インデントと引張試験を用いたヒト軟部組織の生体力学的特性評価

この手法の全体的な目標は、インデンテーション試験と引張試験を使用して、人間の軟組織の機械的特性を特徴付けることです。この方法は、機能不全または負傷した人間の臓器を置き換えるためにインプラントをどの程度硬くする必要があるかなど、組織工学分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。これらの手法の主な利点は、非破壊的であり、実装が簡単なことです。

この工法のアイデアは、人工耳鼻インプラントを設計していたときに思いつき、その材料をどこまで硬くすればいいのか悩んでいました。一般的に、この方法に不慣れな人は、サンプル調製が間違っていることや、テストを正しく設定するのが難しいため、苦労します。まず、手術を受ける同意した患者、または研究目的で同意した死体から皮膚サンプルまたはその他の組織を採取します。

皮膚サンプルをペトリ皿に入れ、PBSで覆って組織を湿らせます。メスの刃と鉗子を使用して、サンプルから脂肪組織と真皮深部の薄層を手動で解剖します。得られた分割厚さの皮のシートを1×5センチメートルのストリップにカットします。

次に、使用済みのメスの刃を鋭利なビンに捨てます。最後に、キャリパーを使用して皮膚の厚さを測定します。厚さは、機械的試験後にも測定する必要があります。

室温で校正された材料試験機を使用して、一軸張力で皮膚サンプルを試験します。まず、ランガーラインに従って、コラーゲン繊維の自然な向きがすべて同じ方向になるように、皮膚サンプルの向きを整えます。次に、サンプルをグリップにロードして、加えられた力の方向がランガーラインと一直線になるか、またはランガーラインに垂直

グリップを指で締めてサンプルを固定し、サンプルの約0.5センチメートルが各グリップに配置されるようにします。試験機のグリップの1つが適切なロードセルに取り付けられ、もう1つが動かないベースプレートに取り付けられていることを確認してください。固定したら、試料の乾燥を防ぐために、試料の両面をワセリンで覆います。

次に、引張荷重および緩和試験レジームをソフトウェアにプログラムして、サンプルが1秒間に1ミリメートルで29.42ニュートンの張力で荷重を受けるようにします。組織が29.42ニュートンの張力に達したら、張力の変化を監視し続けながら、組織がリラックスできるように、変位を1時間半一定に保つようにプログラムを設定します。終了したら、再度ノギスを使用してサンプルの厚さを測定します。

同意した個人から軟骨標本を入手した後、それをペトリ皿に入れ、PBSで覆います。メスの刃と鉗子を使用して、標本から皮膚と筋膜を取り除きます。次に、軟骨標本を1.5cm四方に切ります。

切断したら、キャリパーを使用して負荷する軟骨の厚さを測定します。最終的なサンプルサイズは、圧子の直径の少なくとも8倍大きくする必要があります。軟骨サンプルを大きな不浸透性のベースに圧子の下に置き、表面が圧子に対して垂直になるように向き

これにより、圧縮を単軸にすることができ、せん断が制限されます。次に、軟骨をPBSで覆い、テスト全体を通してサンプルを水分補給します。圧縮荷重と緩和試験のレジームをソフトウェアにプログラムして、サンプルが毎秒1ミリメートルで2.94ニュートンの圧縮力でロードされるようにします。

2.94ニュートンの負荷に達した後、圧子を同じ位置に維持し、軟骨を15分間リラックスさせます。終了したら、サンプルをリリースし、再度サンプルの厚さを測定します。引張試験後の皮膚組織の粘弾性を評価するために、応力ひずみプロットのすべての値がヤング率の計算に含まれ、ラインカーブフィットの最小R値が0.98

応力対時間プロットは、皮膚の緩和特性を評価するために使用されます。緩和率は、収集されたデータの最後の200秒から計算され、このサンプルでは、1秒あたり10〜5メガパスカルの3.1倍です。ここに示すグラフは、人間の軟骨のインデンテーションテストの結果を示す応力対ひずみデータの例です。

皮膚サンプルのヤング率の計算と同様に、曲線の終点の値は、最小のR値である0.98に収まる限り、軟骨に使用されます。軟骨の弛緩率は、10倍1秒あたり10倍、マイナス6メガパスカルの弛緩率で、弛緩の絶対最終レベルは0.028メガパスカルです。このテクニックは、一度マスターすれば、適切に実行すれば7時間で完了します。

この手順を試行する際には、再現性のある解剖プロトコルとサンプルの寸法を忘れないようにすることが重要です。この手順に続いて、生理学的、動的負荷の下で組織がどのように振る舞うかなどの追加の質問に答えるために、周期的負荷などの他の方法を形成することができます。この技術は、バイオメカニクスの分野の研究者が、この非破壊技術をin vivoでの非侵襲的な機械的試験に使用することを探求するための道を開きます。

人間の組織を扱う作業は非常に危険である可能性があり、この手順を実行するときは常に手袋などの予防措置を講じる必要があることを忘れないでください。