Name: Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 7 s
Description: Poznaj metody wgnieceń i rozciągania do charakterystyki biomechanicznej ludzkich tkanek miękkich. Technika ta umożliwia nieinwazyjne testowanie właściwości sprężystych i lepkosprężystych skóry oraz chrząstki.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Chcielibyśmy podziękować za fundusze od Medical Research Council i Action Medical Research, które zapewniły MG stypendium kliniczne, GN 2339, na prowadzenie tej pracy.

Ten protokół jest zgodny z etycznymi wytycznymi komitetu etyki badań na ludziach naszej instytucji w sprawie używania, przechowywania i usuwania tkanek ludzkich. Próbki tkanek ludzkich mogą być wycinane ze zwłok, które uzyskały zgodę do celów badawczych z odpowiednimi zezwoleniami etycznymi. Próbki mogą być również odrzucane tkanki od pacjentów, którzy wyrazili zgodę na zabiegi chirurgiczne, z odpowiednią aprobatą etyczną.
1. Przygotowanie skóry
<ol>
	<li>Przygotuj próbki, ręcznie wycinając tkankę tłuszczową i cienką warstwę głębokiej skóry właściwej za pomocą ostrza skalpela i kleszczy. Ten etap jest ważny dla zapewnienia spójności między próbkami14.</li>
	<li>Pociąć otrzymany arkusz skóry o podzielonej grubości na próbkę o znormalizowanej wielkości (np. próbki 1 cm × 5 cm). Określić rozmiar próbki na podstawie wymiarów aparatury badawczej. Jeżeli badany jest również konstrukt wykonany metodą inżynierii tkankowej, wielkość próbki powinna być odpowiednia do materiału będącego przedmiotem zainteresowania14. Wyrzuć ostrza skalpela do odpowiednich pojemników na ostre przedmioty.</li>
	<li>Aby umożliwić wykonanie obliczeń mechanicznych, należy zmierzyć grubość badanej skóry za pomocą suwmiarki elektronicznej przed i po testach mechanicznych.</li>
</ol>
2. Próba rozciągania
UWAGA: Wszystkie maszyny do testowania materiałów powinny być skalibrowane zgodnie z wytycznymi producenta przed testowaniem.
<ol>
	<li>Próbki skóry należy badać przy jednoosiowym naprężeniu za pomocą maszyny do badania materiałów (rysunek 2A) w temperaturze pokojowej (22 °C)14.</li>
	<li>Próbki skóry należy ustawić w tym samym kierunku dla wszystkich próbek (np. prostopadle lub w linii z liniami Langera (linie topologiczne narysowane na mapie ciała ludzkiego i odnoszące się do naturalnej orientacji włókien kolagenowych w skórze właściwej))14.</li>
	<li>Unieruchomić próbkę między dwoma zaciskami (komercyjnym przyrządem), z których jeden jest przymocowany do ogniwa obciążnikowego 98,07 N, a drugi do nieruchomej płyty podstawy14. Wynikowa powierzchnia między zaciskami badanymi przy rozciąganiu jednoosiowym powinna wynosić 1 cm x 4 cm (rysunek 2). 
	UWAGA: Zastosowano komercyjny przyrząd, aby uniknąć nierównomiernego chwytania i uszkodzenia próbki przed badaniem. Próbka jest mocowana do szczelności "palcami".</li>
	<li>Przykryj obszar próbki (po umieszczeniu w aparacie) z obu stron wazeliną, aby zapobiec wysuszeniu próbki.</li>
	<li>Zaprogramuj reżim prób rozciągania i relaksacji w oprogramowaniu jako listę działań, w następujący sposób: Zerowe obciążenie | Pozycja zerowa | Znajdź kontakt (obciążenie rozciągające) | Czekaj (Relaks).</li>
	<li>Rozpocznij test za pomocą oprogramowania. Załadować próbkę pod napięciem do 29,42 N z prędkością 1 mm/s. Stosować szybkość i obciążenie, które nie powodują uszkodzenia skóry (np. 29,42 N przy 1 mm/s).</li>
	<li>Po osiągnięciu obciążenia 29,42 N, pozwól tkance zrelaksować się przez 1,5 godziny, w momencie, w którym następuje minimalna zmiana w zachowaniu relaksacyjnym, kontrolowanym przez oprogramowanie komputerowe14, 
	Uwaga: W fazie relaksacji utrzymywane jest stałe przemieszczenie, a nie obciążenie.</li>
	<li>Oblicz właściwości sprężyste i lepkosprężyste zgodnie ze wskazówkami w sekcji analiza. Badane właściwości mechaniczne będą reprezentować średnie właściwości składników skóry o podzielonej grubości (naskórka i skóry właściwej)14, 
	Uwaga: Nie ma zdefiniowanego obciążenia własnego, ponieważ z danych surowych jasno wynika, kiedy występuje odkształcenie, a zatem uwzględniane są tylko te punkty danych.</li>
</ol>
3. Przygotowanie chrząstki
<ol>
	<li>Usunąć skórę i powięź z próbki chrząstki za pomocą ostrza skalpela i kleszczyków15,16.</li>
	<li>Podziel próbki chrząstki na próbkę o standardowej wielkości (np. bloki 1,5 cm) za pomocą ostrza skalpela i kleszczy. Do wszystkich próbek należy użyć wgłębnika w kształcie półkolistego (rysunek 2B), którego średnica i grubość są co najmniej 8 razy większe niż rozmiar próbki chrząstki. Współczynnik ten zapewnia, że wgłębnik nie jest narażony na żadne efekty krawędziowe wynikające z przygotowania próbki15. Wyrzuć ostrza skalpela do odpowiednich pojemników na ostre przedmioty.</li>
	<li>Aby umożliwić wykonanie obliczeń mechanicznych, należy zmierzyć grubość chrząstki, która ma być obciążona, za pomocą suwmiarki elektronicznej przed i po badaniu mechanicznym15,16.</li>
</ol>
4. Testowanie wcięć kompresyjnych
<ol>
	<li>Ściskać próbki chrząstki za pomocą maszyny do badania materiałów w uwodnionym środowisku w temperaturze pokojowej. Przykryj próbkę chrząstki solą fizjologiczną buforowaną fosforanami (PBS) przed i w trakcie próby ściskania, aby upewnić się, że próbka jest uwodniona. 
	UWAGA: PBS nie do końca odpowiada środowisku fizjologicznemu, ale pozwala na równe porównanie zarówno materiałów, jak i tkanek15,16.</li>
	<li>Ustawić próbkę chrząstki tak, aby powierzchnia była prostopadła do wgłębnika. Pozwala to na ściskanie jednoosiowe i ogranicza wszelkie obciążenia ścinające15.</li>
	<li>Zaprogramuj reżim testowania obciążenia ściskającego i relaksacji w oprogramowaniu jako listę działań, w następujący sposób: Zerowe obciążenie | Pozycja zerowa | Znajdź kontakt (obciążenie ściskające) | Czekaj (Relaks).</li>
	<li>Rozpocznij test za pomocą oprogramowania. Załadować próbkę pod ściskaniem do 2,94 N przy 1 mm/s15,16, 
	UWAGA: Stwierdzono, że jest to obciążenie nieniszczące, które jest wystarczająco czułe, aby zidentyfikować zarówno elastyczne, jak i lepkosprężyste właściwości chrząstki15.</li>
	<li>Po osiągnięciu limitu 2,94-N pozwól chrząstce rozluźnić się przez 15 minut, w momencie, w którym następuje minimalna zmiana w zachowaniu relaksacyjnym, korzystając z oprogramowania komputerowego15,16. 
	UWAGA: Rysunek 2C-D przedstawia typową konfigurację do prób ściskania i rozciągania próbek tkanek ludzkich. Te same protokoły można następnie zastosować do syntetycznych biomateriałów, aby dopasować właściwości biomechaniczne do analizowanej tkanki natywnej. Na przykład rysunek 2E-F przedstawia próby ściskania i rozciągania tkanki ludzkiej, ściśle dopasowane do właściwości biomechanicznych materiału syntetycznego.</li>
</ol>
5. Obliczanie modułu sprężystości Younga dla prób wgnieceń i rozciągania
<ol>
	<li>Zbierz surowe dane, w tym czas (s), przemieszczenie (mm) i obciążenie (N) z urządzenia do testowania materiałów14-16.</li>
	<li>Obliczyć naprężenie (MPa) i odkształcenie (%), korzystając ze wzorów pokazanych na rysunku 3. 
	UWAGA: Jeśli podczas próby ściskania użyto wgłębnika półkulistego, podzielenie siły przez pole przekroju poprzecznego daje naprężenie nominalne (średnie), ale nie naprężenie szczytowe.</li>
	<li>Użyj liniowego wykresu punktowego, aby wykreślić naprężenie MPa (oś y) w stosunku do odkształcenia (oś x). Określ dopasowanie krzywej liniowej. Dopasowanie krzywej liniowej jest równe y = mx + b z odpowiednią wartością R. 
	UWAGA: Wszystkie punkty danych są uwzględniane, aby osiągnąć minimalną wartość R >0,98. Wartość m to nachylenie, które odpowiada modułowi naprężenia nad odkształceniem, wskazując na wytrzymałość na ściskanie lub wytrzymałość na rozciąganie w MPa (tj. Moduł Younga). Jeśli wartość R nie wynosi >0,98, to założenie charakterystyki liniowego zachowania lepkosprężystego jest nieprawidłowe.</li>
	<li>Aby określić właściwości lepkosprężyste, w których przepływ płynu pod wpływem odkształcenia osiągnął równowagę, oblicza się stosunek naprężeń w czasie w ciągu ostatnich 200 s testów mechanicznych do końcowego poziomu naprężenia na końcu eksperymentu. 
	UWAGA: Wraz z upływem czasu poziom stresu zmniejszy się (rozluźni), gdy przepływ płynu osiągnie równowagę17,18. Szybka reakcja stresowo-relaksacyjna wskazuje, że trudno jest utrzymać wysokie naprężenia w próbie 17,18.</li>
</ol>
6. Właściwości relaksacyjne
<ol>
	<li>Wykreśl naprężenie w MPa (oś y) w funkcji czasu w s (oś x) na liniowym wykresie punktowym.</li>
	<li>Określ dopasowanie krzywej liniowej, aby obliczyć szybkość relaksacji. Dopasowanie krzywej liniowej jest równe y = mx + b z odpowiednią wartością z ostatnich 200 s. Wartość m to szybkość relaksacji.</li>
	<li>Uwzględnij wszystkie punkty danych, aby uzyskać minimalną wartość R >0,98. Naprężenie końcowe (MPa) po 1,5 h dla skóry i 15 min dla chrząstki jest końcową bezwzględną wartością relaksacji.</li>
</ol>

<ol><li>Chan, B. P., Leong, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scaffolding+in+tissue+engineering%3A+general+approaches+and+tissue-specific+considerations%5BTitle%5D)+AND+%22Eur+Spine+J%22%5BJournal%5D)">Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations.</a> Eur Spine J. 17, 467-479 (2008).</li>
<li>Nimeskern, L., van Osch, G. J., Müller, R., Stok, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantitative+evaluation+of+mechanical+properties+in+tissue-engineered+auricular+cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Eng+Part+B+Rev%22%5BJournal%5D)">Quantitative evaluation of mechanical properties in tissue-engineered auricular cartilage.</a> Tissue Eng Part B Rev. 20, 17-27 (2014).</li>
<li>Shaida, A. M., Kenyon, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+nasal+valves%3A+changes+in+anatomy+and+physiology+in+normal+subjects%5BTitle%5D)+AND+%22Rhinology%22%5BJournal%5D)">The nasal valves: changes in anatomy and physiology in normal subjects.</a> Rhinology. 38, 7-12 (2000).</li>
<li>Ní Annaidh, A., Bruyère, K., Destrade, M., Gilchrist, M. D., Otténio, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+the+anisotropic+mechanical+properties+of+excised+human+skin%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Behav+Biomed+Mater%22%5BJournal%5D)">Characterization of the anisotropic mechanical properties of excised human skin.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 5, 139-148 (2012).</li>
<li>Ottenio, M., Tran, D., Ní Annaidh, A., Gilchrist, M. D., Bruyère, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+rate+and+anisotropy+effects+on+the+tensile+failure+characteristics+of+human+skin%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mech+Behav+Biomed+Mater%22%5BJournal%5D)">Strain rate and anisotropy effects on the tensile failure characteristics of human skin.</a> J Mech Behav Biomed Mater. 41, 241-250 (2015).</li>
<li>Silver, F. H., Freeman, J. W., DeVore, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Viscoelastic+properties+of+human+skin+and+processed+dermis%5BTitle%5D)+AND+%22Skin+Res+Technol%22%5BJournal%5D)">Viscoelastic properties of human skin and processed dermis.</a> Skin Res Technol. 7, 18-23 (2001).</li>
<li>Karimi, A., Navidbakhsh, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurement+of+the+uniaxial+mechanical+properties+of+rat+skin+using+different+stress-strain+definitions%5BTitle%5D)+AND+%22Skin+Res+Technol%22%5BJournal%5D)">Measurement of the uniaxial mechanical properties of rat skin using different stress-strain definitions.</a> Skin Res Technol. 21, 149-157 (2015).</li>
<li>Wilkes, G. L., Brown, I. A., Wildnauer, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+biomechanical+properties+of+skin%5BTitle%5D)+AND+%22CRC+Crit+Rev+Bioeng%22%5BJournal%5D)">The biomechanical properties of skin.</a> CRC Crit Rev Bioeng. 1, 453-495 (1973).</li>
<li>Hussain, S. H., Limthongkul, B., Humphreys, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+biomechanical+properties+of+the+skin%5BTitle%5D)+AND+%22Dermatol+Surg%22%5BJournal%5D)">The biomechanical properties of the skin.</a> Dermatol Surg. 39, 193-203 (2013).</li>
<li>Smith, C. D., Masouros, S., Hill, A. M., Wallace, A. L., Amis, A. A., Bull, M. J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+testing+of+intra-articular+tissues.+Relating+experiments+to+physiological+function%5BTitle%5D)+AND+%22Current+orthopaedics%22%5BJournal%5D)">Mechanical testing of intra-articular tissues. Relating experiments to physiological function.</a> Current orthopaedics. 22, 341-348 (2008).</li>
<li>Korhonen, R. K., S, S. aarakkala <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKorhonen%2C+RK+%22Biomechanics+and+Modeling+of+Skeletal+Soft+Tissues%2C+Theoretical+Biomechanics%22">Biomechanics and Modeling of Skeletal Soft Tissues, Theoretical Biomechanics</a>. Klika, V. , InTech. Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.intechopen.com/books/theoretical-biomechanics/biomechanics-and-modeling-of-skeletal-soft-tissues">http://www.intechopen.com/books/theoretical-biomechanics/biomechanics-and-modeling-of-skeletal-soft-tissues</a> (2011).</li>
<li>Lu, X. L., Mow, V. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomechanics+of+articular+cartilage+and+determination+of+material+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Sci+Sports+Exerc%22%5BJournal%5D)">Biomechanics of articular cartilage and determination of material properties.</a> Med Sci Sports Exerc. 40, 193-199 (2008).</li>
<li>Xia, Y., Zheng, S., Szarko, M., Lee, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anisotropic+Properties+of+Bovine+Nasal+Cartilage%5BTitle%5D)+AND+%22Micros+Res+Tech%22%5BJournal%5D)">Anisotropic Properties of Bovine Nasal Cartilage.</a> Micros Res Tech. 75, 300-306 (2012).</li>
<li>Wood, J. M., Soldin, M., Shaw, T. J., Szarko, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+biomechanical+and+histological+sequelae+of+common+skin+banking+methods%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">The biomechanical and histological sequelae of common skin banking methods.</a> J Biomech. 47, 1215-1219 (2014).</li>
<li>Griffin, M. F., Premakumar, Y., Seifalian, A. M., Szarko, M., Butler, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomechanical+characterisation+of+the+human+nasal+cartilages%3B+implications+for+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mater+Sci+Mater+Med%22%5BJournal%5D)">Biomechanical characterisation of the human nasal cartilages; implications for tissue engineering.</a> J Mater Sci Mater Med. 27, 11(2016).</li>
<li>Griffin, M. F., Premakumar, Y., Seifalian, A. M., Szarko, M., Butler, P. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomechanical+chacterisation+of+human+auricular+cartilages%3B+implications+for+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Annals+of+biomedical+Engineering%22%5BJournal%5D)">Biomechanical chacterisation of human auricular cartilages; implications for tissue engineering.</a> Annals of biomedical Engineering. , (2016).</li>
<li>Shrive, N. G., Frank, C. B. Articular Cartilage. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aShrive%2C+NG+%22Biomechanics+of+the+Musculo-Skeletal+System%22">Biomechanics of the Musculo-Skeletal System</a>. , Wiley & Sons. 86-106 (1999).</li>
<li>Fung, Y. C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFung%2C+YC+%22Biomechanics%3A+Mechanical+Properties+of+Living+Tissues%22">Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues</a>. 568, Springer. New York. (1993).</li>
<li>Hultkrantz, W. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHultkrantz%2C+W+%22Ueber+die+Spaltrichtungen+der+Gelenkknorpel.+Verhandlungen+der+Anatomischen+Gesellschaft%22">Ueber die Spaltrichtungen der Gelenkknorpel. Verhandlungen der Anatomischen Gesellschaft</a>. , (1898).</li>
<li>Cheng, S., Clarke, E. C., Bilston, L. E. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+effects+of+preconditioning+strain+on+measured+tissue+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Biomech%22%5BJournal%5D)">The effects of preconditioning strain on measured tissue properties.</a> Biomech. 42, 1360-1362 (2009).</li>
<li>Mow, V. C., Ratcliffe, A. Structure and Function of Articular Cartilage and Meniscus. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMow%2C+VC+%22Basic+Orthopaedic+Biomechanics%22">Basic Orthopaedic Biomechanics</a>. Mow, V. C., Hayes, W. C. , Lippincott-Raven. New York. 113-178 (1997).</li>
<li>Tavakol, K. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Proteoglycan+%26+Collagen+degrading+activities+of+neural+proteases+from+fresh+and+cryopreserved+articular+cartilage+explants+and+the+chondrocytes.+An+in+vitro+biochemical+study%22">Proteoglycan & Collagen degrading activities of neural proteases from fresh and cryopreserved articular cartilage explants and the chondrocytes. An in vitro biochemical study</a>. , University of Calgary. (1989).</li>
<li>Smeathers, J. E. Cartilage and Joints. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSmeathers%2C+JE+%22Biomechanics%3A+Materials%22">Biomechanics: Materials</a>. Vincent, J. F. V. , Oxford University Press. Oxford. 99-131 (1992).</li>
<li>Smith, C. L., Mansour, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Indentation+of+an+Osteochondral+Repair%3A+Sensitivity+to+Experimental+Variables+and+Boundary+Conditions%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomech%22%5BJournal%5D)">Indentation of an Osteochondral Repair: Sensitivity to Experimental Variables and Boundary Conditions.</a> J Biomech. 33, 1507-1511 (2000).</li>
<li>Niederauer, G. G., Niederauer, G. M., Cullen, L. C. Jr, Athanasiou, K. A., Thomas, J. B., Niederauer, M. Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Correlation+of+Cartilage+Stiffness+to+Thickness+and+Level+of+Degeneration+Using+a+Handheld+Indentation+Probe%5BTitle%5D)+AND+%22Ann+Biomed+Eng%22%5BJournal%5D)">Correlation of Cartilage Stiffness to Thickness and Level of Degeneration Using a Handheld Indentation Probe.</a> Ann Biomed Eng. 32, 352-359 (2004).</li>
<li>Ball, S. T., Amiel, A. D., Willaims, S. K., Tontz, W., Chen, A. C., Sah, R. L., Bugbee, W. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Effects+of+Storage+on+Fresh+Human+Osteochondral+Allografts%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Orthop+Relat+Res%22%5BJournal%5D)">The Effects of Storage on Fresh Human Osteochondral Allografts.</a> Clin Orthop Relat Res. 418, 246-252 (2004).</li>
<li>Park, S., Hung, C. T., Ateshian, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+response+of+bovine+articular+cartilage+under+dynamic+unconfined+compression+loading+at+physiological+stress+levels%5BTitle%5D)+AND+%22Osteoarthritis+Cartilage%22%5BJournal%5D)">Mechanical response of bovine articular cartilage under dynamic unconfined compression loading at physiological stress levels.</a> Osteoarthritis Cartilage. 12, 65-73 (2004).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do zadeklarowania.

Opublikowano kilka protokołów rozciągania i wgniatania w celu scharakteryzowania ludzkich tkanek miękkich. Przedstawiliśmy inną metodę, która ma być bardziej diagnostyczna i nieniszcząca. Próbki poddawane testom mechanicznym w tym protokole są ograniczone obciążeniem, a nie przemieszczeniem, ponieważ przetworniki są bardziej wrażliwe na obciążenie niż na przemieszczenie. W związku z tym reprodukcje eksperymentu mogą być bardziej precyzyjne w przypadku tkanek i materiałów syntetycznych. Korzystając z tej techniki, zademonstrowaliśmy protokół rozciągania do oceny tkanki skórnej oraz protokół wgłębienia do analizy tkanki chrzęstnej. Oba protokoły są łatwe i proste do wdrożenia i mogą być brane pod uwagę przy charakterystyce ludzkich tkanek miękkich i konstruktów inżynierii tkankowej.
Jednym z kluczowych etapów metodologii mającej na celu uzyskanie krzywej relaksacji naprężeń odpowiednich do analizy jest zapewnienie, że próbka nie ślizga się podczas badania. Wymagane jest odpowiednie mocowanie, ale musi być ono zrównoważone pod kątem powodowania jakichkolwiek naprężeń na próbkach i upewnienia się, że wgłębnik jest prostopadły do powierzchni, aby zapobiec obciążeniu ścinającemu. Bardzo ważne jest, aby skład, a także rozmiar i kształt tkanki były podobne między próbkami. W przypadku chrząstki ważne jest stosowanie powtarzalnego protokołu preparacji i wymiarów próbki. W przypadku próbek skóry konieczne jest usunięcie całej tkanki podskórnej w celu uzyskania powtarzalnej próbki. Ważne jest również, aby upewnić się, że dla wszystkich próbek warunki próbki są identyczne, w tym uwodnienie, temperatura pokojowa i proces rozmrażania, jeśli jest to właściwe.
Istnieją pewne ograniczenia dotyczące prezentowanych protokołów. Badania sugerują, że charakterystyka deformacji skóry i chrząstki zależy od orientacji próbki13. Już w XIXwieku uznano, że skóra jest anizotropowa, a Langer wykazał w 1861 roku, że skóra ma naturalne linie napięcia, określane jako linie Langera4. W związku z tym, podczas charakteryzowania próbek skóry, ważne jest, aby ustawić wszystkie próbki równolegle lub prostopadle do linii Langera, aby uniknąć wprowadzenia błędu metodologicznego4. Chrząstka wykazuje również właściwości anizotropowe i zawiera linie Hultkrantza, które są równoważne liniom Langera, więc chrząstka może odkształcać się w różny sposób w zależności od kierunku, w którym jest obciążona12,19. Dlatego ważne jest, aby zwiększyć wielkość próbki, aby umożliwić badanie chrząstki w różnych kierunkach. Ponieważ właściwości biomechaniczne tkanek różnią się również w zależności od wieku i płci, badania należy przeprowadzać na reprezentatywnej kohorcie pacjentów, aby zachować ważność w warunkach klinicznych. Ponadto niektóre protokoły mechaniczne zalecają kondycjonowanie wstępne, w którym tkanka jest poddawana cyklicznemu obciążeniu, aby zapewnić, że tkanka jest w stanie stabilnym do późniejszych testów mechanicznych20. Jednak dokładny mechanizm kondycjonowania wstępnego jest niejasny, a dokładna liczba cykli potrzebnych do uzyskania spójnej i powtarzalnej odpowiedzi różni się w różnych badaniach20. Badacz powinien rozważyć, czy włączyć kondycjonowanie wstępne po ocenie powodu przeprowadzenia określonego testu biomechanicznego20.
Skóra jest złożonym, wielowarstwowym materiałem, podzielonym na trzy główne warstwy: naskórek, skórę właściwą i tkankę podskórną4. Właściwości mechaniczne tkanki skórnej zostały niedawno ocenione za pomocą ocen in vivo 4. Jednak protokoły prób rozciągania mogą być wykorzystane do zrozumienia biomechaniki skóry wyciętej skóry4. Takie testy mogą dostarczyć informacji do modelowania zależności naprężenie-odkształcenie, ponieważ warunki brzegowe można zdefiniować4. Zazwyczaj w systemach badań in vitro wykorzystuje się wysokie odkształcenia w celu scharakteryzowania materiału do uszkodzenia, podczas gdy systemy in vivo wykorzystują niskie zakresy odkształceń4. Porównując wartości biomechaniczne dla wyciętej skóry w napięciu, istnieje duża zmienność między różnymi badaniami, w zakresie od 2,9 do 150 MPa4. Oczekuje się, że duże różnice między osobami będą wynikać z naturalnej zmienności biologicznej, ale różnice w reżimach protokołów mogą również potęgować te naturalne różnice biologiczne. Na przykład różnice w szybkościach ładowania między protokołami będą powodować różnice, ponieważ większe szybkości ładowania powodują krótszy czas na wypływ płynu, co skutkuje większą sztywnością. Protokoły przygotowania, wycinania i obchodzenia się z tkanką skórną również spowodują różnice we właściwościach mechanicznych4. Ten protokół zademonstrowany do badania skóry stanowi alternatywną metodę dla badaczy do charakteryzowania tkanki skórnej. Ma kilka zalet, w tym możliwość identyfikacji właściwości elastycznych i lepkosprężystych tkanki skórnej w jednym teście mechanicznym, co pozwala na lepsze zrozumienie skóry w krótkim czasie. Co więcej, ten sam test można zastosować do zamienników inżynierii tkankowej w celu wytworzenia konstruktów o podobnych właściwościach biomechanicznych jak skóra rodzima.
Próba wgniecenia stanowi atrakcyjną opcję w porównaniu z testami ograniczonej kompresji w celu zrozumienia biomechaniki chrząstki21. Wgłębienie ma zdolność zachowania fizjologicznej struktury chrząstki, a tym samym zapewnia wartości, które naśladują te z otoczenia klinicznego. Za pomocą wgłębienia możliwe jest również przetestowanie chrząstki, gdy jest ona nadal przyczepiona do leżącej poniżej kości. Wgłębienie pozwala również na fizjologiczne badanie chrząstki jak in vivo. Gdy dwie powierzchnie chrząstki zbliżają się do siebie, krawędzie otaczające obszar kontaktu "wybrzuszają się" z powodu przemieszczenia wody pod powierzchnią styku na boki po odkształceniu ściskającym17,21. Wgłębienie chrząstki należy przeprowadzić za pomocą wgłębnika o mniejszym promieniu niż próbka chrząstki, aby umożliwić podobne wybrzuszenie. Wielkość wgłębnika powinna być również co najmniej 8 razy większa od wielkości próbki, aby zapewnić, że chrząstka reaguje tak, jakby była częścią próbki nieokreślonej22. Użycie wgłębnika znacznie mniejszego niż promień średnicy próbki eliminuje wszelkie efekty krawędzi występujące podczas tworzenia próbki. Ponadto wgłębienie pozwala uniknąć ewentualnych błędów eksperymentalnych spowodowanych badaniem wad chrząstki uszkodzonych w wyniku ekstrakcji próbki. Wgłębienie nie wymaga również głębokiego przygotowania próbki, takiego jak ciasna kompresja, co pozwala na badanie małych, cienkich kawałków chrząstki17,21. Ponadto nieniszcząca metoda wgłębiania oznacza, że ma ona potencjalne zastosowanie w warunkach klinicznych jako narzędzie diagnostyczne po przeprowadzeniu badań walidacyjnych i weryfikacyjnych.
Istnieją kluczowe założenia dotyczące wcięć, które użytkownik musi zapewnić, aby uzyskać odpowiednie wyniki. Krytyczny warunek brzegowy w obciążeniu wgłębieniem wymaga stałego kontaktu między wgłębnikiem a powierzchnią chrząstki (tj. aby powierzchnia nie odkształcała się od wgłębnika)23,24. Obciążenie wgłębieniem obejmuje również założony warunek brzegowy, że kontakt między powierzchnią chrząstki a wgłębnikiem jest nieniszczący (tj. wgłębnik styka się z powierzchnią, ale nie przechodzi przez powierzchnię; powierzchnia chrząstki nie powinna ulec uszkodzeniu pod wgłębnikiem)25-26. Badania wykazały, że ten warunek brzegowy można zweryfikować za pomocą tuszu indyjskiego, który po nałożeniu na powierzchnię chrząstki zabarwi uszkodzone obszary25,26. Kolejny warunek brzegowy zakłada, że wgłębnik ściska chrząstkę prostopadle do powierzchni próbki. Prostopadła orientacja ściskania jest ważnym warunkiem brzegowym, ponieważ ściskanie pod kątem, zwłaszcza przy użyciu obciążenia cyklicznego, może powodować poślizg, który może powodować ścinanie elementów i zmianę obciążenia mechanicznego. Ten warunek można zapewnić poprzez staranne ustawienie sprzętu testowego.
Po tym, jak podsumowane protokoły zostaną zoptymalizowane pod kątem tkanki miękkiej będącej przedmiotem zainteresowania, przydatne byłoby, aby naukowcy przyjrzeli się dynamicznym testom tkanki będącej przedmiotem zainteresowania. Odpowiednie cykliczne obciążanie próbek powinno naśladować normalne fizjologiczne granice i zachowanie, takie jak naśladowanie chodzenia lub innych powtarzających się ruchów27. Podsumowując, raport ten przedstawia proste protokoły testów mechanicznych do oceny tkanek ludzkich. Wdrożenie tych protokołów dostarczy kluczowych informacji na temat charakterystyki biomechanicznej tkanek, umożliwiając konstruktom inżynierii tkankowej lepsze naśladowanie tkanki natywnej.

Pacjenci coraz częściej czekają na różne przeszczepy narządów, które leczą uszkodzone lub niewydolne lub uszkodzone narządy. Jednak ze względu na niedobór odpowiednich narządów dawców, medycyna regeneracyjna ma na celu stworzenie alternatywnych rozwiązań dla pacjentów ze schyłkową niewydolnością narządów. Medycyna regeneracyjna ma na celu zaspokojenie tej potrzeby klinicznej poprzez inżynierię materiałów, które działają jako substytuty tkanek, w tym tkanek miękkich, takich jak chrząstki i skóra. Aby stworzyć udany materiał do odbudowy uszkodzonych tkanek, materiał zastępczy powinien naśladować właściwości natywnej tkanki, którą ma zastąpić1-2. Po chirurgicznym wszczepieniu materiał będzie musiał nadać anatomiczny kształt ubytkowi tkanki, a zatem właściwości mechaniczne materiału mają kluczowe znaczenie1. Na przykład materiał zastępujący chrząstkę uszną powinien mieć odpowiednie właściwości mechaniczne, aby zapobiec uciskowi przez leżącą nad nim skórę2. Podobnie materiał, który ma zastąpić chrząstkę nosową, będzie musiał mieć odpowiednie właściwości mechaniczne, aby zapobiec zapadaniu się podczas oddychania3. Jednak pomimo znaczenia właściwości mechanicznych przy wytwarzaniu materiałów do implantacji, niewiele dowodów koncentruje się na charakterystyce właściwości mechanicznych różnych tkanek ludzkich.
Schematy testów mechanicznych mogą być używane do ustalenia właściwości tkanki przy ściskaniu, rozciąganiu, zginaniu lub ścinaniu. Skóra jest wysoce anizotropowym, lepkosprężystym i prawie nieściśliwym materiałem4-9. Powszechnie wycinana skóra jest badana przy użyciu jednoosiowych metod rozciągania, w których odpowiednio ukształtowany pasek skóry jest chwytany na obu końcach i rozciągany, podczas gdy obciążenie i wydłużenie są rejestrowanew skali 4-9.
Ponieważ głównym składnikiem wszystkich tkanek miękkich jest woda śródmiąższowa, mechaniczna reakcja chrząstki jest silnie związana z przepływem płynu przez tkankę10-11. Tkanki miękkie, takie jak chrząstki, były tradycyjnie testowane za pomocą testów kompresji. Metody testowania kompresji są dość zróżnicowane, przy czym najbardziej rozpowszechnione są ograniczone, nieograniczone i wcięcia (rysunek 1). W ramach zamkniętego ucisku próbkę chrząstki umieszcza się w nieprzepuszczalnej, wypełnionej płynem studzience i umieszcza przez porowatą płytkę. Ponieważ studnia jest nieporowata, przepływ przez chrząstkę odbywa się w kierunku pionowym12-13. W przypadku nieograniczonego ucisku chrząstka jest ładowana za pomocą nieporowatej płytki na nieporowatą komorę, zmuszając przepływ płynu do przeważnie promieniowego12-13. Wgłębienie jest najczęściej stosowaną metodą oceny właściwości biomechanicznych chrząstki12-13. Składa się z wgłębnika, mniejszego niż powierzchnia badanej próbki, który jest sprowadzony na próbkę. Wgniecenie ma wiele zalet w porównaniu z innymi metodami kompresji, w tym fakt, że wgniecenie można wykonać in situ, dzięki czemu test jest bardziej fizjologiczny (Rysunek 1)12-13.
Aby zrozumieć właściwości tkanki na ściskanie i rozciąganie, moduł sprężystości Younga jest zazwyczaj obliczany poprzez analizę liniowej części krzywej naprężenie-odkształcenie, wskazując na odporność sprężystości na ściskanie lub rozciąganie, niezależnie od wielkości próbki12. Zarówno reżimy prób rozciągania, jak i ściskania mogą się różnić w zależności od przyłożonego obciążenia lub odkształcenia oraz szybkości obu tych parametrów. Obecnie istnieje wiele różnych protokołów badawczych do oceny mechaniki tkanek, co sprawia, że niezwykle trudno jest interpretować lub porównywać wyniki różnych badań6-13. Ponadto wiele metod mechanicznych koncentruje się obecnie na charakterystyce właściwości mechanicznych tkanki poprzez badanie próbki pod kątem zniszczenia. Naszym celem jest zademonstrowanie protokołu wgłębiania i rozciągania, który zapewnia bezpośrednie, nieniszczące porównanie ludzkich tkanek miękkich i konstruktów inżynierii tkankowej.
Pokazujemy metodę, która ogranicza testy mechaniczne do naprężeń, a jednocześnie uzyskuje moduł sprężystości Younga przy ściskaniu i rozciąganiu. Próbka jest naprężana pod wpływem rozciągania lub ściskania do określonej wartości, a po osiągnięciu wybranej wartości naprężenia próbka może się rozluźnić, podczas gdy wszystkie dane są rejestrowane. Metoda ta pozwala uchwycić zarówno właściwości lepkosprężyste, jak i relaksacyjne tkanki w ramach tego samego testu, który można zastosować bezpośrednio do materiału syntetycznego. Zastosowaliśmy protokół wgłębienia do oceny ludzkich tkanek miękkich, w tym skóry i chrząstek14-16. Chrząstka jest oceniana za pomocą testu wgłębienia, a skóra jest oceniana za pomocą próby rozciągania14-16. Naukowcy, których celem jest opracowanie materiałów o właściwościach podobnych do ludzkich tkanek miękkich, mogą rozważyć wdrożenie tych protokołów.

<table><tbody><tr><td>Suwmiarka z noniuszem cyfrowym</td><td>Mart</td><td>40218046</td><td>Suwmiarka z noniuszem cyfrowym służy do pomiaru grubości próbki.&nbsp;</td></tr><tr><td>Kąpiel wodna&nbsp;</td><td>Cole Parmer</td><td>UY-12504-94</td><td>Cyfrowy uchwyt na termos do kąpieli wodnej StableTemp służy do rozmrażania próbek tkanek, jeśli są zamrożone.&nbsp;</td></tr><tr><td>Maszyna do badania materiałów Mach-1</td><td>Biomomentum&nbsp;</td>Mechaniczna maszyna testująca <td>V500c</td><td>służy do testowania właściwości mechanicznych tkanek.</td></tr><tr><td>Ostrze skalpela&nbsp;</td><td>VWR</td><td>233-5335</td><td>Ostrza skalpela służące do cięcia i preparowania tkanek.&nbsp;</td></tr><tr><td>Kleszcze&nbsp;</td><td>VWR</td><td>470007-554</td><td>Kleszcze używane do preparowania tkanek.&nbsp;</td></tr><tr><td>Sól fizjologiczna buforowana fosforanami (PBS) pH 7,2</td><td>Life Technologies&nbsp;</td><td>20012019</td><td>PBS służy do napowietrzania próbek tkanek&nbsp;</td></tr></tbody></table>

charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania

Biomechanical Characterization of Human Soft Tissues Using Indentation and Tensile Testing

Medycyna regeneracyjna ma na celu inżynierię materiałów do zastępowania lub przywracania uszkodzonych lub chorych narządów. Właściwości mechaniczne takich materiałów powinny naśladować tkanki ludzkie, które mają zastąpić; Aby zapewnić wymagany kształt anatomiczny, materiały muszą być w stanie wytrzymać siły mechaniczne, których doświadczą po wszczepieniu w miejsce ubytku. Chociaż właściwości mechaniczne rusztowań inżynierii tkankowej mają ogromne znaczenie, wiele tkanek ludzkich, które są poddawane odbudowie za pomocą materiałów inżynieryjnych, nie zostało w pełni scharakteryzowanych biomechanicznie. Opisano kilka protokołów ściskania i rozciągania do oceny materiałów, ale przy dużej zmienności trudno jest porównać wyniki między badaniami. Dodatkowym utrudnieniem badań jest często destrukcyjny charakter testów mechanicznych. Chociaż zrozumienie uszkodzenia tkanek jest ważne, ważne jest również, aby mieć wiedzę na temat właściwości elastycznych i lepkosprężystych w bardziej fizjologicznych warunkach obciążenia.
Ten raport ma na celu dostarczenie minimalnie destrukcyjnego protokołu do oceny właściwości ściskania i rozciągania tkanek miękkich człowieka. Jako przykłady tej techniki opisano próbę rozciągania skóry oraz próbę ściskania chrząstki. Protokoły te można również bezpośrednio zastosować do materiałów syntetycznych, aby zapewnić, że właściwości mechaniczne są podobne do tkanki natywnej. Protokoły oceny właściwości mechanicznych rodzimej tkanki ludzkiej pozwolą na stworzenie odpowiednich substytutów inżynierii tkankowej.

Rysunki 4 i 5 przedstawiają przykłady danych uzyskanych za pomocą testów wgniatania i rozciągania. Rysunek 4 demonstruje typowe wartości uzyskane po teście wgniatania chrząstki ludzkiej. Rysunek 4A stanowi przykład typowego wykresu zależności odkształcenia od naprężenia uzyskanego po teście wgniatania. Aby wyznaczyć moduł Younga, uwzględnia się wszystkie wartości do momentu, w którym dopasowanie krzywej liniowej osiągnie minimalną wartość R równą 0,98 (Rysunek 4B). Wartość m jest wskaźnikiem modułu Younga wyrażonym w MPa; na przykład w tych danych chrząstka posiada moduł wynoszący 1,76 MPa. Rysunek 4C przedstawia typowy wykres zależności naprężenia od czasu służący do oceny właściwości relaksacyjnych chrząstki. Szybkość relaksacji jest obliczana z ostatnich 200 s. Podobnie, aby uzyskać szybkość relaksacji, wykorzystuje się wartość m dopasowania krzywej liniowej w MPa. Na przykład w tych danych chrząstka wykazuje szybkość relaksacji wynoszącą 8,78 x 10-6 MPa/s (Rysunek 4D). Bezwzględny końcowy poziom relaksacji to ostatnia wartość naprężenia w MPa. Na przykład w tym zestawie danych bezwzględny końcowy poziom relaksacji wynosiłby 0,028 MPa (Rysunek 4D).
Rysunek 5 przedstawia sposób oceny lepkosprężystości tkanki skóry po badaniu rozciągania. Analizę przeprowadza się analogicznie do badania ściskania. Rysunek 5A prezentuje typowy wykres odkształcenia w funkcji naprężenia uzyskany zgodnie z protokołem badania rozciągania. Aby wyznaczyć moduł Younga w rozciąganiu, uwzględnia się wszystkie wartości, dopóki dopasowanie krzywej liniowej posiada minimalną wartość R wynoszącą 0,98 (Rysunek 5B). Wartość m jest wskaźnikiem modułu Younga wyrażonym w MPa; na przykład w tych danych skóra ma moduł wynoszący 0,62 MPa. Rysunek 5C przedstawia typowy wykres naprężenia w funkcji czasu służący do oceny właściwości relaksacyjnych skóry. Szybkość relaksacji oblicza się z ostatnich 200 s. Podobnie, aby uzyskać szybkość relaksacji, wykorzystuje się wartość m dopasowania krzywej liniowej wyrażoną w MPa. Na przykład w tych danych skóra wykazuje szybkość relaksacji wynoszącą 3,1 x 10-5 MPa/s (Rysunek 5D). Bezwzględny końcowy poziom relaksacji to ostatni punkt naprężenia w MPa. Na przykład w tym zestawie danych poziom ten wynosiłby 0,64 MPa (Rysunek 5D). Tę samą analizę można następnie wykorzystać do badania biomateriałów w warunkach ściskania i rozciągania, aby dopasować ich właściwości biomechaniczne do tkanki natywnej.
<img alt="Schemat metod wciskania i kompresji; wciskanie, kompresja ograniczona i nieograniczona w badaniu materiałów." src="/files/ftp_upload/54872/54872fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Schemat ilustrujący różne metodologie kompresji. A. Test wciskania. Obciążenie jest przyłożone do małego obszaru chrząstki za pomocą nieporowatego wgłębnika. B. Kompresja ograniczona. Próbka chrząstki jest umieszczona w nieprzepuszczalnej studni wypełnionej cieczą. Następnie chrząstka jest obciążana poprzez płytkę porowatą. Ponieważ studnia jest nieprzepuszczalna, przepływ przez chrząstkę odbywa się wyłącznie w kierunku pionowym. C. Kompresja nieograniczona. Chrząstka jest obciążana za pomocą nieporowatej płytki na nieporowatej komorze, co wymusza przepływ cieczy głównie w kierunku radialnym.
<img alt="Układ do testów biomechanicznych z próbami ściskania próbek tkanek, przedstawiający ogniwo obciążnika i mocowania." src="/files/ftp_upload/54872/54872fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Konfiguracja maszyny do badań mechanicznych. A. Ilustracja maszyny testowej. B. Ilustracja wkluwacza stosowanego w analizie testów ściskania. C. Chrząstka analizowana za pomocą testu wkluwania przy ściskaniu. D. Tkanka skóry analizowana podczas testu rozciągania. E. Test rozciągania syntetycznego biomateriału. F. Test ściskania syntetycznego biomateriału.
<img alt="Wzory na siłę, naprężenie i odkształcenie; równania dla analizy badań mechanicznych; metody ściskania i rozciągania." src="/files/ftp_upload/54872/54872fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Wzory stosowane do obliczania mechanicznych właściwości ściskania i rozciągania tkanki lub konstruktu inżynierii tkankowej. Wzory stosowane do obliczania siły (N), naprężenia (MPa) i odkształcenia (%).
<img alt="Wykresy naprężenie-odkształcenie i naprężenie-czas, przedstawiające równania dopasowania liniowego i wartości korelacji (R=0,98)." src="/files/ftp_upload/54872/54872fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Przykład analizy kompresyjnej ludzkiej chrząstki. A. Analiza zależności naprężenia od odkształcenia. B. Wartość m w równaniu dopasowania krzywej liniowej to moduł Younga wyrażony w MPa. C. Analiza zależności naprężenia od czasu w celu wykazania właściwości relaksacyjnych. D. Wartość m w równaniu dopasowania krzywej liniowej wskazuje szybkość relaksacji. Końcowa wartość bezwzględna to ostatni punkt na wykresie.
<img alt="Wykresy naprężenie-odkształcenie i naprężenie-czas, wyniki badań mechanicznych, wraz z równaniami dopasowania liniowego." src="/files/ftp_upload/54872/54872fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Przykład analizy rozciągania ludzkiej skóry. A. Analiza zależności naprężenia od odkształcenia. B. Wartość m w równaniu dopasowania krzywej liniowej to moduł Younga wyrażony w MPa. C. Analiza zależności naprężenia od czasu w celu wykazania właściwości relaksacyjnych. D. Wartość m w równaniu dopasowania krzywej liniowej odpowiada szybkości relaksacji. Końcowa wartość bezwzględna szybkości to ostatni punkt na wykresie.

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.

Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania

Regenerative medicine aims to engineer materials to replace or restore damaged or diseased organs. The mechanical properties of such materials should ...

Ogólnym celem tej techniki jest wykorzystanie próby wciskania oraz badania rozciągania do charakterystyki właściwości mechanicznych ludzkich tkanek miękkich. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie inżynierii tkankowej, takie jak określenie pożądanej sztywności implantu mającego zastąpić niewydolny lub uszkodzony ludzki organ. Głównymi zaletami tych technik są ich nieniszczący charakter oraz prostota wdrożenia.Pomysł na tę metodę pojawił się po raz pierwszy podczas projektowania syntetycznych implantów ucha i nosa, kiedy zastanawialiśmy się, jaką sztywność powinien posiadać materiał. Zazwyczaj osoby początkujące w tej metodzie napotykają trudności wynikające z nieprawidłowego przygotowania próbek oraz problemów z poprawnym ustawieniem testów. Na początek należy pozyskać próbkę skóry lub innej tkanki od pacjentów, którzy wyrazili zgodę na pobranie materiału podczas procedur chirurgicznych, lub z ciał zmarłych, przekazanych do celów badawczych.Umieść próbkę skóry w szalce Petriego i przykryj ją PBS, aby utrzymać tkankę w stanie wilgotnym. Używając ostrza skalpela i pęsety, ręcznie oddziel tkankę tłuszczową oraz cienką warstwę głębokiej skóry właściwej od próbki. Potnij otrzymany płat skóry o grubości dzielonej na paski o wymiarach jeden na pięć centymetrów.Następnie zużyte ostrza skalpela należy wyrzucić do pojemnika na odpady ostre. Na koniec należy użyć suwmiarki, aby zmierzyć grubość skóry. Grubość będzie musiała zostać zmierzona ponownie po przeprowadzeniu testów mechanicznych.Próbki skóry należy poddać badaniu rozciągania jednoosiowego przy użyciu skalibrowanej maszyny do badań materiałowych w temperaturze pokojowej. W pierwszej kolejności należy zorientować próbki skóry tak, aby naturalny kierunek włókien kolagenowych był dla wszystkich próbek taki sam, zgodnie z liniami Langera. Następnie należy umieścić próbkę w uchwytach w taki sposób, aby kierunek przyłożonej siły był albo równoległy do linii Langera, albo prostopadły do nich.Unieruchom próbkę, dokręcając ręką uchwyty w taki sposób, aby w każdym z nich znalazło się około 0,5 centymetra próbki. Upewnij się, że jeden z uchwytów maszyny testowej jest przymocowany do odpowiedniego przetwornika siły, a drugi do nieruchomej płyty podstawy. Po zabezpieczeniu pokryj obszar próbki po obu stronach wazeliną, aby zapobiec wysychaniu preparatu.Następnie zaprogramuj w oprogramowaniu reżim testowy obciążenia rozciągającego i relaksacji w taki sposób, aby próbka była obciążana z prędkością 1 mm/s aż do uzyskania siły rozciągającej 29,42 N. Po osiągnięciu przez tkankę siły rozciągającej 29,42 N, ustaw program tak, aby utrzymywał stałe przemieszczenie przez półtorej godziny w celu umożliwienia relaksacji tkanki, stale monitorując zmianę naprężenia. Po zakończeniu ponownie użyj suwmiarki, aby zmierzyć grubość próbki.Po pobraniu próbki chrząstki od osoby wyrażającej zgodę, umieść ją w szalce Petriego i przykryj PBS. Za pomocą ostrza skalpela i pęsety usuń skórę oraz powięź z próbki. Następnie potnij próbki chrząstki na kwadraty o boku 1,5 cm.Po wycięciu zmierz za pomocą suwmiarki grubość chrząstki przeznaczonej do obciążenia. Końcowa wielkość próbki powinna być co najmniej ośmiokrotnie większa od średnicy indentera. Umieść próbkę chrząstki centralnie pod indenterem na dużej nieprzepuszczalnej podstawie i zorientuj ją tak, aby powierzchnia była prostopadła do indentera.Pozwala to na jednowymiarowe ściskanie i ogranicza występowanie sił ścinających. Następnie należy pokryć chrząstkę roztworem PBS i utrzymywać próbkę w stanie nawodnienia przez cały czas trwania testu. Zaprogramuj w oprogramowaniu tryb obciążania kompresyjnego i relaksacji w taki sposób, aby próbka była obciążana z prędkością 1 mm/s do siły kompresyjnej wynoszącej 2,94 N.Po osiągnięciu obciążenia 2,94 N należy utrzymać wgłębnik w tej samej pozycji i pozwolić chrząstce na relaksację przez 15 minut. Po zakończeniu tego etapu należy zwolnić próbkę i ponownie zmierzyć jej grubość. Aby ocenić lepkosprężystość tkanki skóry po badaniu rozciągania, do obliczenia modułu Younga wykorzystuje się wszystkie wartości z wykresu naprężenie-odkształcenie, aż do momentu, gdy dopasowanie krzywej uzyska minimalną wartość R wynoszącą 0,98.Wykres zależności naprężenia od czasu służy do oceny właściwości relaksacji skóry. Szybkość relaksacji oblicza się na podstawie ostatnich 200 sekund zebranych danych, która dla tej próbki wynosi 3,1 × 10⁵ MPa/s. Przedstawiony tutaj wykres jest przykładem danych zależności naprężenia od odkształcenia, prezentując wyniki testów wgłębienia na ludzkiej chrząstce.Podobnie jak w przypadku obliczania modułu Younga dla próbki skóry, w odniesieniu do chrząstki wykorzystuje się wartości z końca krzywej, o ile mieszczą się one w minimalnej wartości R wynoszącej 0,98. Chrząstka wykazuje szybkość relaksacji na poziomie 8,78 × 10⁻⁶ MPa/s oraz bezwzględny końcowy poziom relaksacji wynoszący 0,028 MPa. Po opanowaniu techniki, proces ten można przeprowadzić w ciągu siedmiu godzin, pod warunkiem prawidłowego wykonania.Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać o zapewnieniu powtarzalnego protokołu sekcji oraz jednolitych wymiarów próbek. Po zastosowaniu tej procedury można opracować inne metody, takie jak obciążanie cykliczne, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania, na przykład dotyczące zachowania tkanek pod wpływem fizjologicznych obciążeń dynamicznych. Technika ta otwiera przed badaczami z dziedziny biomechaniki możliwość wykorzystania tej niedestrukcyjnej metody do nieinwazyjnych testów mechanicznych in vivo.Należy pamiętać, że praca z tkankami ludzkimi może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zawsze stosować środki ostrożności, takie jak rękawiczki.

biomechanical-characterization-human-soft-tissues-using-indentation

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Omówiono metodę, za pomocą której mechaniczne zachowanie in vivo materiałów reagujących na bodźce jest monitorowane w funkcji czasu. Próbki są badane ex vivo przy użyciu testera mikrorozciągania z kontrolą środowiska w celu symulacji środowiska fizjologicznego. Praca ta dodatkowo przyczynia się do zrozumienia zachowania naszego materiału in vivo.

Kontrolowane środowiskowo badania mikrorozciągalności mechanicznie adaptacyjnych nanokompozytów polimerowych do charakterystyki ex vivo

Obecne badanie zaleca metodologię symulacji sprzężonego eksperymentu z elementami skończonymi, aby uzyskać jednoosiową dynamiczną reakcję mechaniczną miękkich biomateriałów (mózg, wątroba, ścięgna, tłuszcz, itp.). Wieloosiowe wyniki eksperymentalne, które powstały z powodu wybrzuszenia próbki uzyskanego z testów prętów ciśnieniowych Split-Hopkinson, zostały przekształcone w jednoosiowe rzeczywiste zachowanie naprężenie-odkształcenie podczas symulacji poprzez iteracyjną optymalizację analizy...

Sprzężona eksperymentalna metodologia modelowania metodą elementów skończonych do oceny reakcji mechanicznej miękkich biomateriałów przy dużej szybkości odkształcania

Prezentujemy zestaw technik do scharakteryzowania lepkosprężystych właściwości mechanicznych mózgu w mikro-, mezo- i makro-skali.

Charakterystyka wieloskalowych właściwości mechanicznych tkanki mózgowej za pomocą mikroskopii sił atomowych, wgłębień udarowych i reometrii

Przedstawiamy protokół do przeprowadzania trzypunktowych testów zginania na włóknach w skali submilimetrowej za pomocą specjalnie skonstruowanego urządzenia do testowania mechanicznego. Urządzenie może mierzyć siły w zakresie od 20 μN do 10 N, dzięki czemu może dostosować się do różnych rozmiarów włókien.

System do badania zginania w skali milimetrowej do pomiaru właściwości mechanicznych iglic z gąbek morskich

Tutaj prezentujemy szybką, łatwą i tanią metodę wytwarzania niestandardowych form polidimetylosiloksanowych, które mogą być używane do produkcji hydrożelowych tkanek inżynieryjnych o skomplikowanej geometrii. Dodatkowo opisujemy wyniki ocen mechanicznych i histologicznych przeprowadzonych na zmodyfikowanych tkankach serca wytworzonych tą techniką.

Specjalnie zaprojektowane formy do kultur tkankowych od mistrzów trawionych laserowo

Protokół opisuje skuteczne i powtarzalne metody testowania biomechanicznego rozciągania ścięgien mysich za pomocą specjalnie dopasowanych uchwytów drukowanych w 3D.

Badania biomechaniczne ścięgien myszy

Sondowanie podczas operacji artroskopii jest zwykle wykonywane w celu oceny stanu tkanek miękkich, ale to podejście zawsze było subiektywne i jakościowe. W niniejszym raporcie opisano urządzenie pomiarowe, które może mierzyć ilościowo opór tkanek miękkich za pomocą trójosiowego czujnika siły podczas artroskopii.

Urządzenie pomiarowe do ilościowego pomiaru właściwości mechanicznych tkanek miękkich podczas artroskopii

Prezentujemy metodę badania wczesnych zmian zwyrodnieniowych stawów na poziomie komórkowym w chrząstce stawowej za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM).

Zastosowanie mikroskopii sił atomowych do wykrywania wczesnej choroby zwyrodnieniowej stawów

Prezentowany tutaj jest protokół generowania zmodyfikowanych tkanek łącznych do równoległej hodowli 48 tkanek na wielodołkowej płytce z podwójnymi biegunami, odpowiedni do badań mechanistycznych, modelowania chorób i badań przesiewowych. Protokół jest zgodny z fibroblastami z różnych narządów i gatunków, a jego przykładem są tutaj pierwotne fibroblasty serca ludzkiego.

Tkanka łączna pochodząca z fibroblastów pochodząca od człowieka do zastosowań przesiewowych

Protokół przedstawia kompletny przebieg eksperymentów z nanoindentacją miękkiego materiału, w tym hydrożeli i komórek. Po pierwsze, szczegółowo opisano etapy eksperymentalne mające na celu pozyskanie danych ze spektroskopii sił; następnie analiza takich danych jest szczegółowo opisana za pomocą nowo opracowanego oprogramowania Python o otwartym kodzie źródłowym, które można pobrać bezpłatnie z GitHub.

Proces eksperymentowania i analizy danych dla nanotwardości miękkiej materii

Ten artykuł przedstawia demonstrację i podsumowanie protokołów tworzenia fantomów żelatynowych, które naśladują tkanki miękkie, oraz odpowiadającą im charakterystykę lepkosprężystą za pomocą elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego.

Lepkosprężysta charakterystyka fantomów żelatynowych naśladujących tkanki miękkie przy użyciu elastografii wgłębień i rezonansu magnetycznego

Poznaj metody wgnieceń i rozciągania do charakterystyki biomechanicznej ludzkich tkanek miękkich. Technika ta umożliwia nieinwazyjne testowanie właściwości sprężystych i lepkosprężystych skóry oraz chrząstki.

Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania

Przeglądaj więcej filmów