Charakterystyka biomechaniczna tkanek miękkich człowieka za pomocą prób wgnieceń i rozciągania

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.