientate i campioni di pelle nella stessa direzione per tutti i campioni (per esempio, perpendicolare o in linea con Langer Lines (linee topologici disegnato su una mappa del corpo umano e si riferiscono alla naturale orientamento delle fibre di collagene nel derma)) 14. </li><li> Immobilizzare il campione tra due morsetti (un codima mmercial), uno apposta una cella di carico N 98.07 e l&#39;altra ad una piastra base fissa 14. La superficie risultante fra le ganasce testati in tensione uniassiale dovrebbe essere di 1 cm x 4 cm (Figura 2). NOTA: Una maschera commerciale è stato utilizzato per evitare di presa non uniforme e danni al campione prima del test. Il campione viene fissato ad una tenuta &quot;finger-tight&quot;. </li><li> Coprire l&#39;area del campione (dopo il posizionamento nella apparecchiatura) su entrambi i lati con vaselina per prevenire l&#39;essiccamento del campione. </li><li> Programmare il carico di trazione e il relax di prove di nel software come un elenco di azioni, come segue: Zero Load | Zero Posizione | Trova contatto (carico di rottura) | Attendere (rilassamento). </li><li> Inizia il test con il programma software. Caricare il campione sotto tensione a 29.42 N a 1 mm / s. Utilizzare un tasso di carico e che non causa il fallimento della pelle (ad esempio, 29.42 N a 1 mm / s). </li><li> Dopo aver raggiunto il 29.42 N-carico, consentire al tessuto di rilassarsiper 1,5 h, un time-punto in cui vi è cambiamento minimo nel comportamento rilassamento, controllato dal software del computer 14. Nota: Lo spostamento viene mantenuta costante durante la fase di rilassamento, non il carico. </li><li> Calcola le proprietà elastiche e viscoelastiche secondo le linee guida della sezione di analisi. Le proprietà meccaniche indagati rappresenteranno le proprietà medie della scissione spessore costituenti della pelle (epidermide e derma) 14. Nota: Non vi è alcun carico di tara definito, come è evidente dai dati grezzi quando la deformazione è in corso e, quindi, solo questi punti dati sono inclusi. </li></ol> 3. Preparazione della cartilagine <ol><li> Togliere la pelle e la fascia dal campione cartilagine utilizzando una lama di bisturi e pinze 15, 16. </li><li> Dividere i campioni di cartilagine in un campione di dimensioni standard (ad esempio, blocchi di 1,5 cm) utilizzando un bisturi e pinze. Per tutti i campioni, utilizzare un semicircu-shaped lar penetratore (Figura 2B) che ha un diametro e spessore almeno 8 volte maggiore della dimensione del campione cartilagine. Questo rapporto assicura che il penetratore non è influenzato da eventuali effetti di bordo di preparazione del campione 15. Smaltire lame di bisturi in bidoni taglienti appropriate. </li><li> Per consentire il completamento dei calcoli meccanici, misurare lo spessore della cartilagine da caricare utilizzando calibri elettronici prima e dopo prove meccaniche 15, 16. </li></ol> 4. compressione indentazione Testing <ol><li> Comprimere i campioni di cartilagine utilizzando una macchina di test in un ambiente idratato a temperatura ambiente. Coprire il campione cartilagine con tampone fosfato salino (PBS) prima e durante prove di compressione per garantire che il campione è idratato. NOTA: PBS non corrisponde esattamente l&#39;ambiente fisiologico, ma permette sia i materiali e tessuti per essere comconfrontato ugualmente 15, 16. </li><li> Orientate il campione cartilagine così la superficie è perpendicolare al penetratore. Questo permette la compressione di essere monoassiale e limita qualsiasi taglio di carico 15. </li><li> Programmare il carico di compressione e il relax di prove di nel software come un elenco di azioni, come segue: Zero Load | Zero Posizione | Trova contatto (carico di compressione) | Attendere (rilassamento). </li><li> Avviare il test utilizzando il programma software. Caricare il campione in compressione a 2.94 N a 1 mm / s 15, 16. NOTA: Questo è stato determinato per essere un carico non distruttiva che è abbastanza sensibile da identificare sia proprietà elastiche e viscoelastiche di cartilagine 15. </li><li> Una volta raggiunto il limite di 2,94-N, consente la cartilagine di rilassarsi per 15 minuti, un tempo punto in cui vi è cambiamento minimo nel comportamento rilassamento, utilizzando il software del computer 15, 16. NOTA: Figura2C-D mostra un tipico insieme per la prova di compressione e trazione di campioni di tessuto umano. Gli stessi protocolli possono poi essere applicati a biomateriali sintetici in base alle proprietà biomeccaniche al tessuto nativo in fase di analisi. Ad esempio, la Figura 2E-F dimostra compressione e trazione collaudo di tessuti umani strettamente corrispondenti proprietà biomeccaniche di un materiale sintetico. </li></ol> 5. Calcolo del Modulo elastico di Young per l&#39;indentazione e prove di trazione <ol><li> Raccogliere i dati grezzi compreso il tempo (s), spostamento (mm) e carico (N) dal dispositivo di prova dei materiali 14-16. </li><li> Calcolare la sollecitazione (MPa) e la tensione (%) usando le formule riportate nella figura 3. NOTA: Se un penetratore emisferica è stato utilizzato durante la prova di compressione, dividendo la forza per l&#39;area della sezione trasversale conferisce la tensione nominale (media), ma non il picco dello stress. </li><li> Utilizzare un grafico a dispersione lineareper tracciare stress MPa (asse y) contro il ceppo (asse x). Determinare la misura curva lineare. La misura della curva lineare è uguale a y = mx + b con un rispettivo valore R. NOTA: Tutti i punti di dati sono inclusi per raggiungere un valore minimo R&gt; 0,98. Il valore m è la pendenza, che corrisponde al modulo di stress su ceppo, indicando la resistenza alla compressione o la resistenza a trazione in MPa (cioè, Modulo di Young). Se il valore R non&gt; 0,98 è, allora l&#39;assunzione di caratterizzare il comportamento viscoelastico lineare è valido. </li><li> Per identificare le proprietà viscoelastiche in cui il flusso di fluido da esposizione a deformazione ha raggiunto l&#39;equilibrio, il rapporto di stress nel tempo negli ultimi 200 s di prove meccaniche e il livello di stress finale al termine dell&#39;esperimento sono calcolati. NOTA: Con il tempo l&#39;aumento, il livello di stress diminuisce (relax) come flusso del fluido raggiunge l&#39;equilibrio 17, 18. Una risposta rapida indicat di stress-relaxes che è difficile mantenere elevate sollecitazioni all&#39;interno del campione 17, 18. </li></ol> 6. proprietà di rilassamento <ol><li> Grafico di sollecitazione in MPa (asse y) contro il tempo in s (asse x) su un grafico a dispersione lineare. </li><li> Determinare una misura curva lineare per calcolare il tasso di relax. La misura della curva lineare è uguale a y = mx + b con un rispettivo valore degli ultimi 200 s. Il valore di m è il tasso di relax. </li><li> Include tutti i punti di dati per ottenere un valore minimo R&gt; 0,98. Lo stress finale (MPa) a 1,5 h per la pelle e 15 minuti per la cartilagine è il valore finale assoluto relax. </li></ol>

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Gli autori non hanno nulla da dichiarare.

Diversi protocolli di trazione e di rientro sono stati pubblicati per caratterizzare i tessuti molli umani. Abbiamo fornito un altro metodo, che mira ad essere più diagnostico e non distruttivo. I campioni sottoposti a prove meccaniche in questo protocollo sono limitati dal carico anziché spostamento, come trasduttori sono più sensibili a caricare rispetto allo spostamento. Pertanto, riproduzioni dell&#39;esperimento possono essere più precisa di tutti i tessuti e materiali sintetici. Usando questa tecnica, abbiamo dimostrato un protocollo di trazione per valutare tessuto cutaneo e un protocollo indentazione per analizzare tessuto cartilagineo. Entrambi i protocolli sono facili e semplici da implementare e potrebbero essere prese in considerazione per la caratterizzazione dei tessuti molli umani e costrutti tissutale. Uno dei passi fondamentali della metodologia per ottenere una curva di sollecitazione-rilassamento adatto per l&#39;analisi è quello di garantire che il campione non scivoli durante il test. fissaggio adeguato è required, ma questo deve essere bilanciato con causare sollecitazioni sui provini e garantire che il penetratore è perpendicolare alla superficie per evitare qualsiasi sollecitazione di taglio. È fondamentale che la composizione nonché le dimensioni e la forma del tessuto sono simili tra i campioni. Per la cartilagine, è fondamentale utilizzare un protocollo ripetibile dissezione e le dimensioni del campione. Per i campioni di pelle, è fondamentale rimuovere tutto il tessuto sottocutaneo per ottenere un campione ripetibile. È altresì importante garantire che per tutti i campioni, i campioni sono identiche condizioni, compresa idratazione, temperatura ambiente, e il processo di scongelamento, se del caso. Ci sono alcune limitazioni ai protocolli presentati. Gli studi hanno suggerito che le caratteristiche di deformazione della pelle e della cartilagine dipendono l&#39;orientamento del campione 13. Pelle è stato riconosciuto di essere anisotropico nel lontano 19 ° secolo, con Langer dimostrando nel 1861 che la pelle ha linee naturalidi tensione, denominate linee Langer 4. Così, quando la caratterizzazione campioni di pelle, è importante orientare tutti i campioni parallelo o perpendicolare alle linee Langer evitare di introdurre una polarizzazione metodo 4. Cartilagine mostra anche proprietà anisotrope e contiene linee Hultkrantz, che sono equivalenti a linee Langer, quindi la cartilagine può deformare in modo diverso secondo la direzione in cui viene caricato 12, 19. Pertanto, è importante aumentare la dimensione del campione per consentire la verifica di cartilagine in direzioni diverse. Come proprietà biomeccaniche dei tessuti variano con l&#39;età e il sesso, gli studi devono essere eseguiti con una coorte rappresentante dei pazienti a mantenere la validità per l&#39;impostazione clinica. Inoltre, alcuni protocolli meccanici sostengono precondizionamento, dove il tessuto subisce carico ciclico per garantire che il tessuto è in uno stato costante per i successivi test meccanico 20. Tuttavia, l&#39;esatto meccanismo della pricondizionamento non è chiara e l&#39;esatto numero di cicli necessari per produrre una risposta coerente e ripetibile varia nei diversi studi 20. Il ricercatore dovrebbe considerare se includere o meno precondizionamento dopo aver valutato il motivo per eseguire il test biomeccanico specifico 20. La pelle è un complesso, materiale multistrato, diviso in tre strati principali: l&#39;epidermide, derma, ipoderma e 4. Le proprietà meccaniche del tessuto della pelle sono state recentemente valutato utilizzando valutazioni in vivo 4. Tuttavia, i protocolli di prove di trazione possono essere utilizzati per comprendere la biomeccanica della pelle di pelle asportata 4. Tali test possono fornire informazioni per modellare relazioni sforzo-deformazione, poiché le condizioni al contorno possono essere definite 4. Tipicamente, in vitro regimi di prova usano ceppi alti per caratterizzare il materiale al fallimento, considerando che in vivo sistemi usobassa tensione varia 4. Quando si confrontano i valori biomeccaniche per la pelle asportata in tensione, vi è una grande variabilità tra studi diversi, che vanno da 2.9-150 MPa 4. Le grandi differenze tra i soggetti sono attesi a causa di variazioni biologiche, ma le differenze tra i regimi di protocollo possono anche aggravare queste differenze biologiche naturali. Ad esempio, le differenze nei tassi di caricamento tra protocolli causare variazioni, come una maggiore velocità di carico causano meno tempo per il fluido di defluire, con un conseguente maggiore rigidezza. I protocolli di preparazione, l&#39;escissione, e la manipolazione del tessuto cutaneo anche causare differenze nelle proprietà meccaniche 4. Questo protocollo dimostrata per la pelle test fornisce un metodo alternativo per i ricercatori di caratterizzare tessuto cutaneo. Esso fornisce alcuni vantaggi, tra cui la capacità di identificare le proprietà elastiche e viscoelastiche del tessuto cutaneo in una prova meccanica, consentendo una maggiore comprensione della pellein un breve lasso di tempo. Inoltre, lo stesso test può essere applicato alle sostituzioni tissutale per produrre costrutti con simili proprietà biomeccaniche come pelle nativa. Test Rientro fornisce un&#39;opzione attraente rispetto ai test di compressione confinata per capire la biomeccanica della cartilagine 21. Rientro ha la capacità di conservare la struttura fisiologica della cartilagine e quindi fornisce i valori che imitano quelle di un ambiente clinico. Utilizzando indentazione, è anche possibile testare la cartilagine mentre ancora attaccata all&#39;osso sottostante. Rientro consente inoltre di test fisiologici di cartilagine in vivo. Quando due superfici di cartilagine si avvicinano, i bordi che circondano la zona di contatto &quot;rigonfiamento&quot; a causa dell&#39;acqua sotto la zona di contatto essendo spostate lateralmente dopo che si verifica la deformazione di compressione 17, 21. Cartilagine di rientro deve essere condotta con un aDImmettere con un raggio inferiore rispetto al campione cartilagine per consentire rigonfiamento simili. La dimensione del penetratore dovrebbe essere almeno 8 volte la dimensione del campione per garantire che la cartilagine reagisce come se fosse parte di un campione indefinita 22. Utilizzando un penetratore molto minore del raggio del diametro di esempio elimina eventuali effetti di bordo presenti nella creazione campione. Inoltre, il rientro evita possibili errori sperimentali causati da testare difetti della cartilagine danneggiata per estrazione del campione. Indentazione anche non comporta la preparazione del campione profondo, come la compressione confinata, consentendo piccoli pezzi sottili di cartilagine da testare 17, 21. Inoltre, il metodo non distruttivo di indentazione significa che ha un potenziale applicazione in ambito clinico come sono stati effettuati strumento diagnostico dopo studi di convalida e verifica. Ci sono ipotesi chiave con rientro che l&#39;utente deve garantire per approprisultati riate. Una condizione critica di confine in loading indentazione richiede contatto costante tra il penetratore e la superficie della cartilagine (cioè, che la superficie non deforma dal penetratore) 23, 24. Indentazione carico comprende anche la condizione al contorno assunto che il contatto tra la superficie della cartilagine e il penetratore è non distruttivo (cioè, che il penetratore è in contatto con la superficie, ma non passa attraverso la superficie, la superficie della cartilagine non deve cedere sotto la penetratore) 25 - 26. Studi hanno dimostrato che questa condizione di limitazione può essere verificata attraverso l&#39;uso di inchiostro di china, che macchiare aree danneggiate quando applicato alla superficie cartilaginea 25, 26. Un&#39;ulteriore condizione al contorno presuppone che il penetratore comprime la cartilagine perpendicolare alla superficie del campione. L&#39;orientamento perpendicolare della compressione è un importante cond boundaryition perché la compressione ad angolo, soprattutto se si usa un carico ciclico, può causare slittamento, che potrebbe indurre componenti tranciatura e cambiare il carico meccanico. Questa condizione può essere assicurata attraverso un attento apparecchiature di prova istituito. Dopo i protocolli sintetizzati sono stati ottimizzati per il tessuto molle di interesse, sarebbe utile per i ricercatori di studiare collaudo dinamico del tessuto di interesse. Carico ciclico appropriato di campioni dovrebbe imitare normali limiti e comportamenti fisiologici, come ad esempio mimando camminare o altri movimenti ripetitivi 27. In sintesi, questo rapporto dimostra protocolli di prova meccaniche semplici per valutare tessuti umani. L&#39;attuazione di queste protocolli fornirà informazioni chiave sulle caratteristiche biomeccaniche dei tessuti, permettendo costrutti tissutale per imitare al meglio il tessuto nativo.

I pazienti sono sempre in attesa per diversi trapianti di organi per il trattamento di organi in mancanza o feriti. Tuttavia, con la mancanza di organi idonei, medicina rigenerativa si propone di creare soluzioni alternative per i pazienti con insufficienza terminale d&#39;organo. La medicina rigenerativa mira a soddisfare questa esigenza clinica da materiali tecnici di agire come sostituti dei tessuti, compresi i tessuti molli, come la cartilagine e la pelle. Per creare un materiale di successo per ripristinare i tessuti danneggiati, il materiale sostitutivo dovrebbe imitare le proprietà del tessuto nativo sta andando a sostituire 1-2. Una volta impiantato chirurgicamente, il materiale dovrà fornire forma anatomica al difetto del tessuto e quindi, le proprietà meccaniche del materiale sono fondamentali 1. Ad esempio, un materiale in sostituzione cartilagine auricolare dovrebbe avere le proprietà meccaniche adeguate per impedire la compressione dalla pelle sovrastante 2. Analogamente, un materiale per sostituire car nasaletilage avrà bisogno di avere adeguate caratteristiche meccaniche per evitare il collasso durante la respirazione 3. Tuttavia, nonostante l&#39;importanza delle proprietà meccaniche quando fabbricazione materiali per l&#39;impianto, poche prove si è concentrata sulla caratterizzazione delle proprietà meccaniche dei diversi tessuti umani. regimi di controllo meccanici possono essere utilizzati per determinare la compressione, trazione, flessione o proprietà di taglio di un tessuto. La pelle è altamente anisotropa, viscoelastica, e quasi materiale incomprimibile 4-9. Comunemente pelle asportata viene testato utilizzando metodologie di trazione monoassiale, dove una striscia opportunamente sagomato di pelle viene afferrata alle due estremità e stirato mentre il carico e l&#39;estensione vengono registrati 4-9. Poiché il componente principale di tutti i tessuti molli è l&#39;acqua interstiziale, la risposta meccanica della cartilagine è fortemente correlata al flusso di fluido attraverso il tessuto 10-11. I tessuti molli come la cartilagine have tradizionalmente testata utilizzando il test di compressione. I metodi di test a compressione sono abbastanza varie, con confinato, non confinato, e il rientro è il più diffuse (Figura 1). All&#39;interno compressione confinata, un campione cartilagine è posto in una impervia, piene di liquido bene e caricata attraverso una piastra porosa. Poiché il pozzo è non poroso, flusso se la cartilagine è in direzione verticale 12-13. In compressione non confinato, la cartilagine viene caricato tramite una piastra non poroso su una camera non porosa, costringendo il flusso di fluido ad essere prevalentemente radiale 12-13. Rientro è il metodo più utilizzato per la valutazione delle proprietà biomeccaniche della cartilagine 12-13. Si compone di un penetratore, più piccola della superficie del campione in prova, che viene portato giù sul campione. Indentazione ha molti vantaggi rispetto ad altri metodi di compressione, compreso il fatto che rientranza può essere eseguita in situ, enabling la prova sia più fisiologico (Figura 1) 12-13. Per comprendere le proprietà di compressione e trazione di un tessuto, modulo elastico di Young è tipicamente calcolata analizzando la porzione lineare della curva sforzo-deformazione, che indica la resistenza elastica alla compressione o tensione, indipendentemente dalle dimensioni del campione 12. Entrambi i regimi di trazione e di prova di compressione può variare in funzione del carico o deformazione applicato e il tasso di entrambi tali parametri. Attualmente, ci sono molti protocolli di test diversi per valutare la meccanica dei tessuti, il che rende estremamente difficile l&#39;interpretazione o confrontare i risultati di diversi studi 6-13. Inoltre, molti metodi meccanici attualmente si concentrano sulla caratterizzazione delle proprietà meccaniche del tessuto testando il campione alla distruzione. Il nostro obiettivo è di dimostrare un protocollo di rientro e alla trazione che fornisce, confronto diretto non distruttivo delle risorse umanetessuti molli e costrutti tissutale. Abbiamo dimostrato un metodo che limita le prove meccaniche a stress ma ancora ottiene modulo elastico di Young in compressione e trazione. Il campione viene sollecitato in tensione o compressione per un certo valore, e una volta che è stato raggiunto il valore di sollecitazione prescelta, il campione è permesso di rilassarsi mentre viene registrato tutti i dati. Questo metodo cattura sia le proprietà viscoelastiche e rilassamento del tessuto all&#39;interno della stessa prova, che può essere applicato direttamente al materiale sintetico. Abbiamo usato il protocollo di indentazione per valutare i tessuti molli umani, tra cui la pelle e la cartilagine 14-16. La cartilagine è valutata sulla base di test di indentazione e la pelle viene valutata utilizzando il test tensione 14-16. I ricercatori con l&#39;obiettivo di progettare materiali con proprietà simili a tessuti molli umani potrebbe prendere in considerazione l&#39;attuazione di questi protocolli.

<table><tbody><tr><td>Macchina per calibri a corsoio digitale</td><td>Mart</td><td>40218046</td><td>Il calibro a corsoio digitale viene utilizzato per misurare lo spessore del campione.</td></tr><tr><td>Bagno d'acqua&nbsp;</td><td>Cole Parmer</td><td>UY-12504-94</td><td>StableTemp Digital Water Bath Flask Holder utilizzato per scongelare i campioni di tessuti se sono congelati.</td></tr><tr><td>Macchina di prova dei materiali Mach-1</td><td>Biomomentum&nbsp;</td>Macchina di prova meccanica <td>V500c</td><td>utilizzata per testare le proprietà meccaniche dei tessuti.</td></tr><tr><td>Lama del bisturi&nbsp;</td><td>VWR</td><td>233-5335</td><td>Lame per bisturi che utilizzano per tagliare e sezionare i tessuti.</td></tr><tr><td>Pinze&nbsp;</td><td>VWR</td><td>470007-554</td><td>Pinze utilizzate per sezionare i tessuti.</td></tr><tr><td>Soluzione salina tamponata con fosfato (PBS) pH 7.2</td><td>Life Technologies&nbsp;</td><td>20012019</td><td>PBS viene utilizzato per idratare i campioni di tessuto.</td></tr></tbody></table>

caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

La medicina rigenerativa si propone di progettare materiali per sostituire o ripristinare gli organi danneggiati o malati. Le proprietà meccaniche di tali materiali dovrebbe imitare i tessuti umani Essi mirano a sostituire; per fornire la forma anatomica desiderata, i materiali devono essere in grado di sostenere le forze meccaniche si verificano quando impiantato al sito del difetto. Anche se le proprietà meccaniche dei ponteggi tissutale sono di grande importanza, molti tessuti umani, che subiscono il restauro con materiali Engineered non sono stati completamente caratterizzati biomeccanico. Diversi protocolli di compressione e trazione sono segnalati per la valutazione dei materiali, ma con grande variabilità è difficile confrontare i risultati tra gli studi. A complicare ulteriormente gli studi è la natura spesso distruttiva di prove meccaniche. Mentre il comprensione del fallimento tessuti è importante, è anche importante avere conoscenza delle proprietà elastiche e viscoelastiche più sotto Physiolcondizioni di carico ogical. Questo rapporto si propone di fornire un protocollo minimamente distruttivo per valutare le proprietà di compressione e trazione dei tessuti molli umani. Come esempi di questa tecnica, la prova di trazione della pelle e test di compressione della cartilagine sono descritti. Questi protocolli possono essere applicati direttamente a materiali sintetici per garantire che le proprietà meccaniche sono simili al tessuto nativo. I protocolli per valutare le proprietà meccaniche del tessuto nativo umana permetterà un punto di riferimento da cui creare adeguati sostituti tissutale.

Le figure 4 e 5 forniscono esempi di dati ottenuti tramite indentazione e prove di trazione. Figura 4 mostra i valori tipici ottenuti dopo il test di indentazione cartilagine umana. La figura 4A è un esempio di un tipico diagramma sforzo-versus-sollecitazioni ottenuto dopo il test di indentazione. Per ottenere il modulo di Young, tutti i valori sono inclusi fino alla forma curva linea ha un valore minimo di 0,98 R (Figura 4B). Il valore m è l&#39;indicatore del modulo di Young in MPa; per esempio, in questi dati, la cartilagine ha un modulo di 1,76 MPa. La Figura 4C mostra un grafico tipico di stress contro il tempo per valutare le proprietà di rilassamento della cartilagine. Il tasso di relax è calcolato in base agli ultimi 200 s. Analogamente, per ottenere il tasso di rilassamento, viene utilizzato il valore m di una linea curva che in MPa. Ad esempio, in questi dati, la cartilagine ha un tasso dirilassamento 8.78 x 10 -6 MPa / s (Figura 4D). Il livello finale assoluto di rilassamento è il punto finale di stress nella MPa. Ad esempio, in questo insieme di dati, il livello finale assoluto di relax sarebbe 0,028 MPa (Figura 4D). La Figura 5 mostra come valutare la viscoelasticità del tessuto cutaneo dopo la prova di trazione. L&#39;analisi viene eseguita secondo la prova di compressione. La figura 5A mostra una trama tipica ceppo-versus-sollecitazioni ottenuto dal protocollo di prove di trazione. Per ottenere il modulo Young in tensione, tutti i valori sono inclusi fino alla forma curva linea ha un valore minimo di 0,98 R (Figura 5B). Il valore m è l&#39;indicatore del modulo di Young in MPa; per esempio, in questi dati, la pelle ha un modulo di 0,62 MPa. La figura 5C mostra un grafico tipico di stress contro il tempo per valutare le proprietà di rilassamento opelle f. Il tasso di relax è calcolato in base agli ultimi 200 s. Analogamente, per ottenere il tasso di rilassamento, viene utilizzato il valore m di una linea curva che in MPa. Ad esempio, in questi dati, la pelle ha una velocità di rilassamento dei 3.1 x 10 -5 MPa / s (Figura 5D). Il livello finale assoluto di rilassamento è il punto finale di stress nella MPa. Ad esempio, in questo insieme di dati, il livello sarebbe 0,64 MPa (Figura 5D). La stessa analisi può quindi essere utilizzato per analizzare i biomateriali in compressione e prove di trazione per soddisfare le loro proprietà biomeccaniche di tessuto nativo. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig1.jpg" /> Figura 1: Schema per illustrare diverse metodologie di compressione. A. Prove rientro. Un carico è applicato ad una piccola area della cartilagine utilizzando un penetratore non poroso. B. Confined compressione. Il campione cartilagine è collocato in un impermeabile al fluido-riempita bene. La cartilagine viene poi caricata attraverso una piastra porosa. Poiché il pozzo è impermeabile, il flusso attraverso la cartilagine è solo in direzione verticale. C. Unconfined compressione. La cartilagine viene caricato tramite una piastra non poroso su una camera non poroso, costringendo il flusso di fluido ad essere prevalentemente radiale. <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig2.jpg" /> Figura 2: Set-up della macchina di prova meccanica. A. Illustrazione della macchina di prova. B. Illustrazione del penetratore utilizzato per l&#39;analisi di test di compressione. C. La cartilagine di essere analizzati utilizzando il test di indentazione di compressione. Tessuto cutaneo D. in fase di analisi in prove di trazione. Prova E. trazione di un biomateriale sintetico. F. </strong&gt; Prova di compressione di un biomateriale sintetico. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig3.jpg" /> Figura 3: Le formule utilizzate per calcolare le proprietà meccaniche di compressione e di trazione di un tessuto o di costrutto tissutale. Le formule usate per calcolare la forza (N), stress (MPa), e la tensione (%). <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig4.jpg" /> Figura 4: Esempio di analisi compressione di cartilagine umana. A. Analisi delle sollecitazioni-versus-deformazione. B. Il valore m della equazione di interpolazione della curva linea è il modulo di Young elastico in MPa. C. Analisi delle sollecitazioni-versus-tempo per dimostrare le proprietà di rilassamento. D. Il valore m della equazione di interpolazione della curva riga indica il tasso di rilassamento. L&#39;una finaletasso bsolute è l&#39;ultimo punto del grafico. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/54872/54872fig5.jpg" /> Figura 5: Esempio di analisi trazione della pelle umana. A. Analisi delle sollecitazioni-versus-deformazione. B. Il valore m della equazione di interpolazione della curva linea è il modulo di Young elastico in MPa. C. Analisi delle sollecitazioni-versus-tempo per dimostrare le proprietà di rilassamento. D. Il valore m della equazione di interpolazione della curva linea equivale al tasso di rilassamento. Il valore assoluto di tasso finale è l&#39;ultimo punto sul grafico.

La biomeccanica dei tessuti è importante per mantenere la forma e la funzione cellulare e per determinare il fenotipo. Questo rapporto dimostra protocolli meccanici non distruttivi per la caratterizzazione delle proprietà elastiche e viscoelastiche dei tessuti molli umani, che possono essere applicati direttamente ai substrati di ingegneria tissutale per consentire una stretta corrispondenza dei materiali ingegnerizzati con il tessuto nativo.

Caratterizzazione biomeccanica di morbidi tessuti umani usando una indentazione e prove di trazione

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

L'obiettivo generale di questa tecnica è utilizzare prove di indentazione e di trazione per caratterizzare le proprietà meccaniche dei tessuti molli umani. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali nel campo dell'ingegneria tissutale, come ad esempio quanto rigido dovrebbe essere un impianto per sostituire un organo umano danneggiato o non funzionante. I principali vantaggi di queste tecniche sono che sono non distruttive e semplici da attuare.L'idea iniziale per questo metodo è nata durante la progettazione di impianti sintetici per orecchio e naso, quando ci siamo chiesti quanto rigido avremmo dovuto rendere il materiale. In generale, chi si avvicina per la prima volta a questo metodo potrebbe incontrare difficoltà a causa di una preparazione errata del campione e di problemi nel configurare correttamente i test. Per iniziare, ottenere un campione di pelle, o di altro tessuto, da pazienti che hanno prestato consenso e che si sottopongono a interventi chirurgici, oppure da cadaveri donati a fini di ricerca.Posizionare il campione di pelle in una piastra di Petri e coprirlo con PBS per mantenere il tessuto umido. Utilizzare una lama di bisturi e pinzette per dissezionare manualmente il tessuto adiposo e lo strato sottile di derma profondo dal campione. Tagliare il foglio risultante di pelle a spessore parziale in strisce di uno per cinque centimetri.Successivamente, smaltire le lame usate del bisturi in un apposito contenitore per materiali taglienti. Infine, utilizzare un calibro per misurare lo spessore della pelle. Lo spessore dovrà essere misurato nuovamente anche dopo il test meccanico.Testare i campioni di pelle a trazione uniaxiale utilizzando una macchina calibrata per prove di resistenza dei materiali a temperatura ambiente. Iniziare orientando i campioni di pelle in modo che l'orientamento naturale delle fibre di collagene sia uniforme e conforme alle linee di Langer. Successivamente, inserire il campione nelle ganasce in modo che la direzione della forza applicata sia parallela alle linee di Langer o perpendicolare ad esse.Fissare il campione serrando manualmente le ganasce in modo che circa 0,5 centimetri del campione vengano inseriti in ciascuna ganascia. Assicurarsi che una delle ganasce della macchina di prova sia collegata a un opportuno trasduttore di carico e l'altra a una piastra di base fissa. Una volta fissato, coprire l'area del campione su entrambi i lati con vaselina per prevenire la disidratazione del campione.Ora, programmare nel software la procedura di carico a trazione e di rilassamento in modo che il campione venga sollecitato a una velocità di un millimetro al secondo fino a raggiungere una tensione di 29,42 newton. Una volta che il tessuto ha raggiunto una tensione di 29,42 newton, impostare il programma per mantenere costante lo spostamento per un'ora e mezza, consentendo al tessuto di rilassarsi, continuando nel frattempo a monitorare la variazione della tensione. Al termine, utilizzare nuovamente un calibro per misurare lo spessore del campione.Dopo aver ottenuto un campione di cartilagine da un individuo consenziente, collocarlo in una piastra di Petri e coprirlo con PBS. Utilizzare una lama di bisturi e pinze per rimuovere la pelle e la fascia dal campione. Successivamente, tagliare i campioni di cartilagine in quadrati di 1,5 centimetri.Dopo aver effettuato il taglio, misurare lo spessore della cartilagine da sottoporre a carico utilizzando un calibro. La dimensione finale del campione dovrebbe essere almeno otto volte maggiore rispetto al diametro dell'indentatore. Posizionare al centro il campione di cartilagine sotto l'indentatore su una base impermeabile di grandi dimensioni, orientandolo in modo che la superficie sia perpendicolare all'indentatore.Questo consente una compressione uniaxiale e limita qualsiasi scorrimento. Quindi, coprire la cartilagine con PBS e mantenere il campione idratato per tutta la durata del test. Programmare nel software il regime di carico compressivo e di rilassamento, in modo che il campione venga caricato a una velocità di un millimetro al secondo fino a raggiungere una forza compressiva di 2,94 newton.Raggiunto il carico di 2,94 newton, mantenere l'indentatore nella stessa posizione e lasciare che la cartilagine si rilassi per 15 minuti. Al termine, rilasciare il campione e misurare nuovamente lo spessore del campione. Per valutare la viscoelasticità del tessuto cutaneo dopo il test di trazione, tutti i valori del grafico sforzo-deformazione vengono inclusi nel calcolo del modulo di Young, fino a quando l'adattamento della curva presenta un valore minimo di R pari a 0,98.Il grafico sforzo rispetto al tempo viene utilizzato per valutare le proprietà di rilassamento della pelle. La velocità di rilassamento viene calcolata dagli ultimi 200 secondi dei dati raccolti, che per questo campione è pari a 3,1 × 10⁵ megapascal al secondo. Il grafico mostrato qui rappresenta esempi di dati di sforzo rispetto alla deformazione, che illustrano i risultati dei test di indentazione su cartilagine umana.Come per il calcolo del modulo di Young del campione di pelle, i valori alla fine della curva vengono utilizzati anche per la cartilagine, purché soddisfino il valore minimo di R pari a 0,98. La cartilagine presenta un tasso di rilassamento di 8,78 volte dieci alla meno sei megapascal al secondo e un livello assoluto finale di rilassamento di 0,028 megapascal. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in sette ore se effettuata correttamente.Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare di utilizzare un protocollo di dissezione ripetibile e dimensioni campione costanti. Seguendo questa procedura, è possibile sviluppare altri metodi, come il carico ciclico, al fine di rispondere ad ulteriori domande, ad esempio come si comportano i tessuti sotto carichi fisiologici e dinamici. Questa tecnica apre la strada ai ricercatori nel campo della biomeccanica per esplorare l'uso di questa tecnica non distruttiva per test meccanici non invasivi in vivo.Non dimenticare che lavorare con tessuti umani può essere estremamente pericoloso e che precauzioni come l'uso di guanti devono sempre essere adottate durante l'esecuzione di questa procedura.

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