$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Являясь важной междисциплинарной областью исследований, биоматериалы и биомеханика выявляют взаимосвязи и механизмы между структурой, эффективностью и функцией биоматериалов посредством экспериментальных исследований и теоретического анализа, который связан с материаловедением, механикой, биоинженерией, математикой и т. д. В целях совершенствования экспериментальных методов биоматериалов и биомеханики в этой коллекции методов JoVE обсуждаются соответствующие экспериментальные методы и их соответствующие характеристики в двух категориях: механические свойства тканей и механика бионики. Наблюдения за механикой тканей включают метод 3D-растяжения гидрогелем, фотоакустический метод двойного растрового сканирования, метод децеллюляризации поджелудочной железы человека без использования детергентов и метод разъединения растягивающих и сдвиговых напряжений на трубчатых каркасах. Наблюдения за механикой бионики включают метод сбора данных о движении нижних конечностей и постуральный контроль у пациентов с нестабильностью голеностопного сустава.
Влияние механической силы на организацию в основном включает экспрессию генов, дифференцировку клеток, ремоделирование тканей 1,2,3 и изменения во внеклеточном матриксе (ВКМ)4,5,6. Понимание реакции тканей на механические силы 7,8,9 поможет развитию области тканевой инженерии и теоретических моделей. Kolel et al.10 предлагают метод растяжения 3D-гидрогелей, который позволяет получить статическую или циклическую одноосевую деформацию во время работы с конфокальным микроскопом. Они отформили фибриновый гель с отверстием диаметром около 2 мм на полосках силиконового каучука толщиной 0,5 мм, а затем провели одноосное растяжение под действием живой конфокальной микроскопии. Наконец, они обсуждают возможность встраивания клеток в гидрогели и подвергания их контролируемому внешнему растяжению. Система растяжения, используемая в этом протоколе, состоит из компонентов, напечатанных на 3D-принтере, и недорогих электронных компонентов. Система имеет следующие уникальные особенности по сравнению с другими существующими методами. Во-первых, система позволяет одноосное растяжение толстых 3D мягких гидрогелей, и весь гидрогель имеет Z-равномерную деформацию. Во-вторых, из-за простоты 3D-печати и низкой стоимости этого оборудования, такое оборудование легко построить в других лабораториях. В-третьих, геометрией и размером образца можно свободно управлять в соответствии с пользователем. Этот метод улучшил возможности изучения внешних сил, влияющих на биологические процессы в более физиологических трехмерных условиях, и внес вклад в область тканевой инженерии.
Визуализация мелких животных играет важную роль в руководстве исследованиями гомологичных заболеваний человека и поиске эффективных методов лечения. Фотоакустическая визуализация (PAI) — это неинвазивная технология визуализации, сочетающая в себе преимущества оптической и ультразвуковой визуализации11,12. Yang et al.13 сообщают о двойном растровом сканирующем фотоакустическом формирователе изображений (DRS-PAI), и с помощью сканирования акустической связи различных частей тела мышей собираются изображения сосудов в режимах WIM и RIM соответственно. Преимущество DRS-PAI заключается в том, что WIM и RIM интегрированы в одну систему и обеспечивают широкоугольную визуализацию сосудов с высоким разрешением динамики крови в режиме реального времени. Режим визуализации в реальном времени (RIM) может выявить характеристики дыхания или пульса, измеряя смещение сосудистой сети в направлении глубины. Кроме того, RIM может количественно измерять конкретную площадь изображений WIM. Сравнивая изображения, можно точно выявить детали локальных изменений. Этот метод может быть легко применен в различных областях биомедицинских фундаментальных исследований.
Растущий спрос на островки выдвигает более высокие требования к изоляции островков 14,15,16. Tamburrini et al.17 предлагают новый, не требующий детергентов метод децеллюляризации, который создает меньше повреждений ВКМ и может сохранить критические компоненты ВКМ поджелудочной железы. Метод децеллюляризации позволяет избежать использования классических ионных и неионогенных химических моющих средств. Более того, децеллюляризация ткани в орбитальном вибраторе, а не инъекция детергента через сосудистую систему, в значительной степени способствует простоте, согласованности и осуществимости технологии децеллюляризации, тем самым увеличивая производство ВКМ для трансляции. Поскольку современные бесклеточные методы не могут количественно определить остаточное содержание Triton X-100 на ЭКМ после децеллюляризации, а возможность расширения производственного процесса в среде cGMP невелика, они также изучили возможность получения децеллюляризации за счет механической вибрации, а не перфузии всей поджелудочной железы. Данные по количественному определению коллагена и гликозаминогликанов демонстрируют тенденцию, согласующуюся с предыдущим опытом. При использовании этого протокола были обнаружены некоторые ограничения. Поэтому поджелудочная железа человека от доноров с ИМТ <30, как правило, считается пригодной для децеллюляризации.
Использование абсорбируемых биоматериалов для индуцирования регенерации непосредственно in vivo является привлекательной стратегией 18,19,20,21,22, но этот вид биоматериала может вызвать воспалительную реакцию после имплантации, что также является движущей силой для последующей резорбции и регенерации новой ткани. Как воспаление, так и процесс регенерации определяются напряжением растяжения и сдвига. Koch et al.23 подробно описывают использование биореактора для разделения растягивающих и поперечных напряжений на трубчатых каркасах. Они предполагают, что применение этой трубчатой биореакторной системы поможет изучить их индивидуальные и комбинированные эффекты в механике. Этот биореактор систематически оценивает вклад напряжения сдвига и циклического растяжения в воспаление и регенерацию тканей в трубчатых резорбируемых каркасах. Также это позволяет нормировать воспламенительные и регенерационные способности под воздействием трубчатых стентов при хорошо контролируемых механических нагрузках. Подробно обсуждаются ключевые этапы этого метода: строительство и настройка биореактора, подготовка каркаса и инокуляция клеток, применение и поддержание растягивающего и сдвигового потока, сбор образцов и анализ. Эта система может тестировать различные тканеинженерные сосудистые трансплантаты (например, синтетические или природные источники, различные микроструктуры, разную пористость). Для того чтобы эффективно разъединить приложение напряжения сдвига и растяжения, в биореакторе используются следующие ключевые концепции. Во-первых, напряжение сдвига и контроль растяжения разделяются с помощью различных насосных систем. Во-вторых, скаффолды стимулируются изнутри наружу с помощью вычислительных размеров. Поток подается на наружную поверхность трубчатых лесов с помощью проточного насоса, при этом силиконовая трубка расширяется с помощью отдельного тензового насоса, а кольцевое натяжение опоры расширяется с помощью отдельного тензивного насоса. Этот метод также может быть использован для большого количества анализов на сосудистую структуру. Полученные результаты свидетельствуют об уникальном воздействии различных комбинаций сдвига и натяжения на рост и ремоделирование структуры тканеинженерного сосудистого трансплантата (TEVG). Информация, полученная с помощью платформы in vitro, полезна для оптимизации недавно разработанных параметров проектирования TEVG in situ.
Контроль осанки и равновесия можно разделить на статические и динамические состояния 24,25,26,27. Среди них способность к динамическому равновесию относится к способности тела контролировать и регулировать центр тяжести и положение телав движении. С точки зрения спортивной биомеханики, основным органом для поддержания динамического равновесия является голеностопный сустав нижних конечностей. Если бы тазобедренный сустав был основным органом для поддержания равновесия, его было бы легко упасть. Zhou et al.29 анализируют изменения биомеханики нижних конечностей в конце походки, вызванные неожиданным раздражителем. Система анализа движений и платформа подошвенного давления используются для сбора данных о движении нижних конечностей на месте. Этот метод может быть использован в исследованиях биомеханики, системах виртуальной реальности, дистанционном управлении роботами, производстве анимации, спортивных тренировках, исследованиях эргономики, интерактивных играх и т. д.
Хроническая нестабильность голеностопного сустава (ХКН) является одной из наиболее распространенных спортивных травм, характеризующейся постоянной болью и отеком голеностопного сустава, прогибом голеностопного сустава и самооценкой инвалидности, что серьезно влияет на постуральную стабильность пациентов30,31. CAI можно улучшить с помощью кинезиологического тейпирования. Yin et al.32 анализируют вклад зрения, проприоцепции и вестибулярной чувствительности в поддержание постуральной стабильности с помощью компьютерной динамической постурографии. Были проведены и измерены тесты сенсорной организации (SOT), односторонней позы (US), предела устойчивости (LOS), теста моторного контроля (MCT) и тесты адаптации (ADT). Эти измерения обеспечивают новый метод наблюдения за процессом координации трех сенсорных систем и регуляции активации мышц для поддержания постуральной стабильности.
В сочетании с междисциплинарными всесторонними исследованиями, передовое измерительное оборудование и методы способствуют развитию и эволюции биоматериалов и биомеханики. Несмотря на то, что в данной статье обсуждаются различные методы тестирования, необходимо интегрировать различные методы и идеи исследований в различных областях в качестве междисциплинарного и комплексного исследовательского направления, чтобы ускорить исследования биоматериалов и биомеханики и способствовать общению между исследователями в разных областях.