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

L'obiettivo generale di questa tecnica è quello di utilizzare l'indentazione e la prova di trazione per caratterizzare le proprietà meccaniche dei tessuti molli umani. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dell'ingegneria tissutale, come ad esempio quanto rigido dovrei realizzare un impianto per sostituire un organo umano guasto o danneggiato. I principali vantaggi di queste tecniche sono che non sono distruttive e semplici da implementare.

Abbiamo avuto l'idea di questo metodo per la prima volta quando stavamo progettando protesi sintetiche per l'orecchio e il naso e ci siamo chiesti quanto avremmo dovuto rendere rigido il materiale. In generale, le persone che non conoscono questo metodo avranno difficoltà a causa di una preparazione errata del campione e delle difficoltà nell'impostare correttamente i test. Per iniziare, ottenere un campione di pelle, o altro tessuto, da pazienti consenzienti sottoposti a procedure chirurgiche o da corpi cadaverici autorizzati a scopi di ricerca.

Posizionare il campione di pelle in una capsula di Petri e coprirlo con PBS per mantenere il tessuto umido. Utilizzare una lama di bisturi e una pinza per sezionare manualmente il tessuto adiposo e il sottile strato di derma profondo dal campione. Tagliare il foglio risultante di pelle a spessore diviso in strisce di uno per cinque centimetri.

Quindi, smaltire le lame del bisturi usate in un cestino per oggetti taglienti. Infine, utilizzare i calibri per misurare lo spessore della pelle. Lo spessore dovrà essere misurato anche dopo i test meccanici.

Testare campioni di pelle in tensione uniassiale utilizzando una macchina di prova dei materiali calibrata a temperatura ambiente. Inizia orientando i campioni di pelle in modo che l'orientamento naturale delle fibre di collagene sia tutte nella stessa direzione, secondo le linee di Langer. Quindi, caricare il campione nelle impugnature, in modo che la direzione della forza applicata sia in linea con le linee di Langer o perpendicolare ad esse.

Immobilizzare il campione stringendo con le dita le impugnature in modo che circa 0,5 centimetri di campione siano inseriti in ciascuna presa. Assicurarsi che uno dei morsetti della macchina di prova sia fissato a una cella di carico appropriata e l'altro a una piastra di base inamovibile. Una volta fissato, coprire l'area del campione su entrambi i lati con vaselina per evitare l'essiccazione del campione.

Ora, programma il regime di prova di carico di trazione e rilassamento nel software in modo che il campione venga caricato a un millimetro al secondo, a una tensione di 29,42 newton. Una volta che il tessuto raggiunge una tensione di 29,42 newton, impostare il programma in modo da mantenere costante lo spostamento per un'ora e mezza, per consentire al tessuto di rilassarsi, continuando a monitorare la variazione di tensione. Al termine, utilizzare nuovamente i calibri per misurare lo spessore del campione.

Dopo aver ottenuto un campione di cartilagine da un individuo consenziente, metterlo in una capsula di Petri e coprirlo con PBS. Utilizzare una lama di bisturi e una pinza per rimuovere la pelle e la fascia dal campione. Quindi, tagliare i campioni di cartilagine in quadrati di 1,5 centimetri.

Una volta tagliato, misurare lo spessore della cartilagine da caricare utilizzando dei calibri. La dimensione finale del campione deve essere almeno otto volte più grande del diametro del penetratore. Centrare il campione di cartilagine sotto il penetratore su una grande base impermeabile e orientarlo in modo che la superficie sia perpendicolare al penetratore.

Ciò consente alla compressione di essere uniassiale e limita qualsiasi trasparenza. Quindi, coprire la cartilagine con PBS e mantenere il campione idratato per tutta la durata del test. Programmare il regime di test di carico e rilassamento di compressione nel software, in modo che il campione venga caricato a un millimetro al secondo con una forza di compressione di 2,94 newton.

Dopo aver raggiunto il carico di 2,94 newton, mantenere il penetratore nella stessa posizione e lasciare che la cartilagine si rilassi per 15 minuti. Una volta terminato, rilasciare il campione e misurare nuovamente lo spessore del campione. Per valutare la viscoelasticità del tessuto cutaneo dopo la prova di trazione, tutti i valori nel grafico della deformazione da sforzo sono inclusi per il calcolo del modulo di Young, fino a quando l'adattamento della curva della linea ha un valore R minimo di 0,98.

Il grafico dello stress in funzione del tempo viene utilizzato per valutare le proprietà di rilassamento della pelle. Il tasso di rilassamento è calcolato dagli ultimi 200 secondi dei dati raccolti, che per questo campione è da 3,1 volte dieci a cinque megapascal al secondo. Il grafico mostrato qui è un esempio di dati di stress rispetto alla deformazione, che mostrano i risultati del test di indentazione sulla cartilagine umana.

Come per il calcolo del modulo di Young per il campione di pelle, i valori alla fine della curva vengono utilizzati per la cartilagine, purché rientrino nel valore R minimo di 0,98. La cartilagine ha un tasso di rilassamento di 8,78 volte dieci a sei megapascal negativi al secondo e un livello finale assoluto di rilassamento di 0,028 megapascal. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in sette ore se eseguita correttamente.

Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare di disporre di un protocollo di dissezione ripetibile e delle dimensioni del campione. Seguendo questa procedura, è possibile formare altri metodi, come il carico ciclico, per rispondere a ulteriori domande, come 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'utilizzo di questa tecnica non distruttiva per i test meccanici non invasivi in vivo.

Non dimenticare che lavorare con i tessuti umani può essere estremamente pericoloso e che durante l'esecuzione di questa procedura è necessario prendere sempre precauzioni come i guanti.