방법 논문

생체 재료 및 생체 역학 실험 및 분석 방법 모음

2021년 7월 13일

 ,  ,  , 
1Ulsan Ship and Ocean College, Ludong University, 2College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, 3School of Pharmacy, Wenzhou Medical University

이 논문에서

초록

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논의 된 기사 :

Kolel, A., et al. 실시간 현미경 이미징 하에서 3D 하이드로겔의 제어 균주. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (2020).

Yang, F., Wang, Z. 및 Yang, S. 혈관 시각화를 위한 이중 래스터 스캐닝 광음향 소동물 이미저. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (2020).

Tamburrini, R., et al. 용해성 세포외 기질(ECM) 생산을 위한 인간 췌장의 세제 없는 탈세포화. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (2020).

Koch, SE 외. 유동 및 스트레칭 중인 생체 물질의 염증 및 재생 능력을 평가하기 위한 multi-cue 생물반응기. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (2020).

Zhou, H., Cen, X., Song, Y., Ugbolue, U.C. 및 Gu, Y. 다양한 보행 속도에서 계획되지 않은 보행 종료와 관련된 하지 생체 역학적 특성. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (2020).

Yin, L., Lai, Z., Hu, X., Liu, K., Wang, L. 만성 발목 불안정성이 있는 개인의 자세 제어 및 하지 근육 활성화 평가. 시각화 실험 저널(Journal of Visualized Experiments). (2020).

사설

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생체재료·생체역학은 중요한 학제간 연구 분야로서 재료과학, 역학, 생명공학, 수학 등과 연계된 실험적 연구와 이론적 분석을 통해 생체재료의 구조, 성능, 기능 사이의 관계와 메커니즘을 밝혀낸다. 생체 재료 및 생체 역학의 실험 방법을 개선하기 위해 이 JoVE 방법 컬렉션은 조직 기계적 특성과 생체 공학 역학의 두 가지 범주에서 해당 실험 방법과 각각의 특성에 대해 논의합니다. 조직 역학 관찰에는 3D 하이드로겔 스트레칭 방법, 이중 래스터 스캐닝 광음향 방법, 인간 췌장의 세제 없는 탈세포화 방법, 관형 스캐폴드에 대한 인장 및 전단 응력의 디커플링 방법이 포함됩니다. 생체 공학 역학 관찰에는 발목 불안정성 환자의 하지 움직임 및 자세 제어에 대한 데이터 수집 방법이 포함됩니다.

조직에 대한 기계적 힘의 영향에는 주로 유전자 발현, 세포 분화, 조직 리모델링 1,2,3 및 세포외 기질(ECM)4,5,6의 변화가 포함됩니다. 기계적 힘 7,8,9에 대한 조직 반응을 이해하면 조직 공학 및 이론 모델 분야의 개발에 도움이 될 것입니다. Kolel et al.10은 공초점 현미경 동안 정적 또는 주기적 단축 변형을 허용하는 3D 하이드로겔을 늘리는 방법을 제안합니다. 그들은 0.5mm 두께의 실리콘 고무 스트립에 직경 약 2mm의 구멍이 있는 피브린 겔을 성형한 다음 라이브 공초점 현미경 하에서 단축 스트레칭을 수행했습니다. 마지막으로, 그들은 세포를 하이드로겔에 포매하고 제어된 외부 스트레칭에 노출시킬 가능성에 대해 논의합니다. 이 프로토콜에 사용되는 스트레칭 시스템은 3D 프린팅 부품과 저가형 전자 부품으로 구성됩니다. 이 시스템은 다른 기존 방식과 비교하여 다음과 같은 고유한 기능을 가지고 있습니다. 첫째, 이 시스템은 두꺼운 3D 연질 하이드로겔의 일축 연신을 허용하고 전체 하이드로겔은 Z-균일한 변형을 갖습니다. 둘째, 3D 프린팅의 단순성과 이 장비의 저렴한 비용으로 인해 다른 실험실에서 이러한 종류의 스트레칭 장비를 쉽게 제작할 수 있습니다. 셋째, 샘플의 형상과 크기는 사용자에 따라 자유롭게 조작할 수 있습니다. 이 방법은 보다 생리적인 3D 조건에서 생물학적 과정에 대한 외력을 연구하는 능력을 향상시켰고 조직 공학 분야에 기여했습니다.

소동물 영상은 인간 동종 질환에 대한 연구를 안내하고 효과적인 치료 방법을 모색하는 데 중요한 역할을 합니다. 광음향 이미징(PAI)은 광학 이미징과 초음파 이미징의 장점을 결합한 비침습적 이미징 기술입니다11,12. Yang et al.13은 이중 래스터 스캐닝 광음향 이미저(DRS-PAI)를 보고하고 마우스의 다른 부분의 음향 결합 스캐닝을 통해 WIM 및 RIM 모드의 혈관 이미지를 각각 수집합니다. DRS-PAI의 장점은 WIM과 RIM이 하나의 시스템에 통합되어 실시간 혈액 역학의 고해상도 광시야 혈관 시각화를 제공한다는 것입니다. 실시간 이미징 모드(RIM)는 깊이 방향을 따라 맥관 구조의 변위를 측정하여 호흡 또는 맥박의 특성을 밝힐 수 있습니다. 또한 RIM은 WIM 이미지의 특정 영역을 정량적으로 측정할 수 있습니다. 이미지를 비교하면 국부적인 변화의 세부 사항을 정확하게 알 수 있습니다. 이 방법은 생물의학 기초 연구의 다양한 분야에 쉽게 적용할 수 있습니다.

섬에 대한 수요 증가는 섬 격리에 대한 더 높은 요구 사항을 제시합니다 14,15,16. Tamburrini et al.17은 ECM 손상을 줄이고 췌장 ECM의 중요한 구성 요소를 보존할 수 있는 새로운 세제 없는 탈세포화 방법을 제안합니다. 탈세포화 방법은 고전적인 이온성 및 비이온성 화학 세제의 사용을 피합니다. 또한, 혈관계를 통한 세제 주입보다는 안와 진동기에서 조직의 탈세포화는 탈세포화 기술의 단순성, 일관성 및 타당성을 크게 촉진하여 번역을 위한 ECM의 생산을 증가시킵니다. 현재의 무세포 방법으로는 탈세포화 후 ECM에서 잔류 Triton X-100을 정량화할 수 없고 cGMP 환경에서 제조 공정을 확장할 가능성이 낮기 때문에 전체 췌장의 관류가 아닌 기계적 진동에 의한 탈세포화를 얻을 수 있는 타당성도 연구했습니다. 콜라겐 및 글리코사미노글리칸의 정량화에 대한 데이터는 이전 경험과 일치하는 추세를 보여줍니다. 이 프로토콜을 사용하여 몇 가지 제한 사항이 발견되었습니다. 따라서 BMI가 <30인 기증자의 인간 췌장은 일반적으로 탈세포화에 적합한 것으로 간주됩니다.

생체 내에서 직접 재생을 유도하기 위해 흡수성 생체 재료를 사용하는 것은 매력적인 전략 18,19,20,21,22이지만, 이러한 종류의 생체 재료는 이식 후 염증 반응을 일으킬 수 있으며, 이는 또한 새로운 조직의 후속 흡수 및 재생의 원동력이기도 합니다. 염증과 재생 과정은 모두 인장 응력과 전단 응력에 의해 결정됩니다. Koch et al.23은 관형 스캐폴드의 인장 및 전단 응력을 분리하기 위한 생물 반응기의 사용을 자세히 설명합니다. 그들은 이 관형 생물 반응기 시스템의 적용이 역학에서 개별 및 결합 효과를 연구하는 데 도움이 될 것이라고 제안합니다. 이 생물반응기는 관형 흡수성 스캐폴드의 염증 및 조직 재생에 대한 전단 응력과 주기적 스트레칭의 기여도를 체계적으로 평가합니다. 또한 이를 통해 잘 제어된 기계적 부하 하에서 관형 스텐트의 영향 하에서 염증 및 재생 능력을 표준화할 수 있습니다. 이 방법의 주요 단계인 바이오리액터의 구성 및 설정, 스캐폴드 준비 및 세포 접종, 스트레치 및 전단 흐름의 적용 및 유지 관리, 샘플 수집 및 분석에 대해 자세히 설명합니다. 이 시스템은 다양한 조직 공학 혈관 이식편(예: 합성 또는 천연 소스, 다양한 미세 구조, 다양한 다공성)을 테스트할 수 있습니다. 전단 응력과 장력의 적용을 효과적으로 분리하기 위해 바이오리액터에 사용되는 핵심 개념은 다음과 같습니다. 첫째, 전단 응력과 신축 제어는 서로 다른 펌프 시스템을 사용하여 분리됩니다. 둘째, 스캐폴드는 계산 구동 차원으로 내부-외부 방식으로 자극됩니다. 흐름은 유량 펌프를 사용하여 관형 비계의 외부 표면에 적용되고, 실리콘 튜브는 별도의 스트레인 펌프를 사용하여 확장되고, 지지대의 원주 장력은 별도의 스트레인 펌프를 사용하여 확장됩니다. 이 방법은 혈관 구조에 대한 많은 분석에도 사용할 수 있습니다. 결과는 조직 공학 혈관 이식편(TEVG) 구조의 성장 및 리모델링에 대한 전단과 장력의 다양한 조합의 고유한 효과를 나타냅니다. 시험관 내 플랫폼 수집을 통해 얻은 통찰력은 현장 TEVG를 위해 새로 개발된 설계 매개변수를 최적화하는 데 도움이 됩니다.

자세 및 균형 제어는 정적 상태와 동적 상태 24,25,26,27로 나눌 수 있다. 그 중 동적 균형 능력은 신체의 무게 중심과 동작 자세를 제어하고 조절하는 신체의 능력을 말한다28. 스포츠 생체역학의 관점에서 볼 때 동적 균형을 유지하는 주체는 하지의 발목 관절입니다. 고관절이 균형을 유지하는 본체라면 넘어지기 쉬울 것입니다. Zhou et al.29는 예상치 못한 자극으로 인한 보행 종료 시 하지 생체역학의 변화를 분석합니다. 동작 분석 시스템과 발바닥 압력 플랫폼을 사용하여 하지 움직임의 동작 데이터를 제자리에서 수집합니다. 이 방법은 생체역학 연구, 가상 현실 시스템, 로봇 원격 제어, 애니메이션 제작, 스포츠 훈련, 인체 공학 연구, 인터랙티브 게임 등에 사용할 수 있습니다.

만성 발목 불안정성(CAI)은 발목의 지속적인 통증과 부종, 발목 무너짐, 자가 보고 장애를 특징으로 하는 가장 흔한 스포츠 부상 중 하나로, 환자의 자세 안정성에 심각한 영향을 미칩니다30,31. CAI는 운동 요법 테이핑을 통해 개선될 수 있습니다. Yin et al.32는 컴퓨터 동적 자세 조영술을 사용하여 자세 안정성을 유지하는 데 있어 시각, 고유 감각 및 전정 감각의 기여도를 분석합니다. 감각 조직 테스트(SOT), 일방적 자세(US), 안정성 한계(LOS), 운동 제어 테스트(MCT) 및 적응 테스트(ADT)를 실시하고 측정했습니다. 이러한 측정은 자세 안정성을 유지하기 위해 세 가지 감각 시스템을 조정하고 근육 활성화를 조절하는 과정을 관찰하는 새로운 방법을 제공합니다.

다학제적 종합 연구와 결합된 첨단 측정 장비 및 방법은 생체 재료 및 생체 역학의 개발과 진화를 촉진합니다. 이 기사에서는 다양한 테스트 방법에 대해 논의하지만, 생체재료 및 생체역학 연구를 가속화하고 다양한 분야의 연구자 간의 소통을 촉진하기 위해서는 다양한 분야의 다양한 연구 방법과 아이디어를 학제간적이고 포괄적인 연구 방향으로 통합할 필요가 있습니다.

공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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이 연구는 원저우시 과학기술국(Y2020069)의 지원을 받았습니다.

참고문헌

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  19. VascuTrainer: a mobile and disposable bioreactor system for the conditioning of tissue-engineered vascular grafts. Annals of Biomedical Engineering. 46 (4), 616-626 (2018).">Wolf, F., et al. VascuTrainer: a mobile and disposable bioreactor system for the conditioning of tissue-engineered vascular grafts. Annals of Biomedical Engineering. 46 (4), 616-626 (2018).
  20. A novel bioreactor for mechanobiological studies of engineered heart valve tissue formation under pulmonary arterial physiological flow conditions. Journal of Biomechanical Engineering. 136 (12), 121009(2014).">Ramaswamy, S., et al. A novel bioreactor for mechanobiological studies of engineered heart valve tissue formation under pulmonary arterial physiological flow conditions. Journal of Biomechanical Engineering. 136 (12), 121009(2014).
  21. An innovative ex vivo vascular bioreactor as comprehensive tool to study the behavior of native blood vessels under physiologically relevant conditions. Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy. 2 (4), (2019).">Vanerio, N., Stijnen, M., de Mol, B. A. J. M., Kock, L. M. An innovative ex vivo vascular bioreactor as comprehensive tool to study the behavior of native blood vessels under physiologically relevant conditions. Journal of Engineering and Science in Medical Diagnostics and Therapy. 2 (4), (2019).
  22. An ex vivo vessel injury model to study remodeling. cell Transplantation. 27 (9), 1375-1389 (2018).">Kural, M. H., Dai, G., Niklason, L. E., Gui, L. An ex vivo vessel injury model to study remodeling. cell Transplantation. 27 (9), 1375-1389 (2018).
  23. A multi-cue bioreactor to evaluate the inflammatory and regenerative capacity of biomaterials under flow and stretch. Journal of Visualized Experiments. (166), (2020).">Koch, S. E., et al. A multi-cue bioreactor to evaluate the inflammatory and regenerative capacity of biomaterials under flow and stretch. Journal of Visualized Experiments. (166), (2020).
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