Биомеханическое Характеристика мягких тканей человека с помощью отступов и испытания на растяжение

Общая цель этого метода заключается в использовании испытаний на вдавливание и растяжение для характеристики механических свойств мягких тканей человека. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы в области тканевой инженерии, например, насколько жестким должен быть имплантат для замены неисправного или поврежденного человеческого органа. Основные преимущества этих методик заключаются в том, что они неразрушающие, и просты в применении.

Впервые идея этого метода пришла нам в голову, когда мы разрабатывали синтетические имплантаты для уха и носа, и мы задались вопросом, насколько жестким мы должны сделать этот материал. Как правило, люди, плохо знакомые с этим методом, испытывают трудности из-за неправильной подготовки образцов и трудностей с правильной настройкой тестов. Для начала необходимо получить образец кожи или другой ткани у пациентов, перенесших хирургические процедуры, или трупных тел, полученных в исследовательских целях.

Поместите образец кожи в чашку Петри и накройте ее PBS, чтобы ткань оставалась влажной. С помощью лезвия скальпеля и щипцов вручную рассеките жировую ткань и тонкий слой глубокой дермы из образца. Разрежьте полученный лист расколотой толщины кожи на полоски размером один на пять сантиметров.

Затем выбросьте использованные лезвия скальпеля в мусорное ведро для острых предметов. Наконец, используйте штангенциркуль для измерения толщины кожи. Толщину также необходимо будет измерить после механических испытаний.

Испытайте образцы кожи в одноосном растяжении с помощью калиброванной испытательной машины при комнатной температуре. Начните с ориентации образцов кожи таким образом, чтобы естественная ориентация коллагеновых волокон была в одном направлении, в соответствии с линиями Лангера. Далее загрузите образец в захваты так, чтобы направление приложенной силы было либо на одной линии с линиями Лангера, либо перпендикулярно им.

Обездвижите образец, затянув захваты пальцами так, чтобы в каждый захват помещалось примерно 0,5 сантиметра образца. Убедитесь, что одна из рукояток испытательной машины прикреплена к соответствующему тензодатчику, а другая — к неподвижной опорной плите. После закрепления покройте область образца с обеих сторон вазелином, чтобы предотвратить высыхание образца.

Теперь запрограммируйте режим испытаний на растяжение и релаксацию в программном обеспечении таким образом, чтобы образец был нагружен со скоростью один миллиметр в секунду с напряжением 29,42 ньютона. Как только ткань достигнет напряжения в 29,42 ньютона, установите программу на удержание постоянного смещения в течение полутора часов, чтобы позволить ткани расслабиться, продолжая при этом следить за изменением напряжения. Когда закончите, снова используйте штангенциркуль для измерения толщины образца.

После получения образца хряща от согласного человека, поместите его в чашку Петри и накройте PBS. Используйте лезвие скальпеля и щипцы, чтобы удалить кожу и фасцию с образца. Затем разрежьте образцы хрящей на квадраты по 1,5 сантиметра.

После резки измерьте толщину хряща, который необходимо нагрузить, с помощью штангенциркуля. Итоговый размер образца должен быть как минимум в восемь раз больше диаметра индентора. Центрируйте образец хряща под индентором на большом непроницаемом основании и ориентируйте его так, чтобы поверхность была перпендикулярна индентору.

Это позволяет одноосному сжатию быть одноосным и ограничивает любую прозрачность. Затем покройте хрящ PBS и держите образец гидратированным на протяжении всего теста. Запрограммируйте режим испытаний на сжатие и релаксацию в программном обеспечении таким образом, чтобы образец нагружался со скоростью один миллиметр в секунду с силой сжатия 2,94 ньютона.

После того, как будет достигнута нагрузка в 2,94 ньютона, удерживайте индентор в том же положении и дайте хрящу расслабиться в течение 15 минут. Когда закончите, отпустите образец и снова измерьте его толщину. Для оценки вязкоупругости кожной ткани после испытания на растяжение все значения графика напряженной деформации включаются в расчет модуля Юнга до тех пор, пока аппроксимация линейной кривой не будет иметь минимальное значение R, равное 0,98.

График зависимости стресса от времени используется для оценки релаксационных свойств кожи. Скорость релаксации рассчитывается на основе последних 200 секунд собранных данных, что для данной выборки составляет от 3,1 умножить на десять до пяти мегапаскалей в секунду. На приведенном здесь графике приведены примеры данных о зависимости напряжения от деформации, показывающие результаты испытания на вдавливание на хряще человека.

Как и в случае с вычислением модуля Юнга для образца кожи, значения в конце кривой используются для хряща, если они соответствуют минимальному значению R, равному 0,98. Хрящ имеет скорость расслабления 8,78 умножить на десять с отрицательными шестью мегапаскалями в секунду и абсолютный конечный уровень расслабления 0,028 мегапаскалей. После освоения этой техники ее можно выполнить за семь часов, если она выполнена правильно.

Пытаясь выполнить эту процедуру, важно помнить о наличии повторяемого протокола вскрытия и размеров образца. После этой процедуры могут быть сформированы другие методы, такие как циклическая нагрузка, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, как ведут себя ткани при физиологических, динамических нагрузках. Этот метод открывает исследователям в области биомеханики путь к изучению использования этого неразрушающего метода для неинвазивных механических испытаний in vivo.

Не забывайте, что работа с человеческими тканями может быть чрезвычайно опасной, и при выполнении этой процедуры всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как перчатки.