Biomechanische karakterisering van menselijke zachte weefsels met behulp van inspringen en Trekproeven
December 13th, 2016
Weefselbiomechanica is belangrijk voor het behoud van celvorm en -functie en voor het bepalen van het fenotype. Dit rapport demonstreert niet-destructieve mechanische protocollen voor het karakteriseren van elastische en visco-elastische eigenschappen van menselijk zacht weefsel, die direct kunnen worden toegepast op weefsel-geëngineerde substraten om een nauwe overeenkomst van geëngineerde materialen met natuurlijk weefsel mogelijk te maken.
Het algemene doel van deze techniek is om inspringing en trektesten te gebruiken om de mechanische eigenschappen van menselijk zacht weefsel te karakteriseren. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van weefselengineering, zoals hoe stijf moet een implantaat zijn om een falend of gewond menselijk orgaan te vervangen. De belangrijkste voordelen van deze technieken zijn dat ze niet-destructief zijn en eenvoudig te implementeren.
We hadden voor het eerst het idee voor deze methode toen we synthetische oor- en neusimplantaten ontwierpen en ons afvroegen hoe stijf we het materiaal moesten maken. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn in deze methode worstelen vanwege onjuiste monstervoorbereiding en moeilijkheden bij het correct opzetten van de tests. Om te beginnen, verkrijg een huidmonster of ander weefsel van instemmende patiënten die een chirurgische ingreep ondergaan of van lichamen die zijn toegestaan voor onderzoeksdoeleinden.
Plaats het huidmonster in een petrischaal en bedek het met PBS om het weefsel vochtig te houden. Gebruik een scalpelmes en pincetten om handmatig het vetweefsel en de dunne laag diepe dermis uit het monster te dissecteren. Snijd het resulterende vel split-thickness huid in stroken van één-op-vijf centimeter.
Gooi vervolgens de gebruikte scalpelmessen in een bak voor scherpe voorwerpen. Gebruik tenslotte schuifmaten om de dikte van de huid te meten. De dikte moet ook worden gemeten na mechanische testen.
Test huidmonsters in uniaxiale trekspanning met behulp van een gekalibreerd materiaaltestapparaat bij kamertemperatuur. Begin door de huidmonsters te oriënteren zodat de natuurlijke oriëntatie van de collageenvezels allemaal in dezelfde richting staan, volgens de Langer-lijnen. Laad vervolgens het monster in de grijpers, zodat de richting van de toegepaste kracht ofwel in lijn is met de Langer-lijnen of er loodrecht op staat.
Immobiliseer het monster door de grijpers vingerswijd vast te draaien zodat ongeveer 0,5 centimeter van het monster in elke grijper wordt geplaatst. Zorg ervoor dat een van de grijpers van de testmachine is bevestigd aan een geschikte belastingscel en de andere aan een onbeweegbare basisplaat. Zodra het is bevestigd, bedek het monstergebied aan beide zijden met petroleumgele om uitdroging van het monster te voorkomen.
Programmeer nu het regime voor trekbelasting en relaxatietesten in de software, zodat het monster met één millimeter per seconde wordt belast tot een spanning van 29,42 newton. Zodra het weefsel een spanning van 29,42 newton bereikt, stelt u het programma in om de verplaatsing een anderhalf uur constant te houden, om het weefsel te laten ontspannen, terwijl u de verandering in spanning blijft monitoren. Wanneer u klaar bent, gebruikt u opnieuw schuifmaten om de dikte van het monster te meten.
Na het verkrijgen van een kraakbeenmonster van een instemmende persoon, plaats het in een petrischaal en bedek het met PBS. Gebruik een scalpelmes en pincetten om de huid en fascia van het monster te verwijderen. Snijd vervolgens de kraakbeenmonsters in vierkanten van 1,5 centimeter.
Na het snijden, meet u de dikte van het kraakbeen dat moet worden belast met behulp van schuifmaten. De uiteindelijke monstergrootte moet minstens acht keer groter zijn dan de diameter van de indrukker. Centreer het kraakbeenmonster onder de indrukker op een grote ondoordringbare basis en oriënteer het zodat het oppervlak loodrecht op de indrukker staat.
Dit maakt het mogelijk om de compressie uni-axiaal te laten zijn en beperkt eventuele schuring. Bedek vervolgens het kraakbeen met PBS en houd het monster gedurende de hele test gehydrateerd. Programmeer het regime voor compressieve belasting en relaxatietesten in de software, zodat het monster met één millimeter per seconde wordt belast tot een comprimerende kracht van 2,94 newton.
Nadat de belasting van 2,94 newton is bereikt, houdt u de indrukker op dezelfde positie en laat u het kraakbeen gedurende 15 minuten ontspannen. Zodra u klaar bent, laat u het monster los en meet u opnieuw de dikte van het monster. Om de visco-elasticiteit van huidweefsel na trektesten te evalueren, worden alle waarden in de spanning-vervormingsgrafiek opgenomen voor de berekening van de Young's modulus, totdat de lijncurve een minimale R-waarde van 0,98 heeft.
De spanning versus tijdgrafiek wordt gebruikt om de ontspanningseigenschappen van de huid te evalueren. De ontspanningssnelheid wordt berekend uit de laatste 200 seconden van de verzamelde gegevens, wat voor dit monster 3,1 keer tien tot de vijfde megapascal per seconde is. De hier getoonde grafiek is een voorbeeld van spanning versus vervormingsgegevens, die de resultaten van indruktesten op menselijk kraakbeen toont.
Net als bij de berekening van de Young's modulus voor het huidmonster, worden de waarden aan het einde van de curve gebruikt voor kraakbeen, zolang ze passen in de minimale R-waarde van 0,98. Het kraakbeen heeft een ontspanningssnelheid van 8,78 keer tien tot de negenveerde megapascal per seconde en een absoluut uiteindelijk ontspanningsniveau van 0,028 megapascal. Eenmaal onder de knie, kan deze techniek in zeven uur worden uitgevoerd als deze correct wordt uitgevoerd.
Bij het uitvoeren van deze procedure is het belangrijk om te onthouden dat u een herhaalbaar dissectieprotocol en monsterafmetingen moet hebben. Volgens deze procedure kunnen andere methoden, zoals cyclische belasting, worden gevormd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals hoe weefsels zich gedragen onder fysiologische, dynamische belastingen. Deze techniek baant de weg voor onderzoekers op het gebied van biomechanica om deze niet-destructieve techniek te verkennen voor niet-invasieve mechanische tests in vivo.
Vergeet niet dat het werken met menselijk weefsel uiterst gevaarlijk kan zijn en dat voorzorgsmaatregelen zoals handschoenen altijd moeten worden genomen tijdens het uitvoeren van deze procedure.
Overzicht
Dit rapport presenteert niet-destructieve mechanische protocollen voor het karakteriseren van de elastische en visco-elastische eigenschappen van menselijk zacht weefsel. De beschreven methoden kunnen worden toegepast op weefsel-gefabriceerde substraten, waardoor een nauwe overeenkomst tussen gefabriceerde materialen en natuurlijk weefsel wordt mogelijk gemaakt.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Biomechanica
- Weefseltechniek
- Mechanische testen
Achtergrond
- Weefselbiomechanica is cruciaal voor het behoud van celvorm en -functie.
- Begrip van weefseleigenschappen helpt bij het ontwerpen van implantaten voor orgaanvervanging.
- Niet-destructieve testmethoden worden geprefereerd voor het evalueren van weefselmechanica.
- Stapelvoorbereiding is cruciaal voor nauwkeurige testresultaten.
Doel van de studie
- Om de mechanische eigenschappen van menselijk zacht weefsel te karakteriseren met behulp van indrukking en trektesten.
- Om de optimale stijfheid voor weefsel-gefabriceerde implantaten te bepalen.
- Om een herhaalbaar protocol te bieden voor onderzoekers in de biomechanica.
Gebruikte methoden
- Indrukking en trektesten van huid- en kraakbeenmonsters.
- Stapelvoorbereiding met dissectie en hydratie met PBS.
- Meting van weefseldikte vóór en na het testen.
- Gegevensanalyse voor Young's modulus en relaxatie-eigenschappen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle karakterisering van de visco-elastische eigenschappen van huid en kraakbeen.
- Bepaling van relaxatiesnelheden voor beide weefselsoorten.
- Establering van een herhaalbaar dissectieprotocol voor stapelvoorbereiding.
- Inzichten in hoe weefsels zich gedragen onder fysiologische belastingen.
Conclusies
- Deze techniek maakt niet-invasieve mechanische testen van menselijk weefsel mogelijk.
- Het levert waardevolle gegevens voor de ontwikkeling van weefsel-gefabriceerde implantaten.
- Veiligheidsmaatregelen zijn essentieel bij het hanteren van menselijk weefsel.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Accurate biomechanical characterization of human soft tissues is critical for developing tissue-engineered implants that match native mechanical properties, reducing failure risk and improving translational outcomes. Non-destructive indentation and tensile testing protocols enable R&D teams to benchmark engineered materials against physiological standards, supporting predictive confidence in early-stage regenerative medicine pipelines. Standardized mechanical data facilitate portfolio triage and de-risking at key discovery and preclinical inflection points.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative assessment of tissue stiffness and viscoelasticity for functional target validation.
- Supports mechanistic de-risking by clarifying material-tissue compatibility requirements.
- Provides reference benchmarks for evaluating new biomaterials against native tissue properties.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated tissue samples for reproducible mechanical testing workflows.
- Standardizes assay conditions to ensure comparability across studies and platforms.
- Generates quantitative outputs (e.g., Young's modulus, relaxation rates) for reliable material screening.
Translational & Preclinical Research
- Aligns engineered material properties with disease-relevant tissue mechanics for translational continuity.
- Enables risk-adjusted advancement decisions by providing physiologically relevant mechanical benchmarks.
- Supports preclinical model selection and validation based on mechanical property alignment.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the regenerative medicine discovery continuum, from early material design through preclinical validation, by providing standardized mechanical benchmarks for both native and engineered tissues.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on material suitability and tissue replacement potential.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative mechanical data for candidate material evaluation.
- Analytics: Provides stress-strain and relaxation measurements to compare tissue and scaffold performance.
- Translational Research: Ensures engineered constructs meet physiological mechanical requirements for in vivo application.
- Enterprise Reuse: Establishes a repeatable, minimally destructive protocol adaptable across tissue types and biomaterial platforms.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in material selection and target validation for tissue engineering.
- Operational Value: Enhances reproducibility and standardization of mechanical testing across R&D teams.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision-making and reduces late-stage biological risk in regenerative portfolios.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of biomaterial candidates based on quantitative mechanical benchmarks.
Implementation Considerations
- Requires expertise in tissue dissection, sample preparation, and mechanical testing instrumentation.
- Demands access to calibrated materials testing machines and analytical software for data interpretation.
- Necessitates cross-team standardization of sample dimensions and testing protocols for comparability.
- Adaptable to various soft tissue types and synthetic materials with protocol modifications as needed.
- Careful handling and safety precautions are essential when working with human tissues.
