$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Como um importante campo de pesquisa interdisciplinar, os biomateriais e a biomecânica revelam as relações e mecanismos entre a estrutura, o desempenho e a função dos biomateriais por meio de pesquisas experimentais e análises teóricas, que estão conectadas à ciência dos materiais, mecânica, bioengenharia, matemática, etc. Com o objetivo de aprimorar os métodos experimentais de biomateriais e biomecânica, esta Coleção de Métodos JoVE discute os métodos experimentais correspondentes e suas respectivas características em duas categorias: propriedades mecânicas dos tecidos e mecânica biônica. As observações da mecânica dos tecidos incluem um método de alongamento de hidrogel 3D, um método fotoacústico de varredura raster dupla, um método de descelularização sem detergente do pâncreas humano e um método de desacoplamento de tensões de tração e cisalhamento em andaimes tubulares. As observações da mecânica biônica incluem um método de coleta de dados de movimento de membros inferiores e controle postural para pacientes com instabilidade do tornozelo.
Os efeitos da força mecânica na organização incluem principalmente expressão gênica, diferenciação celular, remodelação tecidual 1,2,3 e alterações na matriz extracelular (MEC) 4 , 5 , 6 . Compreender a resposta do tecido às forças mecânicas 7,8,9 ajudará no desenvolvimento do campo da engenharia de tecidos e modelos teóricos. Kolel et al.10 propõem um método de estiramento de hidrogéis 3D, que permite deformação uniaxial estática ou cíclica durante um microscópio confocal. Eles moldaram um gel de fibrina com um orifício de cerca de 2 mm de diâmetro em tiras de borracha de silicone de 0,5 mm de espessura e, em seguida, o alongamento uniaxial foi realizado sob microscopia confocal ao vivo. Por fim, discutem a possibilidade de incorporar células em hidrogéis e expô-las a alongamentos externos controlados. O sistema de alongamento utilizado neste protocolo consiste em componentes de impressão 3D e componentes eletrônicos de baixo custo. O sistema possui os seguintes recursos exclusivos em comparação com outros métodos existentes. Primeiro, o sistema permite o alongamento uniaxial de hidrogéis macios 3D espessos, e todo o hidrogel tem deformação uniforme em Z. Em segundo lugar, devido à simplicidade da impressão 3D e ao baixo custo deste equipamento, é fácil construir este tipo de equipamento de alongamento em outros laboratórios. Em terceiro lugar, a geometria e o tamanho da amostra podem ser operados livremente de acordo com o usuário. Este método melhorou a capacidade de estudar forças externas em processos biológicos sob condições 3D mais fisiológicas e contribuiu para o campo da engenharia de tecidos.
A imagem de pequenos animais desempenha um papel importante na orientação da pesquisa sobre doenças homólogas humanas e na busca de métodos de tratamento eficazes. A imagem fotoacústica (PAI) é uma tecnologia de imagem não invasiva que combina as vantagens da imagem óptica e da imagem ultrassônica11,12. Yang et al.13 relatam um imageador fotoacústico de varredura dupla (DRS-PAI) e, por meio da varredura de acoplamento acústico de diferentes partes de camundongos, as imagens vasculares nos modos WIM e RIM são coletadas, respectivamente. A vantagem do DRS-PAI é que o WIM e o RIM são integrados em um sistema e fornecem visualização vascular de campo amplo de alta resolução da dinâmica sanguínea em tempo real. O modo de imagem em tempo real (RIM) pode revelar as características da respiração ou pulso medindo o deslocamento da vasculatura ao longo da direção da profundidade. Além disso, a RIM pode medir quantitativamente a área específica das imagens WIM. Ao comparar as imagens, os detalhes das mudanças locais podem ser revelados com precisão. Este método pode ser facilmente aplicado a vários campos da pesquisa básica biomédica.
A crescente demanda por ilhotas apresenta requisitos mais elevados para o isolamento das ilhotas 14,15,16. Tamburrini et al.17 propõem um novo método de descelularização sem detergente que cria menos danos à MEC e pode preservar componentes críticos da MEC pancreática. O método de descelularização evita o uso de detergentes químicos iônicos e não iônicos clássicos. Além disso, a descelularização do tecido em um vibrador orbital, em vez da injeção de detergente através de um sistema vascular, promove muito a simplicidade, consistência e viabilidade da tecnologia de descelularização, aumentando assim a produção de ECM para tradução. Como os métodos acelulares atuais não podem quantificar o Triton X-100 residual na ECM pós-descelularização e a viabilidade de expandir o processo de fabricação no ambiente cGMP é baixa, eles também estudaram a viabilidade de obter descelularização por vibração mecânica em vez de perfusão de todo o pâncreas. Os dados sobre a quantificação de colágeno e glicosaminoglicanos mostram uma tendência consistente com a experiência anterior. Algumas limitações foram encontradas com o uso desse protocolo. Portanto, os pâncreas humanos de doadores com IMC <30 são geralmente considerados adequados para descelularização.
O uso de biomateriais absorvíveis para induzir a regeneração diretamente in vivo é uma estratégia atraente 18,19,20,21,22, mas esse tipo de biomaterial pode causar uma reação inflamatória após o implante, que também é a força motriz para a subsequente reabsorção e regeneração de novo tecido. Tanto o processo de inflamação quanto o de regeneração são determinados pela tensão de tração e cisalhamento. Koch et al.23 descrevem em detalhes o uso de um biorreator para desacoplamento de tensões de tração e cisalhamento em andaimes tubulares. Eles sugerem que a aplicação deste sistema de biorreator tubular ajudará a estudar seus efeitos individuais e combinados na mecânica. Este biorreator avalia sistematicamente as contribuições da tensão de cisalhamento e do estiramento cíclico para a inflamação e regeneração tecidual em scaffolds tubulares reabsorvíveis. Além disso, isso torna possível padronizar as capacidades de inflamação e regeneração sob a influência de stents tubulares sob cargas mecânicas bem controladas. As principais etapas deste método são discutidas em detalhes: a construção e configuração do biorreator, a preparação do andaime e da inoculação celular, a aplicação e manutenção do fluxo de estiramento e cisalhamento, a coleta de amostras e a análise. Este sistema pode testar uma variedade de enxertos vasculares de engenharia de tecidos (por exemplo, fontes sintéticas ou naturais, diferentes microestruturas, diferentes porosidades). Para desacoplar efetivamente a aplicação de tensão de cisalhamento e tensão, os principais conceitos usados no biorreator são os seguintes. Primeiro, a tensão de cisalhamento e o controle de estiramento são separados usando diferentes sistemas de bomba. Em segundo lugar, os andaimes são estimulados de dentro para fora com dimensões orientadas computacionalmente. O fluxo é aplicado na superfície externa do andaime tubular usando uma bomba de fluxo, enquanto o tubo de silicone é expandido usando uma bomba de tensão separada e a tensão circunferencial do suporte é expandida usando uma bomba de tensão separada. Este método também pode ser usado para um grande número de análises sobre a construção vascular. Os resultados indicam os efeitos únicos de diferentes combinações de cisalhamento e tensão no crescimento e remodelamento da estrutura do enxerto vascular de engenharia de tecidos (TEVG). Os insights obtidos por meio da coleta da plataforma in vitro são úteis para otimizar os parâmetros de projeto recém-desenvolvidos para TEVGs in situ.
O controle postural e de equilíbrio pode ser dividido em estados estáticos e dinâmicos 24,25,26,27. Entre eles, a capacidade de equilíbrio dinâmico refere-se à capacidade do corpo de controlar e ajustar o centro de gravidade e a postura em movimentodo corpo 28. Do ponto de vista da biomecânica esportiva, o principal corpo para manter o equilíbrio dinâmico é a articulação do tornozelo dos membros inferiores. Se a articulação do quadril fosse o corpo principal para manter o equilíbrio, seria fácil cair. Zhou et al.29 analisam as alterações na biomecânica dos membros inferiores no término da marcha causadas por um estímulo inesperado. Um sistema de análise de movimento e uma plataforma de pressão plantar são usados para coletar os dados de movimento do movimento dos membros inferiores in situ. Este método pode ser usado em pesquisas de biomecânica, sistemas de realidade virtual, controle remoto de robôs, produção de animação, treinamento esportivo, pesquisa ergonômica, jogos interativos, etc.
A instabilidade crônica do tornozelo (ICT) é uma das lesões esportivas mais comuns, caracterizada por dor e edema persistentes do tornozelo, cedendo o tornozelo e incapacidade autorreferida, o que afeta seriamente a estabilidade postural dospacientes30,31. O CAI pode ser melhorado por meio de bandagem cinesiológica. Yin et al.32 analisam as contribuições da visão, propriocepção e sensação vestibular na manutenção da estabilidade postural usando posturografia dinâmica computadorizada. Foram realizados e medidos testes de organização sensorial (SOT), postura unilateral (US), limite de estabilidade (LOS), teste de controle motor (MCT) e testes de adaptação (ADT). Essas medições fornecem um novo método para observar o processo de coordenação dos três sistemas sensoriais e regular a ativação muscular para manter a estabilidade postural.
Combinados com pesquisas abrangentes multidisciplinares, os equipamentos e métodos de medição avançados promovem o desenvolvimento e a evolução de biomateriais e biomecânica. Embora este artigo discuta diferentes métodos de teste, é necessário integrar diferentes métodos e ideias de pesquisa em vários campos como uma direção de pesquisa interdisciplinar e abrangente, a fim de acelerar a pesquisa de biomateriais e biomecânica e promover a comunicação entre pesquisadores em diferentes campos.