텐든의 전 생체내 기계 중

제 이름은 David Rempel입니다. 저는 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 생체공학과 교수입니다. 여러분이 보게 될 실험은 힘줄을 신장시키는 과정이며, 실제 목적은 손목과 팔꿈치의 힘줄 질환에 대한 근본적인 기전을 이해하는 것입니다.

이러한 힘줄 질환은 운동선수나 손을 이용해 반복적인 작업을 하는 노동자들에게 흔히 발생합니다. 저희 연구실의 박사 과정 학생인 Krish Sundi가 시스템의 여러 기능, 특히 힘줄의 단면적 측정 방법을 시연하겠습니다. 그는 액추에이터에 힘줄을 장착할 것입니다.

그는 24시간 동안 건에 주기적인 하중을 가하는 시스템 작동 방식을 시연한 다음, 시스템에서 건을 제거할 것입니다. 자, 이것이 저희가 설계하고 제작한 하중 가해 시스템입니다. 보시다시피, 이 시스템은 6개의 액추에이터로 구성되어 있습니다.

이들은 고정밀 액추에이터로, 1 µm의 변위를 가할 수 있으며, 액추에이터와 직렬로 연결된 로드셀은 건에 가해지는 하중을 기록합니다. 로드셀과 직렬로 연결된 이 클램프들은 충분히 길게 뻗어 있어, 건의 생존력을 유지하기 위해 배지에 담글 수 있습니다. 이후 이 전체 시스템을 워터배스에 넣어 배지를 37 °C로 유지합니다.

지금부터 이 시스템에 건을 장착하는 방법을 보여드리겠습니다. 가장 먼저 해야 할 단계는 적절한 응력을 가할 수 있도록 건의 단면적을 측정하는 것입니다. 건이 들어있는 튜브를 건네주시겠습니까?

이제, 이 힘줄들은 뉴질랜드 화이트 토끼에서 채취되었습니다. 채취 직후 바로 가져왔으므로, 토끼가 안락사된 지 2시간 미만인 신선한 상태입니다. 제가 단면적을 측정하고 있는 힘줄 부위는 힘줄의 가장 얇은 부분입니다.

이는 단면적이 가장 작기 때문에 가장 큰 응력이 발생하는 지점이기 때문입니다. 이제 피스톤 위에 무게추를 올려주시겠습니까? 이제 두께 값을 1.3으로 읽기 위해 30초 동안 대기합니다.

피스톤을 들어 올리고 힘줄을 다시 배양액에 넣어주시겠습니까? 이제 액추에이터를 분리하여 힘줄을 장착하겠습니다. 이제 클램프에 힘줄을 고정하겠습니다.

여기서 액추에이터를 근접해서 볼 수 있습니다. 액추에이터 본체와 로드셀, 그리고 바깥쪽으로 뻗어 있는 클램프를 확인할 수 있습니다. 이 패드들은 너비가 약 1/2인치에서 3/4인치, 길이는 약 1.5인치 정도로 절단하여 만듭니다.

그 다음 거즈 패드를 배지에 담가 적셔줍니다. 이렇게 하면 거즈를 마는 과정이 더 수월해집니다. 말아놓은 거즈 스트립을 서펜타인 클램프(serpentine clamps)의 홈에 배치하십시오. 이제 배지에서 힘줄을 꺼내겠습니다.

이 끝부분은 토끼 손가락 끝에 굴곡건이 삽입되는 부위입니다. 이 영역은 섬유연골 영역입니다. 건을 섬유연골 영역이 근위부 클램프 내에 고정되도록 배치합니다.

그런 다음 건(tendon)을 고정하고, 다시 나사를 1 newton meter로 조입니다. 이어서 남은 건 부위를 절단하면 액추에이터가 보조기에 고정되며, 건 전체와 클램프가 수정 배지에 잠기게 됩니다. 이후의 액추에이터에 건을 장착할 때도 동일한 절차를 사용합니다.

보시는 바와 같이 총 6개가 있으므로, 6개의 개별 힘줄을 사용하여 진행할 수 있습니다. 그다음 이 전체 시스템을 들어 올려 37°C의 배지 온도를 유지하기 위해 항온 수조에 넣습니다. 이제 힘줄에 0.5에서 5 MPa 사이의 주기적 하중을 가하겠습니다.

저희가 사용하는 소프트웨어는 LabVIEW이며, 사용자 정의로 작성되었습니다. 가장 먼저 수행하는 작업은 건(tendon)을 전처리하는 것입니다. 0.5 megapascals에서 2 megapascals 사이의 주기적 하중을 20회 가합니다.

측정된 두께의 경우, 제공된 4개의 마이크로미터를 사용하여 해당 값을 입력하십시오. 그러면 단면적이 자동으로 계산됩니다. 이후 프로그램은 건(tendon)에 2 MPa의 하중이 가해질 때까지 액추에이터가 변위를 증가시키도록 지시합니다.

여기서 우리가 따라가고 있는 것은 보라색 추적선입니다. 힘줄에 2 megapascal 하중이 가해지면, 프로그램은 이어서 힘줄에 0.5 megapascal 하중을 가하게 됩니다. 이 두 가지 하중 값이 설정되면, 프로그램은 이 두 하중 사이를 반복하며 두 목표 하중 사이의 위치를 지속적으로 업데이트합니다.

이 하중 가함은 0.5 Hz의 주파수로 초당 10 MPa의 속도로 진행됩니다. 힘줄의 사전 처리가 완료되면, 0.5 N의 하중을 가합니다. 0.5 N 하중 하에서의 힘줄 길이를 힘줄의 표점 거리(gauge length)로 정의합니다.

프로그램이 해당 하중을 찾으면 액추에이터의 위치를 읽으며, 현재 6,825로 읽히는 이 위치가 힘줄의 게이지 길이(gauge length)가 됩니다. 힘줄의 게이지 길이를 기록한 후, 다시 반복 하중 프로그램으로 돌아가 원하는 값인 5 MPa 및 0.5 MPa를 입력하고, 가하고자 하는 총 사이클 수를 입력한 뒤, 동일한 프로그램을 다시 실행하여 힘줄에 0.5 MPa에서 5 MPa 사이의 반복 하중을 가합니다. 이 하중은 10 MPa/s의 속도와 0.5 Hz의 주파수로 가해집니다.

일반적으로 24시간 동안 주기적인 하중을 가한 후, 액추에이터를 시스템에서 제거하며, 이후 힘줄을 원하는 대로 절단하여 처리할 수 있습니다. 지금까지 토끼에서 무균적으로 채취한 힘줄을 살펴보았습니다. 방금 보신 과정은 준무균 공정이었으나, 이를 통해 24시간 동안 힘줄에 주기적인 하중을 가할 수 있었습니다.

이후 힘줄의 유전자 발현을 분석하기 위해 R-T-P-C-R을 사용합니다. 또한 힘줄의 다른 변화, 구조적 변화 및 기타 조직학적 마커를 분석하고 있습니다. 궁극적으로 이 실험의 목적은 서로 다른 부하 패턴이 건증 및 건염과 관련된 힘줄 부상의 기본 기전에 기본적으로 어떤 영향을 미치는지 결정하는 것입니다.