$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Jako ważna interdyscyplinarna dziedzina badań, biomateriały i biomechanika ujawniają relacje i mechanizmy między strukturą, wydajnością i funkcją biomateriałów poprzez badania eksperymentalne i analizę teoretyczną, która jest związana z materiałoznawstwem, mechaniką, bioinżynierią, matematyką itp. W celu ulepszenia metod eksperymentalnych biomateriałów i biomechaniki, w niniejszym zbiorze metod JoVE omówiono odpowiednie metody eksperymentalne i ich odpowiednie cechy w dwóch kategoriach: właściwości mechaniczne tkanek i mechanika bionika. Obserwacje mechaniki tkanek obejmują metodę rozciągania hydrożelu 3D, metodę fotoakustyczną z podwójnym skanowaniem rastrowym, metodę decelularyzacji ludzkiej trzustki bez użycia detergentów oraz metodę odsprzęgania naprężeń rozciągających i ścinających na rusztowaniach rurowych. Obserwacje mechaniki bionicznej obejmują metodę zbierania danych dotyczących ruchu kończyn dolnych i kontroli postawy u pacjentów z niestabilnością stawu skokowego.
Wpływ siły mechanicznej na organizację obejmuje głównie ekspresję genów, różnicowanie komórek, przebudowę tkanek 1,2,3 i zmiany w macierzy zewnątrzkomórkowej (ECM)4,5,6. Zrozumienie reakcji tkanek na siły mechaniczne 7,8,9 pomoże w rozwoju dziedziny inżynierii tkankowej i modeli teoretycznych. Kolel i wsp.10 proponują metodę rozciągania hydrożeli 3D, która umożliwia statyczne lub cykliczne jednoosiowe odkształcenie podczas mikroskopu konfokalnego. Na paskach z gumy silikonowej o grubości 0,5 mm uformowali żel fibrynowy z otworem o średnicy około 2 mm, a następnie pod mikroskopią konfokalną na żywo przeprowadzono jednoosiowe rozciąganie. Na koniec omawiają możliwość zatopienia komórek w hydrożelach i wystawienia ich na kontrolowane rozciąganie zewnętrzne. System rozciągania zastosowany w tym protokole składa się z komponentów do druku 3D i tanich komponentów elektronicznych. W porównaniu z innymi istniejącymi metodami system posiada następujące unikalne cechy. Po pierwsze, system umożliwia jednoosiowe rozciąganie grubych miękkich hydrożeli 3D, a cały hydrożel ma odkształcenie jednorodne w kształcie litery Z. Po drugie, ze względu na prostotę druku 3D i niski koszt tego sprzętu, łatwo jest zbudować tego rodzaju sprzęt do rozciągania w innych laboratoriach. Po trzecie, geometria i rozmiar próbki mogą być dowolnie obsługiwane w zależności od użytkownika. Metoda ta poprawiła możliwość badania sił zewnętrznych działających na proces biologiczny w bardziej fizjologicznych warunkach 3D i przyczyniła się do rozwoju inżynierii tkankowej.
Obrazowanie małych zwierząt odgrywa ważną rolę w kierowaniu badaniami nad chorobami homologicznymi u ludzi i poszukiwaniu skutecznych metod leczenia. Obrazowanie fotoakustyczne (PAI) to nieinwazyjna technologia obrazowania, która łączy w sobie zalety obrazowania optycznego i obrazowania ultradźwiękowego11,12. Yang i wsp.13 donoszą o podwójnym skanowaniu rastrowym fotoakustycznym (DRS-PAI), a poprzez skanowanie sprzężenia akustycznego różnych części myszy zbierane są obrazy naczyniowe odpowiednio w trybach WIM i RIM. Zaletą DRS-PAI jest to, że WIM i RIM są zintegrowane w jednym systemie i zapewniają szeroką wizualizację naczyń krwionośnych w czasie rzeczywistym w wysokiej rozdzielczości. Tryb obrazowania w czasie rzeczywistym (RIM) może ujawnić charakterystykę oddychania lub pulsu, mierząc przemieszczenie naczyń krwionośnych wzdłuż kierunku głębokości. Dodatkowo, RIM może ilościowo mierzyć określony obszar obrazów WIM. Porównując obrazy, można dokładnie ujawnić szczegóły lokalnych zmian. Metoda ta może być z łatwością zastosowana w różnych dziedzinach biomedycznych badań podstawowych.
Rosnący popyt na wysepki stawia wyższe wymagania dotyczące izolacji wysepek 14,15,16. Tamburrini i wsp.17 proponują nową, wolną od detergentów metodę decelularyzacji, która powoduje mniejsze uszkodzenia ECM i może zachować krytyczne elementy ECM trzustki. Metoda decelularyzacji pozwala uniknąć stosowania klasycznych jonowych i niejonowych detergentów chemicznych. Co więcej, decelularyzacja tkanki w wibratorze orbitalnym, a nie wstrzykiwanie detergentu przez układ naczyniowy, znacznie sprzyja prostocie, spójności i wykonalności technologii decelularyzacji, zwiększając w ten sposób produkcję ECM do translacji. Ponieważ obecne metody bezkomórkowe nie są w stanie określić ilościowo pozostałości Triton X-100 na ECM po decelularyzacji, a wykonalność rozszerzenia procesu produkcyjnego w środowisku cGMP jest niska, zbadano również wykonalność uzyskania decelularyzacji przez wibracje mechaniczne, a nie perfuzję całej trzustki. Dane dotyczące oznaczania ilościowego kolagenu i glikozaminoglikanów wykazują tendencję zgodną z wcześniejszymi doświadczeniami. Znaleziono pewne ograniczenia przy użyciu tego protokołu. Dlatego ludzka trzustka od dawców z BMI <30 jest ogólnie uważana za odpowiednią do decelularyzacji.
Zastosowanie wchłanialnych biomateriałów do wywołania regeneracji bezpośrednio in vivo jest atrakcyjną strategią 18,19,20,21,22, ale ten rodzaj biomateriału może wywołać reakcję zapalną po implantacji, co jest również siłą napędową dla późniejszej resorpcji i regeneracji nowej tkanki. Zarówno stan zapalny, jak i proces regeneracji są determinowane przez naprężenia rozciągające i ścinające. Koch i wsp.23 szczegółowo opisują zastosowanie bioreaktora do odsprzęgania naprężeń rozciągających i ścinających na rusztowaniach rurowych. Sugerują oni, że zastosowanie tego systemu bioreaktorów rurowych pomoże w badaniu ich indywidualnych i łącznych skutków w mechanice. Bioreaktor ten systematycznie ocenia wpływ naprężeń ścinających i cyklicznego rozciągania na stan zapalny i regenerację tkanek w rurowych rusztowaniach resorbowalnych. Umożliwia to również standaryzację zdolności zapalnych i regeneracyjnych pod wpływem stentów rurkowych pod dobrze kontrolowanymi obciążeniami mechanicznymi. Szczegółowo omówiono kluczowe etapy tej metody: budowę i konfigurację bioreaktora, przygotowanie rusztowania i inokulację komórek, zastosowanie i utrzymanie przepływu rozciągającego i ścinającego, pobieranie próbek i analizę. System ten może testować różne przeszczepy naczyniowe wykonane metodą inżynierii tkankowej (na przykład źródła syntetyczne lub naturalne, różne mikrostruktury, różną porowatość). Aby skutecznie oddzielić zastosowanie naprężeń ścinających i naprężeń, kluczowe koncepcje stosowane w bioreaktorze są następujące. Po pierwsze, naprężenie ścinające i kontrola rozciągania są rozdzielane za pomocą różnych systemów pomp. Po drugie, rusztowania są stymulowane w sposób wewnętrzny-na zewnątrz za pomocą wymiarów sterowanych obliczeniowo. Przepływ jest doprowadzany do zewnętrznej powierzchni rusztowania rurowego za pomocą pompy przepływowej, podczas gdy rurka silikonowa jest rozszerzana za pomocą oddzielnej pompy naprężającej, a napięcie obwodowe podpory jest rozszerzane za pomocą oddzielnej pompy odkształcającej. Metoda ta może być również stosowana do dużej liczby analiz dotyczących budowy naczyń krwionośnych. Wyniki wskazują na unikalny wpływ różnych kombinacji ścinania i naprężenia na wzrost i przebudowę struktury przeszczepu naczyniowego (TEVG). Informacje uzyskane dzięki gromadzeniu danych za pomocą platformy in vitro są pomocne w optymalizacji nowo opracowanych parametrów projektowych dla TEVG in situ.
Kontrolę postawy i równowagi można podzielić na stany statyczne i dynamiczne 24,25,26,27. Wśród nich zdolność równowagi dynamicznej odnosi się do zdolności ciała do kontrolowania i dostosowywania środka ciężkości ciała i postawy w ruchu28. Z punktu widzenia biomechaniki sportowej głównym ciałem odpowiedzialnym za utrzymanie równowagi dynamicznej jest staw skokowy kończyn dolnych. Gdyby staw biodrowy był głównym ciałem do utrzymywania równowagi, łatwo byłoby upaść. Zhou i wsp.29 analizują zmiany w biomechanice kończyn dolnych na zakończenie chodu spowodowane nieoczekiwanym bodźcem. System analizy ruchu i platforma nacisku podeszwowego służą do zbierania danych o ruchu kończyn dolnych in situ. Metoda ta może być stosowana w badaniach biomechaniki, systemach wirtualnej rzeczywistości, zdalnym sterowaniu robotami, produkcji animacji, treningu sportowym, badaniach ergonomii, grach interaktywnych itp.
Przewlekła niestabilność stawu skokowego (CAI) jest jednym z najczęstszych urazów sportowych, charakteryzującym się uporczywym bólem i obrzękiem stawu skokowego, ustępowaniem stawu skokowego oraz zgłaszaną przez siebie niepełnosprawnością, co poważnie wpływa na stabilność postawy ciała pacjentów30,31. CAI można poprawić poprzez kinesiology taping. Yin i wsp.32 analizują wpływ wzroku, propriocepcji i czucia przedsionkowego w utrzymanie stabilności postawy za pomocą komputerowej dynamicznej posturografii. Przeprowadzono i zmierzono testy organizacji sensorycznej (SOT), postawy jednostronnej (US), granicy stabilności (LOS), testu kontroli motorycznej (MCT) i testów adaptacyjnych (ADT). Pomiary te dostarczają nowej metody obserwacji procesu koordynacji trzech systemów sensorycznych i regulacji aktywacji mięśni w celu utrzymania stabilności postawy.
W połączeniu z multidyscyplinarnymi, kompleksowymi badaniami, zaawansowany sprzęt i metody pomiarowe sprzyjają rozwojowi i ewolucji biomateriałów i biomechaniki. Chociaż w niniejszym artykule omówiono różne metody testowania, konieczne jest zintegrowanie różnych metod i pomysłów badawczych z różnych dziedzin jako interdyscyplinarnego i kompleksowego kierunku badawczego w celu przyspieszenia badań nad biomateriałami i biomechaniką oraz promowania komunikacji między naukowcami z różnych dziedzin.