$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
生体材料・バイオメカニクスは、重要な学際的な研究分野として、材料科学、力学、生物工学、数学などと結びついた実験研究と理論解析を通じて、生体材料の構造、性能、機能の関係やメカニズムを明らかにする。生体材料とバイオメカニクスの実験方法を改善するために、このJoVEメソッドコレクションでは、対応する実験方法とそれぞれの特性を、組織力学的特性とバイオニクス力学の2つのカテゴリで説明します。組織力学の観察には、3Dヒドロゲル延伸法、デュアルラスタースキャン光音響法、界面活性剤を使わないヒト膵臓の脱細胞法、管状足場の引張応力とせん断応力のデカップリング法などがある。バイオニクス力学の観察には、足首が不安定な患者の下肢の動きと姿勢制御のデータ収集方法が含まれます。
組織に対する機械的力の影響には、主に遺伝子発現、細胞分化、組織リモデリング1,2,3、および細胞外マトリックス(ECM)4,5,6の変化が含まれます。機械的力に対する組織の応答を理解することは、組織工学および理論モデルの分野の開発に役立ちます。Kolel et al.10 は、共焦点顕微鏡中に静的または周期的な一軸ひずみを可能にする 3D ヒドロゲルを伸ばす方法を提案しています。厚さ0.5mmのシリコンゴムストリップに直径約2mmの穴を開けたフィブリンゲルを成形し、ライブ共焦点顕微鏡下で一軸延伸を行いました。最後に、彼らは細胞をヒドロゲルに埋め込み、制御された外部ストレッチにさらす可能性について議論します。このプロトコルで使用されるストレッチシステムは、3D プリント コンポーネントと低コストの電子コンポーネントで構成されています。このシステムには、他の既存の方法と比較して、次の独自の機能があります。まず、このシステムは厚い3Dソフトハイドロゲルの一軸延伸を可能にし、ヒドロゲル全体がZ均一な変形をします。第二に、3D プリンティングはシンプルで、この装置は低コストであるため、他の研究室でこの種のストレッチ装置を簡単に構築できます。第三に、サンプルの形状とサイズは、ユーザーに応じて自由に操作できます。この手法により、より生理学的な3次元条件下で生体プロセスにかかる外力を研究する能力が向上し、組織工学の分野に貢献しています。
小動物イメージングは、ヒトの相同疾患の研究を導き、効果的な治療法を模索する上で重要な役割を果たしています。光音響イメージング (PAI) は、光学イメージングと超音波イメージングの利点を組み合わせた非侵襲的イメージング技術です11,12。Yangら13は、デュアルラスタースキャン光音響イメージャー(DRS-PAI)を報告し、マウスのさまざまな部分の音響結合スキャンを通じて、それぞれWIMモードとRIMモードの血管画像が収集されます。DRS-PAIの利点は、WIMとRIMが1つのシステムに統合され、リアルタイムの血液動態の高解像度の広視野血管視覚化を提供することです。リアルタイムイメージングモード(RIM)は、深さ方向に沿った血管系の変位を測定することで、呼吸や脈拍の特性を明らかにすることができます。さらに、RIMはWIM画像の特定の領域を定量的に測定できます。画像を比較することで、局所的な変化の詳細を正確に明らかにすることができます。この手法は、生物医学基礎研究の様々な分野に容易に適用できます。
膵島の需要の増加により、膵島の隔離に対するより高い要件が提唱されています 14,15,16。Tamburrini et al.17 は、ECM の損傷が少なく、膵臓 ECM の重要な成分を保存できる、新しい界面活性剤不要の脱細胞法を提案しています。脱細胞化法では、従来のイオン性および非イオン性化学洗剤の使用が回避されます。さらに、血管系を介した界面活性剤の注入ではなく、眼窩バイブレーターでの組織の脱細胞化は、脱細胞化技術の単純さ、一貫性、実現可能性を大幅に促進し、翻訳用のECMの生産を増加させます。現在の無細胞法では脱細胞後のECMに残留するTriton X-100を定量化できず、cGMP環境で製造プロセスを拡張する可能性が低いため、膵臓全体の灌流ではなく機械的振動によって脱細胞化を得る可能性も研究しました。コラーゲンとグリコサミノグリカンの定量に関するデータは、これまでの経験と一致する傾向を示しています。このプロトコルを使用すると、いくつかの制限が見つかりました。したがって、BMI <30 のドナーからのヒト膵臓は、一般に脱細胞化に適していると考えられています。
吸収性生体材料を使用して生体内で直接再生を誘導することは魅力的な戦略です18,19,20,21,22が、この種の生体材料は移植後に炎症反応を引き起こす可能性があり、これはその後の新しい組織の吸収と再生の原動力でもあります。炎症と再生プロセスの両方が、引張応力とせん断応力によって決定されます。Kochら23は、管状足場の引張応力とせん断応力をデカップリングするためのバイオリアクターの使用について詳細に説明しています。彼らは、この管状バイオリアクターシステムの適用が、力学におけるそれらの個別および複合効果の研究に役立つことを示唆しています。このバイオリアクターは、管状吸収性足場の炎症と組織再生に対するせん断応力と周期的伸張の寄与を体系的に評価します。また、これにより、十分に制御された機械的負荷下で管状ステントの影響下での炎症および再生能力を標準化することが可能になります。この方法の主なステップについて、バイオリアクターの構築とセットアップ、足場の準備と細胞接種、ストレッチフローとせん断フローの適用と維持、サンプルの収集、および分析について詳しく説明します。このシステムは、さまざまな組織工学的血管移植片(たとえば、合成または天然の供給源、さまざまな微細構造、さまざまな気孔率)をテストできます。せん断応力と張力の適用を効果的に切り離すために、バイオリアクターで使用される主要な概念は次のとおりです。まず、せん断応力と伸び制御は、異なるポンプシステムを使用して分離されます。第二に、足場は、計算駆動の次元でインサイドアウトの方法で刺激されます。流れはフローポンプを使用して管状足場の外面に適用され、シリコンチューブは別のひずみポンプを使用して拡張され、サポートの円周方向の張力は別のひずみポンプを使用して拡張されます。この方法は、血管構造に関する多数の分析にも使用できます。この結果は、せん断と張力のさまざまな組み合わせが、組織工学的血管移植片(TEVG)構造の成長とリモデリングに及ぼす独特の効果を示しています。in vitroプラットフォームの収集を通じて得られた洞察は、新しく開発されたin situ TEVGの設計パラメータを最適化するのに役立ちます。
姿勢とバランスの制御は、静的状態と動的状態24、25、26、27に分けることができる。このうち、動的バランス能力とは、身体の重心と運動中の姿勢を制御および調整する身体の能力を指します28。スポーツバイオメカニクスの観点から、動的バランスを維持するための主体は下肢の足首関節です。バランスを保つために股関節を主体にすれば転倒しやすいだろう。Zhouら29 は、予期しない刺激によって引き起こされる歩行終了時の下肢生体力学の変化を分析します。動作解析システムと足底圧プラットフォームを使用して、その 場で下肢の動きの動作データを収集します。この方法は、バイオメカニクス研究、仮想現実システム、ロボットリモコン、アニメーション制作、スポーツトレーニング、人間工学研究、インタラクティブゲームなどに使用できます。
慢性足首不安定性 (CAI) は、最も一般的なスポーツ傷害の 1 つであり、足首の持続的な痛みと腫れ、足首の崩れ、および自己申告による障害を特徴とし、患者の姿勢の安定性に深刻な影響を与えます30,31。CAI は、キネシオロジー テーピングによって改善できます。Yin et al.32 は、コンピューター動的姿勢検査を使用して、姿勢の安定性の維持における視覚、固有受容感覚、および前庭感覚の寄与を分析します。感覚組織テスト (SOT)、片側姿勢 (US)、安定性限界 (LOS)、運動制御テスト (MCT)、および適応テスト (ADT) を実施し、測定しました。これらの測定は、3つの感覚系を調整し、姿勢の安定性を維持するために筋肉の活性化を調節するプロセスを観察するための新しい方法を提供します。
学際的な包括的な研究と組み合わせることで、高度な測定機器と方法は、生体材料と生体力学の開発と進化を促進します。この記事ではさまざまな試験方法について説明しますが、生体材料とバイオメカニクスの研究を加速し、異なる分野の研究者間のコミュニケーションを促進するためには、学際的かつ包括的な研究方向として、さまざまな分野のさまざまな研究方法とアイデアを統合する必要があります。