Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania
December 13th, 2016
Biomechanika tkanek jest ważna dla utrzymania kształtu i funkcji komórki oraz dla określenia fenotypu. W niniejszym raporcie przedstawiono nieniszczące protokoły mechaniczne do charakteryzowania elastycznych i lepkosprężystych właściwości ludzkich tkanek miękkich, które można bezpośrednio zastosować do podłoży inżynierii tkankowej, aby umożliwić ścisłe dopasowanie materiałów inżynieryjnych do tkanek natywnych.
Ogólnym celem tej techniki jest wykorzystanie prób wgniatania i rozciągania w celu scharakteryzowania właściwości mechanicznych ludzkich tkanek miękkich. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii tkankowej, takie jak to, jak sztywny powinien być implant, aby zastąpić uszkodzony lub uszkodzony narząd ludzki. Główną zaletą tych technik jest to, że są nieniszczące i proste do wdrożenia.
Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł tej metody, gdy projektowaliśmy syntetyczne implanty do uszu i nosa i zastanawialiśmy się, jak sztywny powinien być materiał. Ogólnie rzecz biorąc, osoby, które dopiero zaczynają korzystać z tej metody, będą miały trudności z nieprawidłowym przygotowaniem próbki i trudnościami w prawidłowym skonfigurowaniu testów. Na początek należy pobrać próbkę skóry lub innej tkanki od pacjentów, którzy wyrazili zgodę na zabiegi chirurgiczne, lub od ciał zwłok, które wyraziły zgodę na cele badawcze.
Umieść próbkę skóry na szalce Petriego i przykryj ją PBS, aby tkanka była wilgotna. Użyj ostrza skalpela i kleszczy, aby ręcznie wypreparować tkankę tłuszczową i cienką warstwę głębokiej skóry właściwej z próbki. Pokrój powstały arkusz podzielonej skóry na paski o wymiarach jeden na pięć centymetrów.
Następnie wyrzuć zużyte ostrza skalpela do kosza na ostre przedmioty. Na koniec użyj suwmiarki, aby zmierzyć grubość skóry. Grubość będzie również musiała zostać zmierzona po testach mechanicznych.
Próbki skóry należy badać w jednoosiowym napięciu za pomocą skalibrowanej maszyny do badania materiałów w temperaturze pokojowej. Zacznij od ułożenia próbek skóry tak, aby naturalna orientacja włókien kolagenowych była w tym samym kierunku, zgodnie z liniami Langera. Następnie załaduj próbkę do uchwytów, tak aby kierunek przyłożonej siły był albo zgodny z liniami Langera, albo prostopadły do nich.
Unieruchomić próbkę, zaciskając palcami uchwyty tak, aby około 0,5 centymetra próbki zostało umieszczone w każdym uchwycie. Upewnij się, że jeden z uchwytów maszyny wytrzymałościowej jest przymocowany do odpowiedniego ogniwa obciążnikowego, a drugi do nieruchomej płyty podstawy. Po zabezpieczeniu przykryj obszar próbki z obu stron wazeliną, aby zapobiec wysuszeniu próbki.
Teraz zaprogramuj w oprogramowaniu reżim testowania obciążenia rozciągającego i relaksacji tak, aby próbka była ładowana z prędkością jednego milimetra na sekundę, do naprężenia 29,42 niutonów. Gdy tkanka osiągnie napięcie 29,42 niutonów, ustaw program tak, aby utrzymywał stałe przemieszczenie przez półtorej godziny, aby umożliwić tkance rozluźnienie się, kontynuując monitorowanie zmiany napięcia. Po zakończeniu ponownie użyj suwmiarki, aby zmierzyć grubość próbki.
Po pobraniu próbki chrząstki od osoby, która wyraziła na to zgodę, umieść ją na szalce Petriego i przykryj PBS. Użyj ostrza skalpela i kleszczy, aby usunąć skórę i powięź z próbki. Następnie pokrój próbki chrząstki na 1,5 centymetra kwadraty.
Po przecięciu zmierz grubość chrząstki, która ma być obciążona, za pomocą suwmiarki. Ostateczna wielkość próbki powinna być co najmniej osiem razy większa niż średnica wgłębnika. Wyśrodkuj próbkę chrząstki pod wgłębnikiem na dużej nieprzepuszczalnej podstawie i ustaw ją tak, aby powierzchnia była prostopadła do wgłębnika.
Dzięki temu kompresja może być jednoosiowa i ogranicza wszelkie prześwity. Następnie przykryj chrząstkę PBS i utrzymuj próbkę nawodnioną przez cały czas trwania testu. Zaprogramuj w oprogramowaniu reżim testowania obciążenia ściskającego i relaksacji, tak aby próbka była ładowana z prędkością jednego milimetra na sekundę do siły ściskającej 2,94 niutonów.
Po osiągnięciu obciążenia 2,94 niutona utrzymuj wgłębnik w tej samej pozycji i pozwól chrząstce rozluźnić się przez 15 minut. Po zakończeniu zwolnij próbkę i ponownie zmierz grubość próbki. Aby ocenić lepkosprężystość tkanki skórnej po próbie rozciągania, wszystkie wartości na wykresie naprężenia i odkształcenia są uwzględniane w obliczeniach modułu Younga, aż do momentu, gdy dopasowanie krzywej liniowej będzie miało minimalną wartość R wynoszącą 0,98.
Wykres stresu w funkcji czasu służy do oceny właściwości relaksacyjnych skóry. Szybkość relaksacji jest obliczana na podstawie ostatnich 200 sekund zebranych danych, co dla tej próbki wynosi 3,1 razy dziesięć do pięciu megapaskali na sekundę. Pokazany tutaj wykres to przykłady danych dotyczących naprężeń w funkcji odkształceń, przedstawiające wyniki testów wgnieceń na ludzkiej chrząstce.
Podobnie jak w przypadku obliczenia modułu Younga dla próbki skóry, wartości na końcu krzywej są używane dla chrząstki, o ile mieszczą się w minimalnej wartości R wynoszącej 0,98. Chrząstka ma szybkość relaksacji 8,78 razy dziesięć do minus sześciu megapaskali na sekundę i absolutny końcowy poziom relaksu 0,028 megapaskali na sekundę. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu siedmiu godzin, jeśli zostanie wykonana prawidłowo.
Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o powtarzalnym protokole sekcji i wymiarach próbki. Po tej procedurze można uformować inne metody, takie jak obciążenie cykliczne, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, takie jak to, jak zachowują się tkanki pod wpływem obciążeń fizjologicznych, dynamicznych. Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się biomechaniką do badań nad wykorzystaniem tej nieniszczącej techniki do nieinwazyjnych testów mechanicznych in vivo.
Nie zapominaj, że praca z tkankami ludzkimi może być bardzo niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze zachować środki ostrożności, takie jak rękawiczki.
Przegląd
To raport przedstawia nieniszczące protokoły mechaniczne do charakteryzacji elastycznych i plastyczno-elastycznych właściwości ludzkich tkanek miękkich. Opisane metody mogą być zastosowane do podłoży inżynierii tkankowej, umożliwiając dokładne dopasowanie między materiałami inżynieryjnymi a rodzimymi tkankami.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Biomechanika
- Inżynieria tkankowa
- Testowanie mechaniczne
Tło
- Biomechanika tkanek jest kluczowa dla utrzymania kształtu i funkcji komórek.
- Zrozumienie właściwości tkanek pomaga w projektowaniu implantów do zastępowania narządów.
- Nieniszczące metody testowania są preferowane do oceny mechaniki tkanek.
- Przygotowanie próbek jest krytyczne dla dokładnych wyników testów.
Cel badania
- Charakteryzowanie właściwości mechanicznych ludzkich tkanek miękkich za pomocą testów wciskania i rozciągania.
- Określenie optymalnej sztywności dla inżynieryjnych implantów tkankowych.
- Dostarczenie powtarzalnego protokołu dla badaczy z zakresu biomechaniki.
Stosowane metody
- Testy wciskania i rozciągania próbek skóry i chrząstki.
- Przygotowanie próbek z dysekcji i hydratacji za pomocą PBS.
- Pomiar grubości tkanek przed i po teście.
- Analiza danych dla modułu Younga i właściwości relaksacyjnych.
Główne wyniki
- Pomyślna charakteryzacja plastyczno-elastycznych właściwości skóry i chrząstki.
- Określenie szybkości relaksacji dla obu rodzajów tkanek.
- Ustanowienie powtarzalnego protokołu dysekcji do przygotowania próbek.
- Wgląd w sposób, w jaki tkanki zachowują się pod fizjologicznym obciążeniem.
Wnioski
- Ta technika pozwala na nieinwazyjne testowanie mechaniczne ludzkich tkanek.
- Dostarcza cennych danych do rozwoju inżynieryjnych implantów tkankowych.
- Środki ostrożności są istotne podczas obsługi ludzkich tkanek.
Często zadawane pytania
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.
