Измерение и моделирование Сократительная Сушка в роговом слое кожи человека
1 марта 2017 г.
В данной статье описывается метод количественной оценки динамических характеристик сушки и механические свойства рогового слоя путем измерения с пространственным разрешением в плоскости сушки перемещения образцов ткани круговыми привязанных к эластомерной подложке. Этот метод может быть использован для измерения, как различные виды химической обработки изменяют высыхание и ткани механические свойства.
Общая цель данного метода заключается в количественной оценке динамической механической жесткости и нарастания напряжений при высыхании в образцах рогового слоя кожи человека ex vivo после различных химических воздействий. Этот метод позволяет ответить на ключевые вопросы в области биомеханики и косметической науки, например, о том, как состав рогового слоя или обработка тканей кожи средствами личной гигиены могут влиять на их механические свойства и динамику поведения при высыхании. Основное преимущество данной методики заключается в том, что она представляет собой более быструю альтернативу другим методам механической оценки, требует значительно меньшего количества тканей кожи и обеспечивает более физиологически релевантное высыхание за счет предотвращения испарения с нижней стороны образца.
Для приготовления покровных стекол с эластомерным покрытием сначала смешайте отвердитель Sylgard 184 с основным веществом в соотношении основы к отвердителю 55:1 до достижения однородности. В общей сложности потребуется шесть грамм. Затем удалите из раствора пузырьки воздуха путем дегазации.
Затем используйте данный раствор для нанесения покрытия на покровные стекла с помощью центрифуги для спин-котинга. Используя пипетку с широким отверстием, нанесите один миллилитр смеси в центр покровного стекла. Затем проведите спин-котинг покровного стекла при 2, 000 rpm в течение 60 секунд.
Таким образом подготовьте пять или шесть покрытых покровных стекол. Для отверждения покрытий выдержите покровные стекла в печи при температуре 60 °C в течение 12 часов. На следующий день измерьте толщину эластомерных пленок.
С помощью лезвия бритвы приподнимите один край эластомерной пленки над покровным стеклом. Затем с помощью перманентного маркера отметьте верхнюю сторону эластомерной пленки и обработанное покровное стекло под ней. Теперь с помощью инвертированного микроскопа измерьте высоту Z между фокальными плоскостями этих меток, чтобы определить толщину пленки.
Подготовьте ткань SC в соответствии со стандартными процедурами. Для получения образцов вырежьте из SC диски диаметром шесть миллиметров. Поставьте метку в центре внешней поверхности каждого образца с помощью нестираемого маркера. Затем нанесите флуоресцентные маркерные частицы на поверхность SC, поместив образцы в 15 milliliters воды, содержащей около 90 microliters концентрата частиц.
Обеспечьте осторожное перемешивание в течение 30 минут и при необходимости отрегулируйте концентрацию микросфер. После обработки погрузите каждый образец в воду для последующего закрепления на эластомере. Расположите покрытое напылением покровное стекло под небольшим углом, от 15 до 30 градусов, под SC, при этом эластомер должен быть обращен к нижней стороне SC. Затем поднимите покровное стекло из воды вместе с прикрепленным сверху SC, тем самым плавно ламинируя образец SC без образования складок или пузырьков воздуха.
Затем высушите закрепленные образцы при комнатных условиях в течение примерно одного часа. После высушивания перенесите образцы в герметичную камеру с чашкой воды. Оставьте образцы на 24 часа для уравновешивания по влажности.
На следующий день закрепите образец в перфузионной камере для длительного сеанса визуализации. Установите перфузионную камеру на подложку и герметизируйте ее края по периметру эластомера с помощью вакуумной смазки. Затем зарегистрируйте изображения в флуоресцентном и проходящем свете с полем зрения, достаточно большим для захвата всего образца SC.
В течение следующих 16 часов делайте снимки каждые 10 минут. В вытяжном шкафу налейте в небольшой пластиковый колпачок 1 мл силана. Поместите колпачок в герметичный контейнер с одним покровным стеклом с эластомерной прокладкой так, чтобы они не соприкасались напрямую.
Инкубируйте их при комнатной температуре в течение пяти часов. В ожидании приготовьте 20 миллилитров раствора бусин согласно текстовому протоколу, затем налейте его в чашку Петри диаметром 10 сантиметров. Через пять часов медленно поместите силанизированные подложки стороной из эластомера вниз в раствор бусин.
Поместите по два субстрата в каждую чашку и оставьте их реагировать с микросферами на 45 минут. Затем с помощью пинцета извлеките субстраты и промойте их дистиллированной водой для удаления несвязавшихся микросфер. После этого высушите их под слабой струей сжатого воздуха и поместите на хранение в герметичный непрозрачный контейнер.
Используя ранее описанный метод, перенесите образцы SC на обработанную подложку в водяной бане. Сразу после закрепления SC нанесите на него каплю в 5 µL неразбавленного раствора флуоресцентных маркерных микросфер. Затем дайте SC высохнуть в течение 60 минут.
Теперь измерьте толщину SC с помощью микроскопа с 40-кратным объективом в перфузионной камере. Измеряйте толщину SC с течением времени, используя аксессуар для дистанционного фокусирования, чтобы зарегистрировать разницу в высоте по оси Z между двумя слоями бусин. Один слой находится на интерфейсе подложки SC, а другой — на поверхности SC. С помощью описанных методов был подготовлен образец SC и покрыт флуоресцентными бусинами.
После 16 часов сушки при относительной влажности 25% были измерены смещения. Благодаря круговой симметрии образцов эти смещения были усреднены по азимуту. На протяжении всего процесса сушки азимутальные смещения оставались малыми.
Однако профили радиального смещения монотонно возрастали от центра к краю, и их величина увеличивалась до достижения равновесия. Профили, записанные с 30-минутным интервалом, демонстрируют временную эволюцию смещений в плоскости. Средняя толщина SC уменьшалась в процессе высушивания, преимущественно в течение первых двух часов.
Затем динамика высыхания была проанализирована путем аппроксимации профилей смещения линейной моделью упругой сократимости с использованием метода наименьших квадратов. На основе этой модели были определены напряжение сокращения при высыхании и модуль упругости. Оба параметра быстро возрастали в течение первых двух часов высыхания.
При выполнении данной процедуры важно помнить о необходимости полного прикрепления образцов к подложке. После завершения этой процедуры можно применить другие методы, такие как окрашивание липидов, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, о том, как определенные косметические процедуры изменяют липидный состав тканей.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
В данной статье описывается метод количественной оценки динамической механической жесткости и особенностей высыхания рогового слоя кожи человека. Путем измерения плоскостных перемещений образцов ткани на эластомерной подложке при высыхании данный метод позволяет оценить влияние химической обработки на свойства ткани.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомеханика
- Косметическая наука
Теоретические сведения
- Понимание механических свойств рогового слоя имеет решающее значение для применения методов лечения кожи.
- Современные методы могут требовать большего количества ткани или времени, чем желательно.
- Динамика процесса высыхания может влиять на эффективность средств личной гигиены.
Цель исследования
- Количественно оценить напряжения при высыхании и механическую жесткость в образцах кожи ex vivo.
- Оценить влияние различных химических обработок на свойства кожи.
- Предложить быструю альтернативу существующим методам механической оценки.
Используемые методы
- Приготовление покровных стекол с эластомерным покрытием с использованием Sylgard 184.
- Измерение пространственно-разрешенных смещений при высыхании.
- Оценка механических свойств после обработки.
- Предотвращение испарения с нижней стороны образца для обеспечения физиологической релевантности.
Основные результаты
- Данный метод позволяет проводить экспресс-оценку механических свойств кожи.
- Различные виды химической обработки значительно изменяют характер высыхания.
- По сравнению с традиционными методами требуется меньшее количество ткани.
Выводы
- Данный метод расширяет понимание биомеханики кожи.
- Он позволяет оценить воздействие косметических средств на кожу.
- Будущее применение данного метода может способствовать оптимизации состава и повышению эффективности продуктов.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Данный метод позволяет проводить быструю и физиологически значимую оценку механических свойств рогового слоя в условиях высыхания, что способствует оценке косметических средств и средств по уходу за телом на ранних стадиях. Путем количественного определения динамических изменений напряжения при высыхании и модуля упругости метод предоставляет прогностические данные о барьерной функции и устойчивости тканей, что помогает принять решение о целесообразности дальнейшей разработки продукта. Высокопроизводительный подход, требующий минимального количества биоматериала, повышает эффективность скрининга и снижает зависимость от традиционных методов механического анализа.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет исследовать, как косметические процедуры изменяют биомеханические свойства рогового слоя, что способствует проверке механистических гипотез.
- Практическая ценность: Обеспечивает возможность быстрого скрининга влияния составов на жесткость тканей и стресс при высыхании с минимальным расходом образцов.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: позволяет получать количественные профили смещения с пространственным разрешением, которые коррелируют с изменениями механических свойств в процессе высушивания.
- Практическая ценность: стандартизирует подготовку образцов и проведение измерений с помощью круговых вырезов, прикрепленных к эластомеру, что повышает воспроизводимость результатов между группами обработки.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: Связывает изменения в процессе высыхания, вызванные составом формуляции, с целостностью барьера, что подтверждает трансляционную значимость для результатов здоровья кожи.
- Практическая ценность: Обеспечивает непрерывную регистрацию механической эволюции в течение 16-часовых циклов высыхания, что позволяет проводить оценку эффективности с временным разрешением.
Интеграция конвейера и рабочих процессов
Данный метод вписывается в рабочие процессы раннего этапа поиска, когда влияние состава на биомеханику кожи оценивается до оптимизации ведущих соединений, обеспечивая связующее звено между молекулярным скринингом и функциональной оценкой тканей.
- Биологические исследования: обеспечивает проверку гипотез о влиянии средств личной гигиены на механику рогового слоя и накопление стресса, вызванного высыханием.
- Скрининг: предоставляет стандартизированные ткане-эластомерные конструкции, готовые к анализу и подходящие для сравнения различных условий при скрининге рецептур.
- Аналитика: позволяет извлекать данные о стрессе при высыхании и модуле упругости из аппроксимированных профилей смещения, что обеспечивает количественное сравнение эффектов воздействия с течением времени.
- Трансляционные исследования: связывает динамику механического высыхания с барьерной функцией, что позволяет оценить доклиническую значимость косметических средств.
- Корпоративное использование: создает многократно используемую платформу для оценки различных косметических активных компонентов, увлажняющих и очищающих средств в контролируемых условиях высыхания.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Прогностическая уверенность в воздействии состава на механическую устойчивость тканей и поведение при высыхании, связанное с барьерной функцией.
- Эксплуатационная ценность: Высокая пропускная способность, низкий расход тканей и предотвращение артефактов испарения повышают надежность и масштабируемость анализа.
- Стратегическая ценность: Позволяет снизить риски на ранних этапах отбора кандидатов в состав путем выявления тех, которые усиливают вызванный высыханием механический стресс.
- Влияние на портфель: Обеспечивает приоритезацию косметических ингредиентов с поправкой на риск на основе биомеханической совместимости с stratum corneum.
Особенности реализации
- Опыт в биомеханическом моделировании и анализе изображений для отслеживания смещений и подбора параметров модели.
- Доступ к центрифугам для нанесения покрытий методом спин-коатинга, перфузионным камерам и системам контроля окружающей среды для сушки с регулируемой влажностью.
- Стандартизация протоколов вырезания образцов ткани, маркировки микросфер и нанесения эластомерного покрытия для всех пользователей.
- Вопросы адаптации метода для тканей различной толщины или субстратов с разной податливостью при расширении области применения за пределы рогового слоя кожи человека.
- Практическое ограничение: метод предполагает линейно-упругое поведение и круговую симметрию, что может быть несоблюдено при патологических или сильно измененных состояниях ткани.
